不同空间尺度次暴雨径流侵蚀功率与降雨侵蚀力的对比研究

【目的】提出径流侵蚀功率的概念,对比分析降雨侵蚀力和径流侵蚀功率在表征次暴雨水力侵蚀动力上的优劣。【方法】基于次暴雨洪水过程中径流深和洪峰流量模数2个重要的水文特征参数,提出了径流侵蚀功率的概念,并利用岔巴沟流域团山沟径流场和纸坊沟流域2个不同空间尺度实测降雨径流泥沙资料,对径流侵蚀功率和降雨侵蚀力表征次暴雨水力侵蚀动力的优劣进行了比较。【结果】径流侵蚀功率可以更好地表征坡面和流域尺度的次暴雨水力侵蚀动力,更能体现天然降雨和下垫面特性对次暴雨侵蚀产沙的综合影响。【结论】与通用的降雨侵蚀力相比,径流侵蚀功率更适宜用作坡面、流域尺度次暴雨侵蚀产沙模型的侵蚀动力因子。     

不同地貌量化参数与流域降雨侵蚀产沙关联性模拟试验研究

由于不同地貌量化参数各具特色,流域土壤侵蚀预报模型中地貌因子量化参数选择目前还没有统一认识.从模拟试验人手,利用分形理论、灰色关联分析方法、GIS和高精度摄影测量技术,对小流域模型次降雨相对输沙模数及相对径流模数分别与地貌分形维数、平均坡度、沟壑密度、相对高差、地形起伏度和地面破裂度6个常用地貌量化参数的关联度进行研究.研究结果表明:地貌分形维数与小流域模型次降雨相对输沙模数及径流模数的关联度明显高于其他地貌量化参数,分别达到0.804和0.895;地貌分形维数与小流域模型次降雨侵蚀产沙的定量作用关系可用指数函数很好表达.对于促进地貌分形维数在流域土壤侵蚀预报研究中的应用,提高土壤侵蚀预报模型精度和适用性具有重要现实意义.     

基于变分法的流域地貌形态分形特征量化研究

分形理论为流域地貌形态等复杂体系的定量化研究提供了一种有效T具.以室内流域模型人工模拟降雨试验和高精度摄影测量获得的模型流域不同发育时段的数字高程模型(DEM)数据为基础,采用变分法计算了流域地貌形态分形维数,并对分形维数与地貌因子沟谷密度和地面割裂度的关系进行初步探讨.结果表明:流域地貌形态在无标度区间内具有良好的分形特征,分形维数准确的反映流域地貌表面的复杂程度;流域地貌形态在流域发育的不同时段具有不同的分形维数,并且与沟谷密度和地面割裂度之间存在显著的线性关系:分形维数作为流域地貌形态分形特征的量化指标为黄土高原小流域侵蚀产沙预报模型中宏观地貌形态因子的选择提供了一种新的思路.     

基于分形理论的坡面土壤侵蚀过程的情景模拟

针对现有的坡面侵蚀预报模型在提取地形地貌特征因子中的局限性,选取坡面在次降雨条件下随时间变化的过程,可视化的模拟了坡面的原始地貌.以计算机图形学的分形布朗运动为理论,采用随机中点位移法构造坡面地形,并在此基础上以黄土丘陵沟壑区坡面水分入渗和产流产沙的模型和试验结论为依据,提出了模拟坡面侵蚀过程的三层映射法:将土壤、降雨、植被的属性映射到坡面地形的三维空间,形成土壤层、水流层、植被层,通过图形处理的空闲回调渲染水沙运移路径随降雨过程及不同植被覆盖下的变化场景.结果表明,该方法能以分形维数真实的刻画坡面的地貌形态,以图形学和可视化技术验证侵蚀模型的正确性,在降雨-径流-产沙的研究中能够将科学计算与情景模拟有机的结合.     

基于GIS的小流域地貌分形维数测定方法研究

分形理论为复杂地貌形态的量化研究提供了新思路。基于分形基本理论及GIS技术,选择位于辽宁东部山区的泉河小流域为研究区,以1∶10000地形图为数据源,通过建立数字高程模型,应用尺度—面积法对研究区地貌分形维数进行了分析计算。研究表明:泉河小流域地貌形态在无标度区间内表现出良好的分形特征,流域地貌分形维数D=1.9539;流域地貌分形维数能够较好地表征流域复杂的地形地貌特征,分形维数作为描述流域地形地貌的综合指标对于建立小流域降雨产沙模型具有重要意义。     

基于SWAT模型新开发梯田模块的中国南方红壤区梯田水沙及养分流失模拟

【目的】采用SWAT模型新开发梯田模块对中国南方红壤区梯田的水沙和养分流失进行模拟,分析SWAT模型梯田模块在中国南方水土流失地区的适用性。【方法】采用SWAT模型中新开发的梯田模块,结合其全球应用验证,在初步对美国软埝验证的基础上,利用资料较全的位于中国南方红壤区的云南尖山河小流域2007-2008年典型径流小区降雨径流、侵蚀产沙和总氮实测资料,对隔坡梯田水沙及面源污染调控过程进行模拟与验证。【结果】SWAT模型梯田模块对红壤区径流、侵蚀产沙及总氮的模拟结果能满足模型精度要求。利用梯田模块对红壤区隔坡梯田结构进行的优化表明,在坡度小于18.58°,梯田单元坡长小于20m的坡地上修建平坡比大于1∶5的单阶地隔坡梯田,可满足容许土壤流失量的要求。【结论】基于SWAT模型开发的梯田模块能够反映中国南方红壤区梯田降雨径流泥沙养分的运移过程,为研究水土保持措施对流域水循环影响提供了新的技术支撑。     

喀斯特地区地表侵蚀产沙对前期有效降雨的响应

以关岭享乐小流域为研究区,利用分形分布理论计算流域前期有效降雨量,分析喀斯特地区地表侵蚀产沙的发生与前期有效降雨的关系。结果表明:喀斯特地区地表侵蚀产沙事件的累积频度和降雨量、产沙事件的累积降雨阈值和降雨时段之间均遵循分形分布的幂指数关系。利用分形分布理论结合喀斯特流域降雨、产沙情况可建立流域前期有效降雨模型,该模型计算出的流域产沙发生时的前期有效降雨量较传统模型更加符合实际。将日降雨量与有效前期降雨量结合可以确定喀斯特流域发生侵蚀性降雨产沙的降雨阈值,对喀斯特流域侵蚀产沙发生的预测具有重要意义。     

降雨和水保措施对无定河流域径流和产沙量影响

基于无定河流域降雨、泥沙、径流和水土保持措施的历年统计数据,根据M-K-S检验得到径流和侵蚀产沙序列的突变点,将研究期分为基准期(1957—1972年)和措施期(1973—1996年)。采用双累积曲线、经验公式和修正系数法,研究该流域降雨变化和水保措施对径流和产沙量变化的影响,并采用多元回归模型分离了降雨和水保措施对径流和产沙量变化的贡献。结果表明:与基准期相比,水保措施引起径流减少3.16亿～3.42亿m3,占基准期年均径流量的23.0%～24.4%;引起产沙量减少0.71亿～1.07亿t,占基准期年均产沙量的47.1%～57.3%。措施期降雨变化引起径流量减少0.46亿m3,产沙量减少0.13亿t,分别占措施期水、沙实际减少总量的11.6%和11.4%。水土保持措施建设是流域径流和侵蚀产沙减少的主要原因,其对水、沙减少的贡献率分别为80.3%和60.5%。其中,植被措施(林地+草地)对径流影响显著,引起径流量减少2.78亿m3,占径流减少总量的70.2%;工程措施(梯田+坝地)对产沙影响显著,引起产沙量减少0.46亿t,占产沙减少总量的40.3%。降雨变化、植被及工程措施对水沙量变化的影响表现出阶段性变化,主要原因在于降雨的丰枯变化和工程措施对水土流失防治功能的时限性。因此,在水保措施建设过程中,需合理配置工程和植被措施比例,重视对已建梯田、坝地等工程的维护和废弃工程的替换,以增强水土保持措施体系功能的持续性。     

激光扫描技术应用于细沟侵蚀的研究——以东北典型黑土区为例

【目的】使用德国引进设备3D激光地貌分析仪研究多场降雨下细沟侵蚀过程,为解释黑土区细沟侵蚀过程提供理论依据。【方法】根据试验地多年自然降雨参数设计人工降雨参数,使用人工降雨设备,在坡度为5°的标准径流小区上进行7场等强度人工降雨,每场降雨后使用3D激光地貌分析仪对地表进行扫描,观测细沟侵蚀的发展过程。【结果】平均产流率及输沙率大体呈现先增大后减小的趋势,平均产流率及平均输沙率最大值分别出现在第3场降雨及第4场降雨时,值分别为3.30L/min及200.57g/(m2.min);细沟侵蚀强度由第1场降雨的2.061kg/m2最终发展为第7场的7.295kg/m2,增大了约2.54倍。【结论】使用3D激光地貌分析仪进行细沟侵蚀的监测是可行的,研究区内随着降雨时间的推移,细沟侵蚀是一个不断稳定加强的过程。     

伊犁河谷次降雨特征对坡面产流产沙的影响

【目的】研究西北干旱区自然降雨与退化草地坡面产流产沙的关系,及坡面阻控措施对水沙变化的影响,为区域洪水防治和水土保持提供理论支持.【方法】基于2019年4～9月伊宁市北坡31场次降雨,分析降雨特征并制定侵蚀性降雨标准;在同一坡面设置枯草覆盖、水平沟、增渗孔以及对照等4种处理开展自然降雨径流监测实验,研究降雨特征与坡面产流产沙的关系,比较3种坡面阻控措施的效果.【结果】伊犁河谷次降雨最大30 min雨强远大于平均雨强,具有明显的短时强降雨特征;当次降雨量超过4.0 mm且最大30 min雨强超过3.6 mm/h时,可引发降雨侵蚀;坡面产流量与降雨量及前3 d降雨量呈显著正相关,产沙量与降雨侵蚀力呈显著正相关;坡面处理措施对径流和泥沙削减效果均为:枯草覆盖水平沟增渗孔.【结论】伊犁河谷夏季短时强降雨是引发水土流失的重要条件,通过设置坡面阻控措施可降低短时强降雨对土壤的侵蚀,枯草覆盖和水平沟均能减少70%以上的产流产沙,有效减轻了坡面水土流失.     

晋西黄土区小流域场暴雨径流泥沙模型研究

该文研究黄土区以小流域为尺度的暴雨 径流 泥沙规律,为该地区林业生态工程建设和林业生态工程效益评价提供理论依据．该文以森林水文的较大研究尺度流域综合试验为出发点,在晋西黄土区小流域分类的基础上,选择了具有代表性的典型小流域１１个,对这些小流域进行了３～８ａ的定位观测,获得了１３１场暴雨产流和产沙资料．在分析这些资料的基础上,系统地研究了降雨、土壤入渗、流域产流、汇流及输沙的理论与方法,获得精度较高、适用性较强的流域径流、泥沙统计模型和数理模型．     

基于次降雨条件下的武水流域径流输沙规律研究

流域径流输沙规律反映区域水土保持与生态环境状况,可指导区域水土流失治理与生态建设。流域径流与输沙受降雨、下垫面因素及流域综合环境要素的影响。在对湖南武水流域径流与泥沙输移影响因子分析的基础上,基于次降雨与对应次径流、次输沙（包括悬移质与推移质）实测资料,建立武水流域次降雨条件下的径流与输沙经验回归模型,可用于流域径流与输沙预测预报。     

野外人工模拟降水条件下荒草坡产流产沙试验

采用人工模拟降水的方法,以5种不同的降水强度研究浙江省临安市青山湖流域内荒坡的产流产沙特征。结果表明,降水强度越大,产流时间越短,其径流量、产沙率和产沙量都越大,降水强度为1．66mm·min^-1时。产流时间仅为47s,降水约30min后,小区径流总量可达到0．898m^3,次侵蚀模数达到了30t·km^-2。降水强度与产流时间呈较好的负相关对数关系,与径流系数以及次侵蚀模数呈指数相关,与径流总量呈幂函数相关。相关系数分别达到了一0．9655．0．9218,0．9635和0．8736,均达到极显著水平（P〈0．01）。图3表1参11     

基于GIS的柳沟流域场降雨产流模拟

黄土高原土壤侵蚀问题举世瞩目,巳成为黄土高原经济社会发展的主要障碍和主要的生态环境问题,其中以水力侵蚀最为严重,水力侵蚀面积已超过总面积的一半.掌握降雨产流原理及发展规律对从根本上防治水土流失提供科学依据,本文以西北黄土区蔡家川流域柳沟嵌套小流域为研究对象,在GIS平台下进行了水文地形因子的提取,通过改进前人分布式水文...     

WEPP模型在北京山区的适用性评价

土壤侵蚀是目前全球面临的环境问题之一。如何防治及准确预测水土流失已成为研究土壤侵蚀面临的巨大挑战。基于降雨事件及水文过程,WEPP模型的产生为土壤流失预测及评估提供了重要支撑。基于2001—2006年北京延庆径流小区的次降雨及25场次野外径流小区监测数据,对WEPP模型的参数进行了率定与验证,评价了该模型在北京土石山区的适用性,对北京土石山区土壤侵蚀及其预报具有重要意义。在北京山区褐土表土(0~10 cm)条件下,通过计算实测值和模拟值的最小累积误差法率定模型土壤参数,同时采用Nash-Sutcliffe效率系数(E)和决定系数(R2)对模型有效性进行验证。结果表明,当模型有效水力传导系数、临界剪切力和细沟土壤可蚀性分别为1.400 mm/h、1.000 Pa和0.010 s/m时,模型模拟效果最佳,且径流量的模拟效果(E=0.730)优于侵蚀量的模拟效果(E=0.670)。相关系数和通径系数显示,关于降雨参数对径流量和侵蚀量的影响,最大30 min雨强(I30)与其呈极显著相关,对其直接影响最大;其次是降雨量;而降雨历时与径流量和侵蚀量没有关系,对其直接影响最小。      

基于遗传算法的BP网络在小流域侵蚀量预测中的应用

人工神经网络可用于流域水土流失的预测.针对BP神经网络收敛速度慢及容易陷入局部最优解的缺点,设计了基于遗传算法(GA)的优化BP神经网络.利用遗传算法特有优势,为BP网络的初始权值和阈值搜索全局最优解空间,经过BP算法迭代训练,进行预测.依据黄土高原沟壑区杨家沟小流域多年径流与泥沙的实测数据,对创建的侵蚀量模型进行训练和预测,取得了较高的预测精度和较快的收敛速度.     

SWAT模型灵敏度分析模块在黄土高原典型流域的应用

SWAT模型是基于水文过程的、具有很强物理机制的流域分布式水文模型.SWAT2003以SWAT2000为基础,增加了灵敏度分析、自动校准和不确定分析3个全新模块.该文主要介绍SWAT2003模型灵敏度分析模块的原理,并在罗玉沟流域应用与验证.通过灵敏度分析,辨析出影响该流域产流产沙模拟结果精度的主要参数因子:径流曲线数(CN2)和土壤可利用水量(SOL-AWC)对罗玉沟流域模拟产流产沙值的影响最为显著,且对产沙值的影响大于对径流值的影响;而基流α系数(ALPHA-BF)、土壤蒸发补偿系数(ESCO)、坡度因子(SLOPE)和坡长因子(SLSUBBSN)对模拟产沙值的影响也十分显著,但对径流值的影响并不明显.依据上述结论调整参数值,采用连续15年的实测月流量数据对模型进行了校准和验证,结果表明,模型对月流量模拟的相对误差在模型校准期和验证期均小于15%,相关系数R2和Nash-Suttcliffe系数Ens均高于0.8,SWAT2003模型对罗玉沟流域产流的模拟结果良好.因此,灵敏度分析模块的应用极大地提高了模型在黄土丘陵沟壑区的可用性,具有一定的推广意义.     

黄土区不同地类坡面水沙动态过程及其发生机理的模拟实验研究

利用模拟降雨在降雨性质上的可控性优势,分析了在黄土丘陵区具有代表性的几种坡面土地利用方式(林灌地、封禁荒草地、弃耕农地)的产流产沙动态过程及发生机制。结果表明,在降雨条件相近时,不同类型坡面状况的初始产流时间差异明显。次降雨过程中各地类小区产沙和产流动态变化不完全一致,产沙量较产流量增加趋势更为显著。在降雨和土壤条件相对一致的条件下,不同地类小区的侵蚀产沙过程差异显著,其中林地和草灌地与坡耕农地相比可增加入渗,减水效益明显,减沙效益更为显著,表明实施林草植被建设,包括退耕封禁等措施在内的生态治理减蚀效益明显,能够有效地减少坡面的来水来沙;并提出了可反映土壤抗蚀能力的量化指标——单位冲刷强度,为在实验流域对包括退耕还林草、封禁措施在内的生态恢复重建过程的流域水沙变化及其效应评估提供量化指标。     

黄土沟壑区不同植被对产流产沙的影响

以甘肃西峰南小河沟小流域径流场为研究对象,采用横向对比分析的方法,在降雨量相同的条件下,对4种植被类型小区(农田、林地、人工草地和天然荒坡)进行了产流产沙、雨能和抗侵蚀能力的分析。结果表明,农田的径流系数最大,最高可达36.33%;林地的径流系数最小,基本在1%以下;农田的产沙量是林地的2~4倍,是天然荒坡的4~7倍;各种植被对雨能的影响不大;农田的抗侵蚀能力最差,其他3种植被小区相当。     

黄土区不同植被条件下的土壤抗冲性

该文以晋西黄土区刺槐林地、油松林地、农地、草地、道路边坡为研究对象,用野外实地放水冲刷的方法,以地表径流含沙量为指标,研究了不同植被条件下土壤的抗冲性,并就坡度、地被物、植物根系对土壤抗冲性的影响,以及流量和土壤抗冲性的相关性进行了探讨.研究得出不同植被条件下土壤的抗冲性为油松林地>刺槐林地>草地>道路边坡>农地.林草措施的抗冲效果与坡度密切相关,且随坡度的增大林草措施的防冲效果变小;地被物对土壤抗冲性有显著影响,没有地被物的土壤抗冲性明显小于有地被物的土壤;植物根系对土壤抗冲性的影响与冲刷水流的流量密切相关,冲刷水流的流量较小时根系对土壤抗冲性的改善效果更为突出.黄土区水土保持的关键是分散地表径流.