Assessing the potential of changing land use for reducing soil erosion and sediment yield of catchments: a case study in the highlands of northern Ethiopia

Reservoir sedimentation is the most serious threat for water harvesting schemes and hydroelectric power dams in Ethiopia. Designing watershed conservation strategies and management is crucial to reduce the rate of sedimentation. Because different landscape types have varying potentials for enhancing erosion processes, site‐ and process‐specific conservation measures are needed to target an appropriate intervention to the most needed locations. In this study, a GIS‐based distributed soil erosion/deposition model was used to simulate the potential of land‐use and cover (LUC) changes and conservation measures for reducing water induced soil erosion and potential sediment yield for two catchments in northern Ethiopia. LUC change and conservation measures targeted gully and stream buffers, protection of steep slopes and protection of areas with soil loss greater than a given threshold. The results show that land management measures targeted at hot‐spot areas of erosion and gully formation could reduce potential annual sediment yield from catchments by approximately 60% compared with the current losses. The study demonstrates the potential of a GIS‐based LUC‐redesign approach as a tool for optimizing land‐use and management strategies to reduce run‐off and erosion rates in the highlands of northern Ethiopia.     

极端降雨对森林集水区之冲击与因应对策

近年来由于全球暖化,极端气候日渐加剧,暴雨所带来的土砂灾害,将破坏森林集水区的地景结构与功能,如何减低或因应极端气候所带来的森林集水区冲击,已是未来集水区经营必须面临的重要课题。该研究以高屏溪集水区为研究范围,以17 a自动测站雨量资料,进行极端降雨趋势分析,并以2001年与2009年桃芝与莫拉克台风所带来的不同降雨量,以卫星影像探讨集水区内不同土地使用分区崩塌比及其变化,以及相对应之降雨量资料,探讨极端降雨与崩塌发生与土地使用分区之关系。研究结果显现2005年以后,高屏溪集水区发生极端气候之频、降雨量与降雨强度有升高趋势。两场不同台风之最大24 h延时降雨量,莫拉克台风为桃芝台风的1.92倍。桃芝台风所造成之崩塌比,自然保护区由灾前的0.64%提升至灾后的0.86%,国土保安区由灾前的0.95%提升至灾后的1.15%,该场台风降雨以地形较为陡峻之自然保护区及国土保安区新增崩塌地比例相对较高,其冲击较为严重,而莫拉克台风则因属超大豪雨（单日累积降雨量达350 mm以上）,其降雨范围小且集中,所造成之新增的崩塌范围高出桃芝台风的11.81倍,对于地形相对较为平坦之经济林区,亦造成大量的新增崩塌地,显现超大豪雨级以上的极端降雨,造成林地脆弱,使诱发崩塌之地形条件门槛降低,完整的植生覆盖已无法抵挡极端降雨的冲击,未来林地使用分区经营必须要有新的思维。     

侵蚀性风化花岗岩坡地降雨产流及水文过程研究

为研究坡地的降雨产流分配及水文动态过程,以侵蚀性风化花岗岩坡地为研究对象,采用室内人工模拟降雨的方法研究不同降雨强度(30,60,90,120,150mm/h)和不同坡度(5°,8°,15°,25°)条件下坡面径流和壤中流的分配特征与水文过程。结果表明:坡面径流的初始产流时刻均随降雨强度和坡度的增大而提前,壤中流的初始产流时刻明显滞后于坡面径流。壤中流径流量在不同坡度下随降雨时间的延长呈先递增后趋于平稳的现象,雨强越大达到峰值的时间越早,在降雨停止一段时间后径流量开始下降。多数情况下,壤中流所占总径流量的比重均大于坡面径流,坡面径流量比重随雨强的增大而增大,随坡度的变化幅度较小。坡面径流的径流系数与雨强的相关性较强,而壤中流径流系数与坡度之间的拟合效果较好。不同坡度下坡面径流、壤中流和混合流(坡面径流与壤中流同时发生)的径流模数与雨强呈正相关关系,不同类型径流的径流模数大小依次为混合流壤中流坡面径流。     

山东药乡小流域降雨径流关系研究

为掌握山东山丘区水土流失动态规律,选取泰安药乡小流域东沟集水区,以2013—2014年降雨、径流等实地观测数据为基础,利用相关分析、逐步回归方法探究降雨、径流变化规律及其相关关系。结果表明:药乡小流域东沟集水区的降雨具有明显的季节变化,78.7%~92.6%的降雨集中在雨季(6—9月),年内分布极不均匀,侵蚀性降雨占总降雨的82%左右,且以大雨和暴雨为主。从雨型来看,2013年暴雨占当年降雨量的52.5%;2014年大雨和暴雨分别占降雨量的30.0%和38.1%。产流也集中在雨季,且呈周期性变化;降雨量与最大30min雨强、洪峰流量、总径流量都显著相关;产流的主控因子为降雨量、降雨历时、最大30min雨强;该流域径流对降雨的响应十分敏感,虽然径流量峰值滞后于降雨量峰值,但滞后时间较短。     

泥石流流域降雨的产流与产沙研究

泥石流流域产流产沙与其他流域产流产沙不同 ,有其独特的特点。以云南东川蒋家沟为例 ,研究人工降雨下的小坡面产流产沙 ,自然降雨下的大坡面产流产沙 ,降雨的流域无泥石流时产流产沙和降雨的流域有泥石流时产流产沙 ,给出了相应的计算公式 ,并分别对比了各种情况下产流和产沙实测值与计算值 ,取得了较好的结果。     

Geomorphological investigation on gully erosion in the Rift Valley and the northern highlands of Ethiopia

Gully erosion phenomena are very common in Ethiopia. They affect large areas with different morphological, pedological and climatic characteristics. The amount of soil loss due to gullying has become a very serious problem in the recent decades as it was associated to remarkable depletion of cultivated land. Field investigations on gully morphology and its genetic processes were carried out in two study areas of Ethiopia, representative of different geo-environmental conditions: the Lakes Region in the Rift portion north of Shashamene and the area surrounding the town of Mekele in Tigray.Two main types of gullies were identified on the basis of their morphological and hydraulic geometry characteristics: (1) discontinuous gullies which generally develop on low gradient slopes (1–5° on average) and the hydraulic radius of which increases from an upstream minimum to a maximum, at approximately their mid length, and decreases again to a relative minimum at their downstream end; and (2) stream gullies, formed by deep erosion processes typically migrating upslope. In order to investigate the main causes originating the different types of gullies, shear stress data were collected in the field from their hydraulic geometry. Hypotheses on the mechanisms responsible for both discontinuous and stream gullies development and for their different characteristics are discussed considering the pattern of shear stress variation in the downstream direction.     

降雨对江子河小流域不同农作物措施坡面产流产沙的影响

水土流失已成为我国主要的生态环境问题之一。基于安徽大别山区江子河小流域2012—2019年自然降雨径流泥沙观测资料,探讨雨型对不同农作物措施坡面产流产沙的影响,采用随机森林算法分析降雨因子与水沙之间的关系。结果表明,在不同场次降雨中,径流量、土壤流失量随降雨场次变化规律较一致,红薯措施产流量及土壤流失量较大,茶叶措施最小。降雨分为3类:A型降雨(低频率、长历时、大雨量、高雨强)、B型降雨(高频率、短历时、小雨量、低雨强)、C型降雨(较低频率、较长历时、中等雨量、较高雨强),对产流产沙的影响表现为A型>C型>B型。降雨量对产流的影响程度最高,土壤流失量受PI、PI 60及降雨量和I 30的影响,I 60对产流产沙的影响程度偏低,小于11%。各农作物措施小区的径流深和土壤流失量相关性显著且具有线性关系,土壤流失量的增速为红薯>桑树>茶叶>板栗>黄豆>油茶。研究结果可为坡面侵蚀预报模型的建立提供重要的理论依据,对安徽大别山区水土保持工作的开展和生态文明建设具有重要的理论价值和实践意义。     

广西猫儿山小流域场降雨产流过程及特征分析

场降雨条件下小流域的产流过程是水文学研究的热点问题之一。在广西猫儿山代表性林区,利用三角形量水堰,对地表产流过程及其特征进行了系统的研究。结果表明：林外降雨、地表径流和河川径流曲线波动基本一致;洪水产流曲线陡峭,随降雨变化洪水起伏较大,但洪水回落较慢,历时时间较长。河川径流洪峰最大流量与最大雨强几乎同时出现,洪峰的滞后效应不明显;河川径流对大气降水的响应有迟缓型、敏感型和平稳型的特点。河川径流与林外降雨量及前48h降雨量呈极显著相关。     

天然降雨条件下水稻田氮磷径流流失特征研究

采用具有单排单灌的试验小区,对水稻田在多次天然降雨条件下形成的径流中氮磷的流失特征进行了研究。结果表明,几次降雨径流的累积量中总氮的最高浓度达到22.15mg/L,总磷的浓度达4.84mg/L,可溶态氮是天然降雨径流流失氮素的主要形态,约占总氮的70%～92%,尤其是硝态氮,约占总氮的40%～80%,而径流流失中氨态氮的浓度较小,仅占总氮浓度的3.4%～27%,颗粒态磷在径流流失磷素中占到较大的比重,可达76%～79%;几次降雨事件中总氮的累积流失负荷约在0.23～0.80kg/hm2,总磷的累积流失负荷约在0.07～0.15kg/hm2,两者都小于当季施肥量的1%;降雨和施肥是影响氮磷素径流输出的主要因子,对降雨、施肥量、氮磷素输出负荷运用二元一次方程进行拟合,结果表明相关性达到了显著性水平。     

移动降雨条件下坡面产流产沙过程试验研究

通过对降雨移动方向上不同雨强和降雨历时的研究,揭示移动降雨坡面产流产沙关系及其变化规律,采用2个降雨移动方向(沿径流向上和向下移动)、2个雨强(1.35,2.75mm/min)和2个降雨历时(60,120min)在室内进行模拟移动降雨试验,分析不同降雨移动方向、不同雨强和降雨历时坡面产流产沙特征。结果表明:(1)向上移动降雨,相同历时(相同雨强)条件下,大雨强(长降雨历时)初始产流时间为140s(240s),比小雨强(短降雨历时)提前165s(65s)。(2)向下移动降雨,雨强越大,降雨历时越短,产流产沙曲线越陡峭;产流量和产沙量达到峰值的时间一致。(3)与向上移动降雨相比,向下移动降雨初始产流平均时间、产流和产沙达到峰值的平均时间分别滞后了2 210,2 468,2 948s;产流总量和产沙总量分别减少了13.08%~74.90%和42.95%~84.24%,但产流和产沙峰值大小没有明显变化规律。(4)不同降雨移动方向,坡面累计产沙量和累计产流量之间的函数表达式不同。     

降雨对黄土区主要管理措施坡耕地水沙动态过程的影响

通过室内人工模拟降雨的方法,分析了降雨对管理措施坡耕地水沙动态过程的影响。研究结果表明:在降雨条件下,实施管理措施坡耕地初始产流时间有所不同。耙耱地措施和人工锄耕,不同雨强条件下的径流强度过程线从开始产流都呈现出先波动上升、后下降的变化趋势。人工掏挖,在雨强1.50mm/min条件下径流强度过程线从开始产流呈现出先上升、后下降的变化趋势,波动性较大;而雨强0.68mm/min条件下径流强度过程线从开始产流却一直呈增加的变化趋势。等高耕作,在雨强1.50mm/min条件下径流强度过程线从开始产流呈现出一直增加的变化趋势,起始波动性较大;而雨强0.68mm/min条件下径流强度过程线从开始产流却呈先增加、后降低的变化趋势。降雨强度对实施管理措施坡面累积产流产沙过程影响较大,随雨强的增大,累积产流产沙也随之增加,但各管理措施对水沙动态过程影响程度不同。这为揭示人为管理措施的水保效应提供了一定的理论依据,同时也可服务于黄土区坡耕地水土流失的治理。     

模拟降雨条件下不同PAM用量及其与强化剂联用对紫色土磷素流失的影响

采用人工模拟降雨试验研究不同PAM用量及其与不同强化剂联用对紫色土坡面磷素流失的影响。结果表明:分别施加4,8,16g/m2分子量600万、水解度20%的阴离子型PAM均能显著降低坡面径流量、总磷(TP)及颗粒态磷(PP)浓度,并显著增加壤中流体积。2次降雨中,PAM应用效果均与PAM用量有关。第1次降雨以8g/m2 PAM效果最佳,相比对照,径流量减少62.28%,TP减少80.71%,PP减少95.78%;第2次降雨以16g/m2效果最佳,相比对照,径流量减少53.28%,TP减少77.52%,PP减少98.40%。相比PAM单施,分别联用石膏和石灰石后,坡面径流量增加,TP和DP浓度均显著降低。第1次降雨以石膏联用效果更佳,其中TP减少83.91%,DP减少85.34%;第2次降雨2种强化剂效果相近,TP分别减少76.10%和75.28%,DP也分别减少78.17%和79.46%。可见,施用PAM和强化剂能够显著降低磷素流失量,对农业面源污染的控制有一定作用。     

雨强和坡度对嵌套砾石红壤坡面产流产沙的影响

采用人工模拟降雨的方法研究了嵌套砾石红壤坡面的产流产沙特征,分析了雨强(60,120mm/h)和坡度(10°,15°,20°,25°)条件下嵌套砾石和无砾石红壤坡面的产流和产沙过程差异。结果表明:(1)产流开始时间T_(嵌套砾石)T_(无砾石),60mm/h雨强条件下嵌套砾石较无砾石坡面在10°,15°,20°,25°坡度分别延迟4.20,2.95,2.23,1.03min;(2)坡度相同时,嵌套砾石坡面较无砾石坡面产流率明显减少,但雨强的增大会掩盖嵌套砾石对坡面产流率减小的影响;(3)嵌套砾石红壤坡面在60mm/h雨强、坡度10°条件下平均产流率最小,在120mm/h雨强、25°坡面下平均产流率是前者的4.5倍;无砾石红壤坡面在120mm/h雨强、坡度25°条件下平均产流率最大,为最小平均产流率的4.8倍;(4)各坡面产沙强度、次降雨产沙量随雨强和坡度增大而增大,60mm/h雨强、坡度10°和25°时,嵌套砾石坡面平均产沙强度为无砾石坡面的6.0%和28.4%;120mm/h雨强时,此两个坡度的嵌套砾石坡面为无砾石坡面平均产沙强度的33.9%和25.3%。     

农田排水口高度对地表径流氮磷流失的影响

洱海流域农田径流氮磷污染严重,大量氮磷污染物随雨水进入洱海,导致洱海水质雨季下降。为从源头控制氮磷污染物的输出,该研究采用人工模拟降雨的方法,探究5、10、15、20、25 cm 5种不同高度的排水口对农田径流氮磷流失的控制作用。结果表明,农田排水口较低会造成产流初期硝态氮和颗粒态氮浓度升高,将排水口高度提高到15 cm以上可有效降低径流中各形态氮磷浓度,并稳定在较低水平;排水口高度从5 cm提高至15～25 cm产流中总氮、颗粒态氮、铵态氮、硝态氮流失量分别降低了85.60%～93.13%、88.39%～95.77%、84.59%～91.72%、63.05%～65.15%,总磷、颗粒态磷流失量分别降低了86.75%～92.66%,61.64%～94.61%,且排水口设置在15 cm高度处氮、磷流失量削减效果突出,在15 cm基础上继续提高排水口不会对氮磷流失量产生明显影响。综上所述,将排水口提高到15～25 cm对农田径流污染控制效果优越。结合洱海流域多年降雨资料及建设成本,推荐将农田排水口设置于距土壤表面15 cm高度处,对控制农田养分流失,减少面源污染起到显著效果。     

薄层紫色土坡耕地胶体颗粒随地表径流及裂隙潜流迁移规律

为查明薄层紫色土坡耕地土-岩二元结构中胶体颗粒随地表径流和泥岩裂隙潜流迁移的规律,在2015年3场自然降雨事件中对1 500 m~2大型坡耕地径流场进行监测研究。结果表明:1)地表径流的产流方式主要受土壤前期水饱和度、降雨强度和历时影响;裂隙潜流则主要受降雨量控制,其峰值流量对降雨的响应滞后于地表径流30 min左右;坡中部和坡下部对地表径流、裂隙潜流的贡献明显高于坡上部。2)地表径流中胶体颗粒质量浓度数十倍于裂隙潜流,最高可达4 827 mg/L,单场降雨事件中地表径流胶体迁移总量可超过7 kg。3)地表径流和裂隙潜流中胶体迁移速度快于径流,胶体质量浓度峰值的出现早于径流量峰值;地表径流中的胶体颗粒质量浓度主要受土壤水饱和度和径流过程控制。该研究结果对于估算农田中胶体结合态污染物的迁移通量具有参考价值。     

近70年黄河流域水沙情势及其成因分析

深入剖析黄河水沙现状及成因是精准预测黄河未来水沙情势的前提与基础。为此,以黄河干流潼关断面以上4个主要干流水文站及7个主要一级支流把口站1950-2016 年水沙实测资料为基础,采用双累积曲线等多种统计分析方法,系统剖析了黄河流域水沙演变规律及水沙主要源区变化特征,定量评估了不同环境要素对黄河水沙变化影响。结果表明：1）黄河干流兰州、头道拐、龙门及潼关水文站年径流及年输沙量均呈显著减少趋势（P<0.05）,其中,年径流减幅17.93%~40.79%,年输沙量减幅均在46.74%以上。受多种因素影响,黄河水沙在20世纪80-90年代发生减少突变;2）兰州-潼关区间年均径流量沿程变化表现为由总体递增状态向递减趋势转变,年均输沙量递增状态虽未转变,但递增幅度平均减小90%以上;3）黄河泥沙主要来源区由头龙区间向龙潼区间发生转移特征明显,龙潼区间水土流失治理有待进一步加强;4）人类活动对黄河中游水沙锐减占据主导作用,平均贡献率达到90%以上。而上游兰州站年均径流量受气候影响较大,贡献率达到66.57%。研究结果可为深刻认识黄河水沙时空现状及成因提供依据,并对未来水土流失治理区位方向确定提供参考。     

不同降雨条件下紫色土母质水沙输移动态研究

研究了1994～1998年遂宁组母质侵蚀试验场资料,用SPSS统计分析,结果表明：母质侵蚀区降雨-侵蚀模数的年际变化和径流深-侵蚀模数的年际变化规律大致一样。自然降雨条件下研究发现,降雨径流是紫色土母质侵蚀区的主要动力因子,产生径流的临界降雨量指标是13.908 mm。径流量与输沙模数成直线正相关关系。     

人工模拟降雨与径流冲刷试验在水土流失预测中的应用探讨

新增水土流失预测是开发建设项目水土保持方案编制的重要内容,也是防护措施布设的关键依据,水土流失预测方法及其适用性问题一直受到关注,以实际例子探讨了人工降雨与径流冲刷试验在开发建设项目新增水土流失量预测中的应用     

黑河上游天涝池流域生长季降雨和气温对河川径流的影响

西北干旱区的水资源短缺问题日益突出,但黑河上游高寒山区河川径流相关的精确水文资料稀缺,开展观测和研究其变化规律尤为必要。选择黑河上游天涝池流域为研究区,通过逐日观测2016年、2017年、2019年生长季河川径流量、降雨量和气温数据,采用相关分析和多元线性回归方法,分析了降雨和气温要素对河川径流的影响。结果表明:生长季内月均径流量明显滞后月均降雨量和月均温,三者均呈现出单峰变化趋势; 河川径流对降雨的平均滞后时间约为7.5 d。生长季内月均降雨量、月均温与月均径流量的Pearson相关系数分别为0.69,0.87(p<0.01),拟合多元线性回归模型的R²为0.772。研究显示该流域内降雨和气温较好地解释河川径流量的变化,结果可为黑河上游山区的河川径流响应过程提供参考依据。     

模拟降雨条件下侧柏林地枯落物对坡面产流产沙的影响

以北京山区人工侧柏林地坡面为研究对象,基于2个2m×5m径流小区,设枯落物覆盖自然坡面与裸露坡面2种处理、大小2种雨强(126,70mm/h),通过对比分析2种处理下坡面产流产沙过程,揭示林下枯落层覆盖对北京山区坡面产流产沙的影响。结果表明:(1)与裸坡相比,枯落物覆盖自然坡面产流产沙分别减少了67.0%和90.6%,其中,减沙效益大于减水效益。(2)无论是枯落物覆盖自然坡面还是裸坡,坡面产流过程均表现为先增大后趋于稳定的变化规律,但枯落物覆盖坡面产流趋于稳定的时间较裸坡有所提前。(3)枯落物覆盖坡面70,126mm/h降雨平均产沙速率分别为2.8,80.8g/min,裸坡分别为51.4,872.7g/min,枯落物覆盖坡面产沙率显著小于裸坡(p0.05)。当地表有枯落物覆盖时,产沙速率与含沙量随产流历时均波动变化不大,坡面产沙是一个基本稳定的过程;于裸坡而言,产沙速率与含沙量在小雨强条件下呈现先增加后趋于稳定的变化规律,而大雨强条件下,两者随产流历时先急剧增加后波动降低。(4)枯落物覆盖坡面产沙量与产流量为线性关系,而裸坡产沙量随产流量的增加呈幂函数急剧上升。研究结果可为评价北京山区人工林恢复水土保持效益提供理论依据,同时增进了对北京山区林地坡面产流产沙机制的认识。