极端降雨情形下黄土区水土保持治理的减沙效益估算

极端降雨情形下水土流失治理的效益评估对黄河治理具有重要意义,但由于缺乏有效的针对降雨事件尺度的定量评估方法,该问题长期存有争议。2017年陕西榆林"7·26"特大暴雨致灾严重,引发广泛关注。该研究提出了一种适用于事件尺度的减沙效益计算方法,并以岔巴沟流域为研究对象,计算流域水土保持治理在"7·26"暴雨事件中的减沙效益。研究结果表明,在流域未治理时段,高强度降雨事件具有较好的降雨径流关系,并且事件平均含沙量相当稳定,藉此可估计"7·26"洪水发生在未治理时段的产流量和平均含沙量,从而计算出相应的产沙量,估算出流域治理的总减沙效益。进一步,利用坡面措施(包括梯田和植被)和淤地坝减沙机制的不同,可分割其各自的减沙贡献。计算结果表明,"7·26"暴雨中,流域水土保持治理使得洪水平均含沙量减小83%,径流减小55.1%,流域治理的总减沙效益因此高达92.4%,与2007-2017年岔巴沟流域泥沙的减幅相当。总减沙效益中有55.1%来自坡面措施,37.3%来自淤地坝措施,2种措施均发挥重要作用。该方法不仅可以计算流域水土保持治理的总减沙效益,还能够分割不同水土保持措施的效益,可广泛应用于黄土区极端降雨情形下水土流失治理的效益评估。     

坡面措施对小流域治理的减水减沙效益分析

据对吕二沟坡面治理措施水平梯田、人工林地、草地等减水减沙作用进行分析，在治理度为５０％的条件下，即使没有库坝沟道工程，流域治理仍具有显著的减水减沙效益：年均减水量为１６．９９万ｍ３，减沙量为３．０６２万ｔ，分别占年均计算径流，总量６９．３５万ｍ３与年均计算输沙总量７．６５５万ｔ的２４．５％和４０％。     

基于水沙关系框架的黄土区不同水保措施减沙贡献分割方法

黄土高原水土保持治理已取得巨大成效,但常规的水文法和水保法均不能可靠地进行不同水土保持治理措施的减沙贡献分割。该研究首先分析了不同治理措施的减沙机制,认为在流域尺度上:1)由于坡面水下沟后继续冲刷,植被、梯田等坡面治理措施仅通过减少地表径流来减沙;2)淤地坝既通过减少地表径流来减沙,也通过降低地表径流含沙量来减沙;3)降雨对产沙的影响机制与坡面措施类似。基于此,该研究提出了一种新的针对黄土区的流域减沙贡献分割方案,给出了降雨、坡面措施以及淤地坝的减沙贡献计算公式。验证结果表明,这3个公式计算结果与实际观测结果均非常一致,其中淤地坝公式准确计算出了大理河、清涧河、延河流域的淤地坝拦沙量(R^2>0.9)。水文法被认为是一种较可靠的降雨变化和人类活动贡献分割方法,该研究提出的方法与水文法的计算的结果几乎一致。水保法计算结果为坡面减蚀率,因而会高估减沙贡献,而该研究方法考虑了减沙效应的空间尺度变异,计算结果为流域减沙率。该研究提出的方法具有较好的理论基础,对黄河流域减沙的归因分析以及未来治黄策略的制定具有重要意义。     

大理河流域水土保持措施减沙效益与影响因素关系分析

 利用大理河流域1960—2002年的系列水文资料和水土保持成因分析法计算结果,分析大理河流域减沙效益与措施保存面积、配置比例和汛期降雨量等影响因素的关系,以及大理河流域淤地坝措施减沙量与坡面措施减沙量的关系。结果表明:现状水土流失治理条件下,大理河流域仅靠坡面治理措施取得的减沙效益只有9%,取得最大减沙效益的水土保持措施梯田、林地、草地、坝地最优配置比例为18.6∶73.2∶4.6∶3.6,保持流域水土保持措施较高减沙效益的坝地配置比例为4%;大理河流域水土保持措施减沙量与汛期降雨量关系最为密切,二者呈正相关关系;流域水土保持措施减沙能力表现最充分的汛期降雨量值区间约为300～500mm;大理河流域治理期有21年坡面措施减沙量小于600万t/a,淤地坝措施减沙量均在3000万t/a以内变化。20世纪90年代以来,流域坡面措施减沙量与淤地坝措施减沙量关系比较密切,淤地坝措施减沙量的增幅小于坡面措施减沙量的增幅。     

河龙区间坝库参数与减沙效益关系研究

对黄河中游河龙区间晋西北片、陕北片坝库控制面积占比、坝库单位面积库容等参数与水利水土保持措施减沙效益关系进行了研究，结果表明：（1）晋西北片若没有坝库工程，仅靠水土保持坡面治理措施只能取得14％的减沙效益；每增加100km^2的坝库控制面积，即可提高2％的减沙效益；每增加400万m^2的库容，即可提高1％的减沙效益;坝库单位面积库容每提高1万m^2／km^2，减沙效益即可提高约10％。（2）陕北片减沙效益主要由坝库工程产生。减沙效益提高10％，坝库单位面积库容需要提高5万m^2／km^2。要使流域水土保持综合治理减沙效益达到20％以上，坝库单位面积库容应在6万m^2／km^2以上。（3）在黄河中游多沙粗沙区，要实现40％左右的减沙效益，坝库单位面积库容应达到167／m^2／km^2以上。     

东北黑土区水土保持措施减沙效益监测

 为给大面积开展黑土地水土流失治理提供科学的理论依据,在东北黑土区水土流失综合防治试点工程中选择4条重点小流域设置28个径流小区,进行水土流失监测及措施保土效益对比分析。通过对2年监测成果的分析,认为:“试点工程”中所采取的几种主要坡面治理措施,其保土减沙效益十分显著———水平梯田措施最好,减少土壤流失量高达99.5%;其次是地梗植物带和水平坑措施,减少土壤流失量为95.2%;荒山荒坡灌木埂措施为80.2%;改垄措施为64.6%;生态自然恢复稍低些,为49.9%。     

水土保持措施不同配置体系的滞洪减沙效应

主要以黄土高原多沙粗沙区皇甫川流域为例,依据野外实测资料分析了水土保持措施不同类型配置体系下的滞洪减沙效应。提出了"措施配置比"和"流域治理效应与水土保持治理措施类型配置方案有关"的概念。研究结果表明:在水土保持治理措施体系中,若单项措施的配置比不同,措施体系的滞洪减沙作用是不同的;当淤地坝配置比<2%时,流域治理的减沙效益很低;若坝库控制面积小于总流域面积的10%,尽管其它措施的治理度达45%左右,但对于面平均降水量>35mm、最大日降水量>50mm的暴雨洪水,流域治理措施体系的控制作用仍不明显。     

赣江流域水土保持生态建设减水减沙效益评价

利用赣江流域1956-2008年年降雨量和赣江控制站外洲水文站年径流量和年输沙量资料,采用水文分析法计算赣江流域近30a水土保持生态建设的减水减沙效益。结果表明,赣江流域治理后期1984-2008年水土保持生态建设年均减沙量为5.70×10⁶t,年均减沙效率为48.57%。随着水土保持措施的生效,减沙率有逐年上升而后稳定的趋势,2008年减沙率达80.54%;赣江流域水土保持生态建设对流域年径流总量减少不明显,后期径流量反而会有所增加。水土保持生态建设能增加流域土壤入渗,减少地表径流,削减洪峰流量,延长汇流时间,起到防洪减灾效果。     

东北黑土区水土保持措施减沙效益初步分析

东北黑土区是我国重要的商品粮基地。由于百余年的开垦,导致水土流失十分严重。为保护黑土资源,2003~2005年国家实施了东北黑土区水土流失综合防治试点工程,同时开展了水土保持监测。通过对项目区5条重点小流域内的径流小区径流泥沙监测,对比分析各种措施的减沙保土效益。2004年监测数据分析表明:“试点工程”坡面治理中的几种主要措施保土效益十分明显。与裸地相比,减沙保土效益最好的是水平台田,可减少土壤流失量高达99.8%,其次是地梗植物带为93.0%,荒山荒坡灌木梗为87.6%,等高耕作为78%。若与顺坡垄相比,等高耕作比顺坡耕作的保土效益高,达93.2%。     

泾河东川近期水沙变化对高强度人类活动的响应

根据实地典型调查资料和实测水文资料,分析了泾河东川流域近期水沙变化对高强度人类活动的响应成因。采用"指标法"计算了流域梯田、林地、草地、坝地和封禁治理等水土保持措施减水减沙量和减蚀量,提出了"水保措施拦沙减蚀量"的概念;首次对流域石油开采中井场及井场道路、陡坡耕种、公路建设和砖厂弃土等人为新增水土流失量进行了定量计算。结果表明,(1)以面平均降雨量100mm为界,流域年最大场次降雨产洪产沙关系可以分为降雨产洪产沙低值区和降雨产洪产沙高值区2个区。高值区降雨产洪产沙关系非常密切,其单位毫米降雨产洪产沙量分别是低值区的29倍和38倍。(2)截至2013年流域水土保持措施减水1 210万m3,减沙743万t,拦沙减蚀1 606万t,减水减沙作用分别为10.1%和21.8%。2009-2013年人为年均新增水土流失量224万t/a,占同期水土保持措施拦沙减蚀量的14%。人为新增水土流失量中石油开采年均弃土流失量居首位,其次为陡坡耕种年均增沙量。(3)2008年以来流域输沙量增加和连续出现高含沙洪水的原因主要是大暴雨频发导致洪水泥沙明显增加;石油开采、陡坡耕种等人为新增水土流失有增加趋势;近期水土保持综合治理力度不够,坝地配置比例低,同时对东川流域近期林草措施减水减沙能力、高含沙洪水成因和水土流失治理效果等问题进行了讨论。研究成果对深化近期黄河水沙变化研究、继续开展黄土高原水土流失有效治理具有重要参考价值。     

黄河中游窟野河流域水沙关系变化特征及其成因分析

为探讨人类活动和气候变化对窟野河流域水沙情势的影响,基于1956—2019年窟野河流域降水量、径流量和输沙量等监测数据,运用累积距平法、双累积曲线等方法对窟野河流域水沙变化的特征及其成因进行了分析。结果表明:窟野河流域降水量随时间变化呈不明显减小趋势,而径流量和输沙量随时间变化却呈显著减小趋势,流域水沙减少的因素不是气候变化引起的降水因素; 径流量和输沙量年际变化的转折年份为1979年和1997年; 同基准期A(1956—1979年)相比,B时期(1980—1997年)气候变化对径流量和输沙量的贡献率分别为14.25%,14.22%,人类活动对径流量和输沙量的贡献率分别为85.75%,85.78%,C时期(1998—2019年)气候变化对径流量和输沙量的贡献率分别为8.76%,6.65%,人类活动对径流量和输沙量的贡献率分别为91.24%,93.35%,降水变化和人类活动都是造成窟野河流域水沙减少的影响因素,其中流域内逐年增强的人类活动是窟野河流域径流和输沙减少的主要因素,而气候变化引起的降水减少是次要因素。     

等高反坡阶对昆明市松华坝水源区坡耕地氮、磷流失的影响

选取昆明市松华坝水源区典型小流域——迤者小流域为试验区,通过布设标准径流小区,在2009—2015年对坡耕地产流产沙及氮、磷流失情况进行长期的野外观测研究,从年际尺度上来探讨等高反坡阶对于坡耕地产流产沙及氮、磷等养分流失的影响。结果表明:等高反坡阶对于径流和泥沙的削减效果均较为明显,年平均减流率为50.64%,年平均减沙率74.99%,减沙率显著大于减流率;等高反坡阶对于径流和泥沙中氮、磷均有较为明显的削减效果,平均每年可以削减68.75%的氮流失和82.16%的磷流失,其中对径流中总氮和泥沙中全氮年削减率分别达到59.51%和76.43%,对径流中总磷和泥沙中全磷年削减率分别达到64.22%和83.73%。     

湘中低山丘陵区坡面产流输沙对降雨、土壤类型及水保措施的综合响应特征

针对湘中低山丘陵区地形地貌条件多样、水土流失影响机制复杂的问题,选取湖南省中部井头(黄壤)、秋波(紫色土)以及莲荷(红壤)3个径流场不同水土保持措施径流小区,综合探究湘中丘陵区不同土壤类型、水土保持措施以及侵蚀性雨型等因子对坡面产流输沙规律的影响特征。结果表明:在年降水量相近的条件下,年径流深和年侵蚀量均为红壤紫色土黄壤;各水保措施小区的减流效益较差,但其减沙效益较好,以黄壤草地措施、紫色土水保林以及红壤经果林和草地措施减沙效益较为明显,年侵蚀减沙率分别达87.89%,55.88%,37.99%和41.07%;大雨强、短历时、低雨量、高频率的降雨占各小区侵蚀降雨场次的比例均在50%以上,该类降雨也是黄壤和红壤各小区坡面产流输沙以及紫色土各小区产流的主导雨型。中雨强、长历时、高雨量、低频率降雨是引起各小区单次降雨径流泥沙流失量最大的雨型。研究结果对完善水土流失的相关理论和规律具有重要的意义,对区域水土保持工作的开展提供了重要的指导作用和理论价值。     

黔中喀斯特山区坡耕地产流产沙对无籽刺梨种植的响应

产流产沙是坡耕地土壤侵蚀的主要形式,为探讨无籽刺梨对黔中喀斯特山区坡耕地土壤侵蚀治理效应,采用径流小区野外定位观测法和相关性分析法,分析了坡度15°和25°坡耕地共6个自然坡面径流小区2016年6—9月15次野外实测侵蚀性降雨产流产沙数据。结果表明:(1)在同坡度同降雨量同I₃₀下,无籽刺梨地较自然恢复地有显著保水保沙能力,无籽刺梨+自然荒草地模式优于无籽刺梨单种模式。(2)无籽刺梨种植模式减流减沙效果坡度25°优于15°,减沙效果优于减流效果。其中无籽刺梨+自然荒草地减流减沙效果最优,在小雨、中雨、大雨、暴雨4种雨型下,坡度15°度时较自然恢复地分别平均减流59.08%,65.23%,56.96%,54.87%,分别平均减沙87.32%,71.64%,51.10%,74.69%;坡度25°度时分别平均减流53.11%,76.09%,76.72%,46.12%,分别平均减沙85.40%,86.87%,71.55%,73.99%。(3)研究区产流产沙量与降雨参数(P、I₃₀)高度相关且在0.01水平上显著,在不同雨型下无籽刺梨减流减沙均有明显效果,小雨、中雨时减流减沙效果最佳。研究证实了研究区无籽刺梨种植能抵御不同雨型的降雨侵蚀,可作为贵州省喀斯特山区生态修复的极优经济选种。     

黄河中游典型流域近60年水沙变化趋势及影响因素

为分析黄河水沙成因并预测未来水沙情势,选取黄河中游多沙粗沙区昕水河和朱家川2条流域为研究对象,依据水文站及雨量站1956—2018年降雨和径流泥沙实测数据,采用Mann-Kendall趋势及突变检验、累积距平法和Morlet连续小波分析等方法探讨流域水沙变化趋势,并利用双累积曲线法对水沙变化进行归因分析,量化气候变化及人类活动对水沙变化的相对贡献。结果表明:1956—2018年,昕水河和朱家川小流域年均径流量分别为11.9×10⁷,1.7×10⁷ m³,年均输沙量分别为12.3×10⁶,9.8×10⁶ t,径流和输沙量均呈显著减少趋势;2条流域的径流量突变年分别为1980年和1984年,输沙量突变年分别为1980年和1972年;选取的2条流域水沙变化存在明显周期性,径流变化的第1主周期分别为45年和16年,输沙量变化的第1主周期分别为9年和15年;降雨对昕水河和朱家川小流域径流量减少的贡献率分别为19%,8%,对输沙量减少的贡献率分别为25%,35%,远不及人类活动的贡献率,人类活动是径流和输沙量锐减的主导因素。研究结果可为黄河水沙治理提供科学性建议。     

黄丘一区水土保持单项措施及综合治理减水减沙效益研究

通过对大量实测与调查资料进行分析,得出了水土保持单项措施水平梯田、造林、种草的减水效益分别为86.0％、63.5％、33.7％,减沙效益分别为94.8％、83.0％、74.6％,年拦蓄径流量分别为213m~3/hm~2、154m~3/hm~2、105m~3/hm~2,年拦蓄泥沙量为94.0t/hm~2、63t/hm~2、45t/hm~2。淤地坝是主要的治沟工程措施,平均每公顷坝地的拦泥指标为6万m~3。11条综合治理的小流域,无论其治理措施实施年代的长短,均具有明显的减水减沙效益,减水效益平均为45.41％,减沙效益平均为59.22％。     

黄河河龙区间水沙变化的水文分析

黄河河龙区间总面积129654km~2,年均输入黄河泥沙量达9.08亿t,占全河沙量的57％。70年代特别是80年代以来,本区来水、来沙量呈现出明显减少趋势。采用不同系列对比分析法、双累积曲线分析法、降雨指标法等水文分析方法,分析区间内降雨、径流、输沙实测资料可知:70、80年代在河龙区间总减水量分别为21.36亿m~3、37.56亿m~3中,人类活动影响的约占80％,在减沙总量分别为2.86亿t、6.68亿t中,人类活动影响的约占50％左右,因降水减少而减少的水沙量分别占总减水、减沙量的20％和50％左右。     

林火前后坡面覆盖类型对产流产沙影响的模拟试验

通过室内模拟降雨试验,设置3种降雨强度(30,60,90 mm/h)和3种地表覆盖类型(裸土坡面、1 cm马尾松枯落物覆盖、1 cm马尾松灰烬覆盖),研究林火发生前后不同地表覆盖下的坡面产流产沙过程,明确枯落物和植物灰烬覆盖的减流减沙效益。结果表明:(1)相比裸坡,枯落物和灰烬覆盖下的坡面初始产流时间分别延长33%~80%和51%~200%,灰烬覆盖对延缓产流的效果更为明显;(2)相比裸坡,枯落物覆盖的减流效果稳定在12%~36%,而灰烬覆盖在中小雨强的减流效果高于70%,在90 mm/h雨强时减流效果降低至7%;(3)裸土坡面产流呈现先快速升高后稳定的趋势,而枯落物和灰烬覆盖坡面产流效果呈现"阶梯"形上升趋势;(4)枯落物覆盖能够减小径流携沙量和总产沙量,在3种雨强下减沙效益均高于85%,且高于同雨强下灰烬覆盖的减沙效益。枯落物覆盖的减流减沙效果在不同雨强下表现较为稳定,而灰烬覆盖的减流减沙效果受降雨强度的影响显著,且枯落物覆盖的减沙效益在3种雨强下均优于灰烬覆盖,说明在林火发生后地表覆盖改变是引起土壤侵蚀增加的重要因素之一。     

干旱矿区排土场不同边坡生态修复模式下减流减沙效益

为探究不同生态修复模式对露天矿区排土场边坡产流产沙规律的影响，采用野外径流小区试验方法，对矿区排土场边坡不同生态修复模式的产流产沙进行了1个雨季的连续观测。结果表明：（1）研究区降雨年内分配不均，主要集中在汛期7—9月，该时期降雨量占到年均降雨量的77.03%，是年内径流泥沙损失最多的时期。（2）不同生态修复模式与对照（只撒播灌草种子）相比均具有减流减沙效果，但是不同生态修复模式的减流减沙效益有显著差异，减流效果从大到小依次为沙柳网格模式（64.35%）>生态棒模式（56.56%）>生态袋模式（52.74%）>铁丝石笼模式（48.70%）>植物篱模式（45.51%）>土壤改良模式（35.89%）>无纺布覆盖模式（33.97%）>砾石压盖模式（8.19%）；减沙效果依次为沙柳网格模式（69.41%）>生态棒模式（61.28%）>生态袋模式（55.09%）>铁丝石笼模式（52.43%）>植物篱模式（48.72%）>土壤改良模式（42.09%）>无纺布覆盖模式（38.31%）>砾石压盖模式（19.34%）。（3）不同生态修复模式产沙量对产流量响应特征均呈极显著正相关（P<0.05，r>0），沙柳网格模式产沙量对产流量响应程度较小，生态棒模式次之，对照产沙量对产流量响应程度最大。