APEX模型在淮河流域中上游的适宜性研究

探讨了APEX(Agricultural Policy/Environmental eXtender)模型在淮河流域中上游的适宜性。将APEX模型用于淮河流域中上游监测资料较匮乏的3个径流小区,用日径流/产沙的实测值和模拟值校正和验证模型,用校正过的模型评价不同土地管理措施的长期水土保持效益(1981~2005)。在模型校正阶段,3个小区日径流量和产沙量的平均百分误差绝对值(APE)小于20%,平均纳希-苏特克利夫有效系数(EF)大于0.6,平均R2大于0.7;在模型验证阶段,3个小区日径流量和产沙量的平均APE小于12%,平均EF大于0.5,平均R2大于0.7,APEX模型可模拟出径流、产沙的日变异。在水土保持效益评价结果中,与对照(休闲地)相比,管理措施2(林地-水平沟)的径流量平均减少37%,产沙量平均减少89%,管理措施1(林草混交-水平梯田)的水土保持效益要略低于管理措施2,构建水平沟、水平梯田以及增加地表植被是控制该地区水土流失的有效措施。研究结果表明:APEX模型适应性强,可用于预测和评价淮河流域中上游不同土地管理措施下的水土流失,这为资料匮乏地区研究土壤侵蚀提供了一种新的思路和工具。     

APEX模型在淮河流域中上游的适宜性研究

探讨了APEX（Agricultural Policy／Environmental eXtender）模型在淮河流域中上游的适宜性。将APEX模型用于淮河流域中上游监测资料较匮乏的3个径流小区,用日径流／产沙的实测值和模拟值校正和验证模型,用校正过的模型评价不同土地管理措施的长期水土保持效益（1981～2005）。在模型校正阶段,3个小区日径流量和产沙量的平均百分误差绝对值（APE）小于20％,平均纳希-苏特克利夫有效系数（EF）大于0．6,平均尺。大于0．7;在模型验证阶段,3个小区日径流量和产沙量的平均APE小于12％,平均EF大于0．5,平均R^2大于0．7,APEX模型可模拟出径流、产沙的日变异。在水土保持效益评价结果中,与对照（休闲地）相比,管理措施2（林地-水平沟）的径流量平均减少37％,产沙量平均减少89％,管理措施1（林草混交-水平梯田）的水土保持效益要略低于管理措施2,构建水平沟、水平梯田以及增加地表植被是控制该地区水土流失的有效措施。研究结果表明：APEX模型适应性强,可用于预测和评价淮河流域中上游不同土地管理措施下的水土流失,这为资料匮乏地区研究土壤侵蚀提供了一种新的思路和工具。     

基于农业非点源污染模型的桃溪流域日径流泥沙模拟

[目的]以中国东南沿海桃溪流域为研究对象,构建该流域日尺度产流产沙的农业非点源污染模型(annualized agricultural non-point source pollution model,AnnAGNPS),以期为流域水土流失治理与水土资源合理配置分析支持。[方法]采用DSA(differential sensitivity analysis)方法,分析流域敏感性参数,并建立研究区日尺度的AnnAGNPS模型。[结果](1)CN值(curve number)、土壤有效含水量和沟道曼宁系数为径流敏感性参数,土壤可侵蚀因子K、地表残留物覆盖率、年根系生物量、耕作后地面残留物覆盖率、随机粗糙率、沟道曼宁系数和耕作扰动面积为输沙量的主要敏感性参数;(2)模型对日尺度径流模拟的R2,Ens系数均大于0.66,日尺度泥沙模拟的R2,Ens系数均大于0.62。[结论]AnnAGNPS模型能够较好地模拟桃溪流域日尺度产流产沙规律。     

黄土区空闲坡耕地地表径流产沙近似解析模型

准确地预测农田地表径流是实现农业面源污染控制的基础,根据降雨和地表径流的运动特征,耦合Green-Ampt模型累积入渗量显函数、运动波模型和稳态的产沙模型,建立了降雨条件下的坡面产流产沙近似解析模型。该模型通过线性表示入渗率和水深之间的关系近似求解了运动波方程,通过设置30~90 mm/h的5种不同雨强的模拟降雨试验,推求模型参数并验证模型精度,并对模型参数进行敏感性分析。结果表明:(1)径流和泥沙的模型计算值与实测值吻合较好,且模型更适合于模拟60 mm/h雨强下的产流产沙过程,曼宁糙率系数均分布在0.00026~0.00029 min/cm^1/3,入渗率参数c与雨强的关系可以用指数函数c=9×10^-4p^-0.644对其进行描述,产沙模型中的参数a和b分别分布于0.13~0.15和0.10~0.12,由于泥沙运动的偶然性因素,产沙过程的模型模拟精度低于径流过程。(2)当c取值为0~0.05时,Dif值变化较小,即地表径流对入渗率参数c敏感性较弱;径流产沙过程中,Dif值随参数a和b的变化均有不同程度的波动。总体来看,径流产沙率对径流冲刷系数a比雨滴侵蚀系数b更为敏感。     

密云水库上游流域径流曲线模型的参数修订

为探讨同时率定CN值和初损率2个参数得到的模拟结果是否比单独率定一个参数更为理想,且在不同土地利用类型下SCS-CN模型是否均适用,选取了密云水库上游石匣小流域为研究区域,根据石匣小流域坡面试验小区2006—2010年实测降雨-径流数据和SCS-CN模型的计算公式,在0.05~0.40范围内,等间隔选取8个不同的初损率值,并利用算术平均值法反推各初损率值条件下对应的CN值,以纳什效率系数为SCS-CN模型的适用性评价参数,确定裸地、耕地、草地和林地4种不同土地利用类型下模拟效果最佳的CN值与初损率,最后对4种不同土地利用类型下的SCS-CN模型进行了适用性评价。结果表明:(1)4种不同土地利用类型条件下,当初损率为0.05时纳什效率系数值最高,分别为裸地(0.75)、耕地(0.48)、草地(-1.11)、林地(-0.24);(2)在石匣小流域内利用SCS-CN模型对该研究区域的径流值进行预测时,裸地条件下的CN1值为86,耕地条件下的CN1值为74,草地条件下的CN1值为58,林地条件下的CN1值为63,4种不同土地利用类型的初损率取值均为0.05;(3)通过同时率定2个参数可以使得SCS-CN模型的模拟效果得到一定的提高;(4)在石匣小流域内,SCS-CN模型在裸地和耕地条件下可以较好地模拟地表径流,但草地和林地条件下其模拟结果不理想。     

SCS模型在贵州省毕节市石桥小流域坡面产流模拟中的应用

[目的]研究喀斯特地区径流形成规律,得到适合研究区的SCS(space cooperation system)模型参数取值。[方法]利用野外径流小区观测获得的径流数据与降雨资料,对研究区的降雨进行雨型分类,并利用SCS模型进行坡面产流模拟。[结果](1)根据降雨随历时的分配可将研究区的降雨雨型分为4类,即前期型(Ⅰ类)、中期型(Ⅱ类)、后期型(Ⅲ类)以及均匀型(Ⅳ类)。(2)基于SCS模型对研究区坡面径流进行模拟时,初损系数λ取值多为0.01,0.05,远小于λ=0.2的取值。(3)随着坡长的增加,前期型降雨、中间型降雨和后期型降雨的CN(curve number)值变幅较小,均匀型降雨的CN值呈现增加的趋势。随着坡度的增加,前期型降雨和中期型降雨的CN值呈现减少的趋势,后期型降雨和均匀型降雨的CN值增幅不大。[结论]基于SCS模型得到的模拟径流量与实测径流量之间的相关系数和模型效率系数都较高,具有较好的模拟效果。     

不同尺度下冻融作用对东北黑土区产流产沙的影响

通过对东北黑土区坡面8年和小流域7年的降雨产流产沙过程观测,对比每年受冻融作用影响的降雨和其余不受冻融作用影响的降雨产流产沙的特征,研究冻融作用在坡面和小流域尺度上对东北黑土区产流产沙的影响,为东北黑土区在冻融作用下多尺度土壤侵蚀定量评价及其转换模型的建立提供科学依据。结果表明:冻融作用减小了坡面和小流域的产流,径流系数分别减小0.07和0.03,坡面产流延迟71.7%,而小流域无明显延迟。坡面和小流域土壤流失量、土壤可蚀性K值及含沙量均显著增加,更易在较小降雨侵蚀力下产生较大流失量;与不受冻融的降雨事件相比,受冻融影响的降雨事件因径流减弱,在相同降雨量下的侵蚀量低,而在相同径流深下的侵蚀量高。冻融作用在径流较小时对坡面细沟的发育及产沙影响明显,在径流较大时对小流域切沟中松散堆积物的搬运及产沙影响明显。     

坡形对黑土区坡耕地土壤侵蚀的模型模拟研究

为探究黑土区不同坡形下的土壤侵蚀特征,基于黑龙江省粮食沟小流域9个耕地径流场侵蚀产沙数据,采用WEPP (Water Erosion Prediction Project)模型进行土壤侵蚀预报与情景模拟。结果表明:径流量和产沙的整体模拟效果较好,径流量决定系数(R²)与纳什系数(NSE)分别为0.71和0.60,产沙决定系数(R²)与纳什系数(NSE)分别为0.61和0.50,表明该模型对该区土壤侵蚀模拟具有较好的适用性。而模型模拟精度则随坡度增大而减小,在3°,5°和8°坡度下,泥沙模拟的NSE分别为0.60,0.55和0.48,R²分别为0.65,0.61和0.60,这与较陡坡度条件下坡面细沟发育有关;径流量在不同坡度坡形下无明显差异,相同降雨、不同坡形下的径流差异普遍在10%以内,而产沙量在不同坡度坡形上呈现较大差异,相同降雨、不同坡形下的产沙差异普遍在20%左右,最高可达到90%以上;同一坡度条件下,直形坡的土壤侵蚀强度最大,次之为凸形坡,而"S"形坡的土壤侵蚀强度最小。该研究结果可以为我国东北黑土区水土保持措施提供科学依据。     

基于KINEROS2模型的降雨和坡长因子对土壤侵蚀过程影响的研究

以不同坡长(1,5,10,15,20m)径流小区在不同降雨强度(25,50,75mm/h)下人工模拟降雨试验为基础,通过KINEROS2模型对坡面侵蚀过程及侵蚀量进行模拟,对比分析不同坡长、降雨强度及其交互作用对坡面土壤侵蚀过程及侵蚀量的影响,并评价KINEROS2模型的模拟效果及适用性。结果表明:坡长与总径流量呈一元线性关系(R20.990),与总侵蚀量呈幂函数关系(R20.900);降雨强度与总径流量、总侵蚀量之间呈倍数关系增加,且总侵蚀量的增率是总径流量增率的2~3倍;坡长与降雨强度之间存在交互作用,坡长、降雨强度和降雨强度-坡长交互作用与径流量、侵蚀量呈显著相关关系,并在坡面径流和侵蚀过程中表现为正效应。坡面径流量主要受坡长、降雨强度和降雨强度-坡长交互作用三者综合影响。坡面侵蚀量主要受坡长和降雨强度-坡长交互作用的影响极显著,受降雨强度的影响较显著。KINEROS2模型对径流过程的模拟优于侵蚀过程,对总侵蚀量的模拟优于总径流量,说明KINEROS2模型更适于对径流过程及总侵蚀量的模拟。从总体来看,KINEROS2模型对径流小区坡面土壤侵蚀过程及侵蚀量模拟效果较好,说明KINEROS2模型在中国西北干旱半干旱地区小区尺度上有较好的适用性。     

金沙江干热河谷典型区段水土流失特征

以金沙江干热河谷典型区段不同处理坡面和林地、农地集水区为研究对象,采用坡面径流小区和集水区卡口站三角形薄壁堰实测法,在坡面径流小区和集水区土地利用现状调查基础上,通过降雨、径流及泥沙观测,分析金沙江干热河谷典型区段水土流失特征。结果表明:(1)不同处理坡面径流小区产流量、产沙量大小依次为坡耕地>自然坡面>水平阶整地>反坡台整地,表明反坡台和水平阶造林整地以及植被良好的自然坡面对地表径流的拦蓄和对泥沙的削减都起到较好效果;(2)大暴雨对集水区尺度产流产沙贡献值大,产流降雨量在4.8～27.6mm区间,农地集水区径流深小于林地集水区,大于27.6mm时,农地集水区径流深反超林地集水区,而产沙量不受降雨量影响,为林地集水区低于农地集水区;(3)径流小区尺度与集水区尺度雨季水土流失起止时间一致,集水区径流系数小于径流小区,集水区产沙量大于径流小区。     

暴雨条件下典型红壤区不同恢复方式侵蚀过程与特征分析

采用空间替代时间的方法,探究暴雨条件下典型红壤区不同恢复方式侵蚀过程与特征。选取不同恢复年限的低效林改造(R1)、乔灌草结构(R2)、自然恢复(R3)和对照(DZ)样地,设计1.5mm/min雨强,进行野外模拟降雨试验,分析坡面初始产流时间、径流率、侵蚀率、累积产沙量、入渗率等特征。结果表明:(1)3种恢复方式初始产流时间表现为R2R1R3,且R1、R2样地初始产流时间随治理年限的增加而延长;(2)3种恢复方式径流率、侵蚀率、累积产沙量均表现出R3R1R2,且R1、R2样地径流率、侵蚀率、累积产沙量随治理年限增加呈下降趋势;(3)同一恢复年限,3种恢复方式初始入渗率、累积入渗量、减流减沙效益均表现出R2R1R3;(4)3种恢复方式,恢复年限对侵蚀过程的影响表现为R1R2R3;累积产沙量与累积产流量成幂函数关系。研究结果为揭示典型红壤区不同治理方式的侵蚀过程研究提供参考,为典型红壤区水土流失治理提供科学依据。     

Modeling the impacts of soil management practices on runoff, sediment yield, maize productivity, and soil organic carbon using APEX

Simulation models are increasingly used to analyze the impact of agricultural management at the watershed-scale. In this study, the Agricultural Policy/Environmental eXtender (APEX) model was tested using long-term (1976–1995) data from two watersheds (W2 and W3) at the USDA Deep Loess Research Station near Treynor, Iowa. The two watersheds were cropped with continuous corn (Zea mays L.) and managed with conventional-tillage at W2 (34.4 ha) and ridge-till at W3 (43.3 ha). The monthly runoff and sediment yield were calibrated for the two watersheds during 1976–1987 by adjusting the curve numbers, curve number index coefficient, RUSLE C factor exponential residue and height coefficients, and erosion control practice factor for grassed waterways. Soil organic carbon values in the top 0.15 m soil layer were calibrated for the two watersheds in 1984 by adjusting the microbial decay rate coefficient. Model validation was conducted from 1988 to 1995. The calibrated model was able to reasonably replicate the monthly and yearly surface runoff and sediment yield for both watersheds for the validation period, with Nash–Sutcliffe efficiencies (EF) larger than 0.62 except for the EF of 0.41 for monthly sediment yield comparison at W3. The errors between the predicted and observed means were all within ±6% for runoff and sediment yield; predicted soil organic carbon in the 0.15 m soils in 1994 were within 10% of the observed values for both watersheds. The percentage error between the predicted and observed average corn grain yields was −5.3% at W2 and −2.7% at W3 during the 20-year simulation period. Scenario analyses were also conducted to assess the benefits of ridge-till over conventional-tillage. Over the 20 years, the predicted benefit of ridge-till versus conventional-tillage on surface runoff reduction was 36% in W2 and 39% in W3, and about 82–86% sediment yield reduction in both watersheds. The cumulative soil organic carbon losses from sediment were reduced about 63–67%. The long-term benefit of ridge-till over conventional-tillage was also quantified as a minimum corn grain yield increase of 3.8%. The results of this study indicate that APEX has the ability to predict differences between the two tillage systems. The modeling approach can be extended to other watersheds to examine the impacts of different tillage systems.     

基于生态脆弱性的淮河流域水土保持策略研究

水土流失是淮河流域生态环境可持续发展的制约因素之一。分析了淮河流域生态脆弱性的影响因素,认为流域两侧地形和水系严重不对称的基底性脆弱,南北气候过渡带的交错性脆弱,暴雨降水及径流的波动性脆弱,植被覆盖、土壤和土地利用变化的动态性脆弱和黄河夺淮导致的历史遗传性脆弱是淮河流域水土流失的主要成因。针对淮河流域脆弱性成因,提出了该区水土保持的主要策略。     

不同下垫面径流小区次降雨对产流产沙的影响

[目的]揭示南方红壤区人工径流小区次降雨对径流泥沙作用规律,为区域水土保持工程实践与基础理论研究提供参考。[方法]基于云南摩布小流域3种下垫面(林地、农地、裸地)人工径流小区2013—2015年自然降雨观测资料,采用M-K趋势检验、灰色相关分析及双累积曲线等方法研究了次降雨量、径流量、泥沙量和入渗率的变化趋势及相关关系,以及降雨因子对径流泥沙的影响。[结果](1)2013—2015年摩布径流小区月降雨均呈先增加后减少的波动性变化趋势,3a降雨量无显著性变化趋势。(2)相同降雨量各下垫面径流小区产流差异显著(p0.05),其中林地最小,农地次之,裸地最大;3种下垫面次降雨径流深增长速率大小规律与此相同。(3)次降雨产沙量与降雨量、径流量均存在密切相关关系,相关系数分别为0.67~0.82,0.69~0.85。径流小区产沙能力随雨强增大而增强。相同雨量下,林地产沙能力最小,而裸地累积产沙量增速最大。(4)3个径流小区的入渗率均随降雨量和雨强增大而增大,其中林地入渗率最大,平均入渗率为94.03%;裸地入渗率最小,平均入渗率为86.28%。[结论]与农地和裸地相比,林地不同程度提高了土壤入渗性能,降低了产流量和产沙量。     

Parameterization of the Effect of Bench Terraces on Runoff and Sediment Yield by Swat Modeling in a Small Semi‐arid Watershed in Northern Tunisia

In Tunisia, soil and water conservation interventions are among the most practicable strategies to prevent and mitigate rainwater losses through surface runoff and consequential erosion of fertile soils. In this study, a small and terraced agricultural catchment (Sbaihia) was used as an experimental site to analyze and parameterize the effects of bench terraces on water and sediment yield using the Soil and Water Assessment Tool. Model calibration and validation was performed, taking advantage from high‐quality daily runoff data from 1994 to 2000 and a high‐resolution bathymetric survey of the hill lake at the watershed outlet. Soil and Water Assessment Tool indicated that the local terraces, established on approximately 50% of the watershed area, reduced surface runoff by around 19% and sediment yield by around 22%, decelerating the siltation of the hill lake. Targeted model calibration delivered concise parameter set describing bench terrace impacts on runoff (Soil Conservation Service curve number method) and sediment yield (Modified Universal Soil Loss Equation) crucial for outscaling of soil and water conservation impacts and suitable watershed management. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

溪洛渡库区典型坡面水土流失试验研究

选择水土流失严重的金沙江下游青冈坪地区,通过在典型工程区布设标准径流小区,研究了溪洛渡库区典型坡面水土流失与影响因子之间的关系。结果表明:在同样降雨条件下,荒草地产流最大,4次降雨平均产流10 244 cm3,其余地类按产流大小排序依次为坡耕地>疏林地>裸地;坡耕地产沙量最大,产沙均值为14.85 g,其余地类按产沙量大小排序依次为荒草地>裸地>疏林地;各地类产流产沙按含沙量大小排序依次为坡耕地>荒草地>裸地>疏林地。梯田具有很好的保持水土的效果,在观测期内其径流小区未产流产沙;坡耕地是坡面侵蚀产沙最为严重的地类,是研究区内水土流失治理的重点对象。     

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。     

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。