黄土高原淤地坝沉积泥沙在小流域土壤侵蚀研究中的应用

[目的]总结利用黄土高原淤地坝沉积泥沙研究小流域土壤侵蚀的主要成果,并对其目前存在的问题和以后发展方向进行探讨,以期为深度解译淤地坝沉积泥沙中赋存的小流域土壤侵蚀信息提供基础支撑。[方法]通过查阅国内外文献,结合野外调查和研究经验,总结利用淤地坝沉积泥沙研究小流域土壤侵蚀的相关工作。[结果]黄土高原大量的淤地坝、坝地泥沙明显的沉积旋回和现有的可靠断代技术是利用淤地坝沉积泥沙研究小流域土壤侵蚀的基础;利用淤地坝沉积泥沙可估算小流域土壤侵蚀强度的变化,识别小流域侵蚀泥沙来源;淤地坝内的泥沙沉积量、理化性质及生物标志物的变化能够反演小流域环境演变过程。[结论]黄土高原广泛分布的淤地坝沉积泥沙赋存有大量小流域土壤侵蚀和侵蚀环境演变的信息,在黄土高原小流域土壤侵蚀机理及小流域环境演变研究中具有重要作用。     

淤地坝沉积泥沙解译小流域土壤侵蚀信息研究进展

淤地坝作为重要的水土保持工程措施,在减少入河泥沙方面发挥重要作用。通过直接拦截滞留流域侵蚀泥沙,淤地坝泥沙赋存大量流域土壤侵蚀信息,庞大的淤地坝样本量以及悠久的淤地坝建设历史与淤地坝沉积泥沙旋回的发现与断代技术的不断完善为利用淤地坝泥沙研究流域侵蚀特征、侵蚀机理以及流域环境演变提供主要途径。通过查阅国内外淤地坝研究文献,归纳总结了基于淤地坝泥沙解译流域侵蚀速率、判别淤地坝泥沙来源以及反演流域侵蚀环境变化等侵蚀信息的相关研究,分析现阶段基于淤地坝沉积泥沙解译小流域侵蚀信息研究中存在的问题并探讨了今后研究发展的方向,以期能为进一步挖掘淤地坝泥沙赋存的土壤侵蚀信息提供参考。     

基于差分GPS技术的淤地坝泥沙淤积量估算

淤地坝是黄土高原水土流失治理中的一项重要措施。但是早期建设的淤地坝缺乏监测资料,对现已淤满坝地拦截泥沙量的估算成为当前研究中的一个难点问题。该文选取延安宝塔区羊圈沟小流域1979年修建的淤地坝为研究对象,采用高精度差分GPS技术,测量坝地淤积面平均高程和淤地面积,结合1977年1︰10 000地形图,建立高程—面积/淤积量曲线,得出羊圈沟淤地坝淤积泥沙方量为155 849.2 m3,并通过计算得到建坝至淤满期内（1979－2004年）年平均土壤侵蚀模数4 052.1 t·km-2·a-1,属于中度侵蚀。差分GPS技术的应用为准确估算淤地坝泥沙淤积量提供了技术支撑,可以弥补历史上侵蚀产沙数据,而且对定量评价水土流失及其治理效益提供了依据。     

坝地沉积旋回泥沙养分变化及其对小流域泥沙来源的解释

黄土高原广泛分布的坝地沉积泥沙中赋存了大量小流域侵蚀特征及侵蚀环境变化的信息,泥沙特性的变化则是这些信息的直接体现。该文通过对比分析淤地坝沉积旋回泥沙中和坝控小流域内不同泥沙源地土壤中有机质、全氮、全磷和全钾的含量,发现小流域内土壤养分含量变异性明显大于沉积旋回泥沙中的变异性,沉积旋回泥沙养分含量与沟壁土壤中的相接近,其中与沟壁中的全氮、全磷和全钾无显著差异(p>0.05),但显著小于荒草地和坡耕地中的有机质、全氮和全磷含量(p<0.05),表明淤地坝运行期间小流域泥沙主要来源于沟壁坍塌和沟道扩展,重力侵蚀和沟蚀是主要侵蚀类型;有机质和全氮在坝地沉积旋回中呈明显阶段性变化,分析认为其反映了农村土地联产承包责任制对小流域土地利用和土壤侵蚀的影响。     

淤地坝拦沙减蚀作用与泥沙沉积特征研究

黄土高原淤地坝在拦沙减蚀方面发挥着重要作用。从淤地坝拦沙量与减蚀量计算方法、淤地坝拦沙减蚀作用与效益、淤地坝减蚀作用机理、淤地坝泥沙沉积特征与流域侵蚀产沙关系四个方面,归纳总结了其研究历史及现状,分析了目前研究中存在的问题,提出了今后研究的发展方向,以其能为更加科学地评价黄土高原淤地坝减蚀作用,更有针对性地开展其今后的理论研究及生产建设提供参考。     

黄土高原水蚀风蚀交错区小流域泥沙粒径的分形分析

泥沙颗粒特征是表征泥沙表面形态、泥沙机械组成、排列模式及泥沙絮凝现象的主要物理属性之一。在水土流失严重的水蚀风蚀交错区,不同地表覆被类型的侵蚀产沙方式和粗泥沙的侵蚀产沙强度很不均衡,导致其泥沙粒径分布的差异很大。以黄土高原典型淤地坝为例,采用分形原理和多重分形理论研究淤地坝坝控小流域泥沙粒径的分形特征,结果表明:淤地坝坝内泥沙与坡面泥沙存在线性关系,相关系数高达0.93;泥沙粒径分形维数D在淤地坝坝内垂直方向上随泥沙颗粒的增大而减小;分形的5个特征参数D,D（0）,D（1）,D（2）,D（0）/D（1）均表明不同地表覆被类型下,草地的粒度分布较均匀,裸地次之,分布最狭窄的是砂岩,该结果可为小流域泥沙来源和水土保持治理措施提供重要依据。     

岔巴沟流域淤地坝对泥沙存贮-释放的影响（英）

为分析黄河中游流域产输沙对人类干预增强的响应机制,该文选取岔巴沟为坝系小流域研究区,探讨淤地坝的建设和发展对流域内泥沙存贮-释放时空变化的影响。研究表明,20世纪80年代岔巴沟处于泥沙存贮状态,10 a平均泥沙输移比为0.325,经分析,始于20世纪50年代,并于60、70年代得到发展,80、90年代趋于稳定的岔巴沟淤地坝拦截了大量泥沙是造成泥沙存贮的主要原因。和拦沙作用相比,其减少高含沙水流发生频率,降低高含沙水流发育程度的作用更大。值得注意的是,淤地坝在几十年的发展过程中可淤库容显著下降,多数原有坝地淤满,加上20世纪80年代以后坝体建设速度减缓,以及设计标准低,后期管理和维护不利,垮坝和毁坝造成泥沙再释放的潜在性在增加。 因此,今后在对淤地坝作为一项重要的水保措施引起足够重视的同时,维护和巩固现有淤地坝的拦泥库容也非常必要。     

黄土丘陵区淤地坝建设后小流域泥沙拦蓄与输移特征

了解淤地坝建设后小流域泥沙拦蓄与输移的变化特征对正确认识和评价淤地坝的减蚀作用有重要意义.该文通过对黄土丘陵区王茂沟流域1953-2015年不同时段内淤地坝的拦沙量和流域出口输沙量的分析,研究了坝系建设后泥沙拦蓄、输移和侵蚀的变化过程与特征.研究表明,王茂沟流域年均拦沙模数呈减少-增加-再减少的波动变化趋势;流域年均输沙模数呈先增加后减少的变化趋势;1953-1986年期间,不同阶段的年均侵蚀模数变化不大,1987年后呈显著下降趋势.流域治理后期与初期相比,年均拦沙模数、输沙模数和侵蚀模数分别下降了79.3％、90.6％和83.9％.淤地坝建设初期,有效库容对流域拦沙模数和输沙模数的变化有重要影响,侵蚀性降雨频发和较低的水土流失治理度是侵蚀强烈的主要因素;流域治理后期,侵蚀性降雨及其发生频次的减少,水土流失治理度的提高与稳固,是流域拦沙、输沙和侵蚀产沙显著下降的主要原因.淤地坝在控制流域侵蚀产沙、减少泥沙输移方面作用显著,但要达到持续有效的作用,坡面治理不容忽视,两者兼顾是黄土丘陵区水土保持的必由之路.     

砒砂岩区典型淤地坝沉积泥沙特征及来源分析

黄土高原地区的淤地坝是拦减入黄泥沙的关键措施,尤以对泥沙具有绝对控制的"闷葫芦"淤地坝为甚。为研究淤地坝对侵蚀泥沙的拦蓄作用,以砒砂岩区皇甫川流域园子沟淤地坝为研究对象,采集坝地淤积剖面及沟间地、沟谷地表层样品,对沉积旋回进行断代分析,计算泥沙贡献率,反演其淤积过程。结果表明:坝地沉积泥沙粒径分布以2~0.05 mm砂粒为主,其次为粉粒、黏粒,砂粒中以极细砂和细砂占比最多。园子沟坝控流域内侵蚀性降雨事件对应的最小日降雨量为22.8 mm;淤地坝运行可划分为2个阶段,前期主要依靠坝体拦蓄泥沙,后期随着拦蓄泥沙的增多,减蚀作用凸显。坝地沉积泥沙主要来源为沟谷地,贡献率达71.4%,沟间地为28.6%,其中沟间地侵蚀产沙并非受植被唯一影响,在降雨量>45.4 mm时,地形因素会限制侵蚀的加剧。     

黄土丘陵区小流域淤地坝纪录的泥沙沉积过程研究

淤地坝是黄土丘陵区小流域水土流失治理的重要工程措施之一,在拦蓄泥沙的同时,也记载了小流域侵蚀产沙的历史变化过程及特征.该研究根据流域历史降雨资料,分析了黄土丘陵区关地沟小流域淤地坝1959～1987年泥沙沉积旋回变化及各旋回层泥沙中、小流域沟间地和沟谷地表层土体中放射性同位素137Cs含量,研究了小流域侵蚀产沙变化过程及泥沙主要来源.结果表明:该小流域在淤地坝建设初期,侵蚀产沙强度很大,其后产沙强度由强变弱,呈显著降低趋势,淤地坝内沉积泥沙的70%来源于沟间地;微小流域与较大流域在泥沙来源方面存在较大差异.     

SOIL EROSION,CONSERVATION, AND ECO‐ENVIRONMENT CHANGES IN THE LOESS PLATEAU OF CHINA

As one of the best‐known areas in the world, the Loess Plateau, has long been suffering from serious soil erosion. The present paper reviewed the historical variation of climate, vegetation cover, and environment changes in order to understand the causes of severe soil erosion. Documentary evidence indicated that climate changes and vegetation cover were the dominant natural factors influencing the soil erosion rates during the Holocene. Intensive human activities consisting of warfare, population growth, deforestation, and soil and water conservation measures were responsible for the changes of soil erosion during the anthropogenic period. Spatial and temporal changes of specific sediment yields presented significant decrease within the last several decades, which resulted from decreasing rainfall, large scale soil and water conservation measures, agricultural irrigation, and reservoir construction. Different phase of soil conservation measures demonstrated the development of policies and techniques on soil erosion control. Effective strategies of soil and water conservation, consisting of terracing, afforestation, natural rehabilitation, and check‐dams construction, were carried out on the Loess Plateau during the past six decades. The progress of soil conservation measures confirmed that the check‐dams systems might be suitable for Loess hilly Plateau, and natural vegetation rehabilitation is the best way for soil erosion control and should be implemented in other regions with emphasis of improving the quality of conservation measures based on natural rehabilitation. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

陕北子洲县典型淤地坝淤积过程和降雨关系的研究

淤地坝作为黄土丘陵沟壑区水土流失治理的重要工程措施之一，其坝系优化布局、相对稳定性及坝地效益等受到广泛关注，但对其淤积过程研究甚少。该文通过对黄土高原淤地坝进行调查，典型坝淤积过程剖面的观测及取样分析，结合库容曲线和每个淤积层的淤积厚度求出分层淤积量。根据暴雨产沙过程原理及淤积过程降雨资料，反演淤地坝各淤积层所对应的次侵蚀性降雨，建立层淤积量与相应次侵蚀性降雨指标的相关方程。研究结果表明：坝地淤积物中层淤积量和次侵蚀性降雨的降雨侵蚀力呈幂函数关系，层淤积量和次侵蚀性降雨的最大30 min降雨强度呈指数函数关系，经检验结果良好。     

淤地坝“淤满”后的水沙效应及防控对策

黄土高原大规模的淤地坝建设在减少黄河泥沙以及改善区域生态环境方面发挥了巨大作用.但是,在淤地坝“淤满”的极端条件下,关于其水沙效应变化及防治对策的研究还较少涉及.经分析,淤地坝“淤满”后:1)坝控范围内坡度降低,径流长度减少,沟道比降降低,而横断面由原来的“V”型沟道,演变为“U”型沟道;2)以关地沟4号坝为例,使用RUSLE计算,修建淤地坝前,坝控范围内平均每年土壤侵蚀模数为4 472 t/(km2 ·a),淤满后,土壤侵蚀模数下降至4 019 t/(km2·a),降幅约10％,“原地”减蚀作用显著,从修建至淤满阶段,拦沙作用巨大;3)淤地坝淤满后,坝地流速显著降低,从修建淤地坝前的0.83 m/s降至0.27 m/s,但坝体外坡的流速显著增加,特别是坡底,最大流速可达3.76 m/s;4)淤地坝淤满后,淤地坝“异地”减蚀作用会降低.基于上述变化,针对淤地坝淤满后的极端条件,本文提出如下防治对策:1)以小流域为单元,以溢洪道为主体,完善沟道排洪设施布设,提高支沟内以及支沟与主沟的连通度,提升排洪能力;2)遵循“因地制宜”原则,科学合理植树种草、修建梯田,加强坡面治理,减少坡面来水来沙,消耗和分散坡面来水侵蚀能量,降低坝地淤满后被损毁的风险;3)采取“截水沟和排水沟相结合,工程措施和植物措施相结合”的方法,做好坝体陡坡防治,提高坝体外边坡植被覆盖度.研究结果以期为黄土高原淤地坝建设提供理论支撑.     

基于MIKE模型的不同淤地坝型组合情景对小流域侵蚀动力和输沙量的影响

为科学认识黄土高原淤地坝建设对小流域侵蚀动力过程的影响,通过分布式水文模型MIKE SHE和一维水动力模型MIKE 11耦合模拟了王茂沟流域的洪水过程,并计算了流域主沟不同断面的侵蚀动力参数和不同坝型组合的减沙效益。结果表明:(1)淤地坝建设在不同程度上改变了小流域沟道的侵蚀动力分布,坝系建成后沟道的侵蚀动力参数减幅最大。(2)小流域径流侵蚀功率表现为上中游剧烈变化,下游趋于稳定,且下游径流侵蚀功率明显小于上游。(3)淤地坝建设可以有效减小流域的输沙量,其中单独建设骨干、中型、小型坝相比流域未建坝时,输沙模数分别减少24.74%,47.11%,64.11%;流域坝系建成后减沙效益最明显,流域输沙量减少83.92%。研究成果可为黄土高原淤地坝减沙效益评估提供科学参考。     

延河流域骨干坝拦沙量反推与未来可拦沙年限预测

定量研究延河流域淤地坝拦沙贡献率和未来可拦沙潜力,对流域淤地坝建设效益分析具有重要的参考价值。根据延河流域1952—2018年的径流输沙数据和2011年全国水利普查中的骨干坝建坝年限、控制面积、总库容和淤积库容等资料,构建了延河流域骨干坝拦沙量反推计算模型,计算了延河流域骨干坝逐年拦沙量与减沙贡献率,预测了骨干坝未来可拦沙年限。结果表明:不同年代延河流域骨干坝年均拦沙量持续增加,2000—2011年多年平均拦沙量为401万t/a,达到最大值;人类活动是延河流域年输沙量减少的主要因素,1997—2005年和2006—2011年人类活动对延河流域减沙量的贡献率分别为63.44%和84.98%;骨干坝拦沙量在人类活动减沙量中的占比呈减小趋势,1997—2005年占比24.67%,2006—2011年占比7.46%;截止2019年,延河流域62%的骨干坝未来拦沙年限为30年以内,并且北部骨干坝未来可拦沙能力大于南部骨干坝。研究结果可为延河流域水土流失防治与效益评价、水土保持措施规划与布局以及流域综合管理等提供参考依据。     

降水和水土保持对黄土区流域水沙关系的影响

流域水沙关系对降水量变化和水土保持的响应可为水土保持效益评价提供科学依据。根据黄土丘陵沟壑区第三副区典型小流域桥子东沟和桥子西沟1987—2010年的水文泥沙数据,用Mann-Kendall法检验流域年降水量和水沙变化趋势,采用双累积曲线法分析径流量和输沙量之间的关系,探讨降水量变化和水土保持措施对流域水沙关系的影响。结果显示,年降水量和水沙变化趋势基本一致,降水量是流域产流和输沙的主要影响因素。桥子东沟在1987—2006年和桥子西沟在1987—2010年时期的年单位径流输沙量没有发生显著变化,表明降水量变化、坡面工程措施和植被措施对流域水沙关系没有显著影响;桥子东沟在2007—2010年期间的年单位径流输沙量显著减小,表明流域水沙关系发生显著改变,这是由于2006年建设的淤地坝通过拦蓄径流泥沙和减少下游沟道侵蚀,导致流域减沙比例大于减水比例。     

水利水保措施对延河流域侵蚀、泥沙输移和沉积的影响

以黄土丘陵沟壑区的延河流域为例,研究水利水保措施对流域侵蚀、泥沙输移、沉积过程的影响.水利水保措施能改变流域的侵蚀、泥沙输移和沉积过程,影响流域的泥沙收支平衡.分析表明:(1)20世纪70年代以来开展的大规模水土保持建设工程,使得延河流域的泥沙输移比显著下降,最小值为0.26;到80年代末,泥沙输移比有所回升,介于0.50~0.71之间;(2)泥沙输移比变化的主要原因,系流域内淤地坝、水库等沟道工程措施的拦沙作用所致,其波动变化主要受库坝质量及拦蓄库容变化的影响;(3)沟道措施的拦沙作用远大于坡面措施的减蚀作用,前者约相当于后者的1.68~16.98倍,因而坡面治理及相应措施尚有待加强.