基于分形信息维数的流域地貌形态与侵蚀产沙关系

流域地貌形态的科学准确量化是建立具有广泛适用性的流域尺度土壤侵蚀预报模型的关键科学问题之一，分形理论的提出为流域地貌形态特征的定量描述开辟了新的思路。本文基于分形理论，利用GIS技术和多元回归统计方法，以黄土高原丘陵沟壑区第一副区的岔巴沟流域为例，对该流域以分形信息维数为量化指标的流域地貌形态与降雨侵蚀产沙耦合关系进行了初步探讨。研究表明，引入地貌形态分形信息维数的岔巴沟流域降雨侵蚀产沙与地貌形态耦合关系模型可将岔巴沟各支流域差异明显的水沙关系简化为统一的数学表达，消除了由于地貌形态等下垫面因素导致的空间变异性；基于该耦合关系模型的西庄和蛇家沟流域次降雨输沙模数预测值和观测值相对误差较小、总体吻合较好；将地貌形态分形信息维数作为流域土壤侵蚀预报模型中地貌形态因子量化指标不仅可行，而且可靠。     

侵蚀产沙系统模型概述

根据目前国内外侵蚀产沙模型的研究现状，系统地阐述了流域从降雨到地表径流、沟间地产沙输移，细沟侵蚀产沙输移和泥沙的演进计算过程。     

黄土高原侵蚀产沙的年际变化特征

该文采用１６个特征指标,对黄土高原的侵蚀产沙年际变化特征进行了分析,得到了不同区域,不同流域的侵蚀产沙的年际变化特征值,并对其年际变化距平程度进行了分析。     

模拟降雨条件下地貌发育与侵蚀产沙的关系

地貌是影响流域侵蚀产沙的关键因素之一,为了进一步研究地貌发育与侵蚀产沙的关系,该文以小流域概化模型为对象,运用模拟降雨试验方法,以高精度摄影测量和GIS技术为手段对流域地貌发育过程及侵蚀产沙强度变化规律进行了研究。结果表明,产沙速率（Gt）、降雨产沙强度（Gp）和平均输沙强度（M）都随着流域地貌发育过程呈现先增大后减小的变化趋势;在流域地貌发育过程中,存在临界地面裂度（32%左右）和临界相对体积（65%左右）,使降雨产沙强度和平均输沙强度的变化趋势由递增变化为递减。这种临界现象对更深入地研究流域地貌发育及其与侵蚀产沙的关系具有重要理论意义,同时说明地面裂度和相对体积可以作为流域发育程度的指标。     

不同空间尺度上侵蚀产沙模型研究

土壤侵蚀模型在空间尺度上可以划分为坡面、小流域和区域3个不同层次。在坡面尺度上,主要考虑坡面侵蚀的垂直分带性及其相互影响;小流域尺度上,不但考虑坡面侵蚀的特点,还要考虑坡面来水来沙对沟道侵蚀产沙的影响、重力侵蚀及泥沙输移情况;在区域尺度上则主要考虑小流域各自的侵蚀产沙特点及其相互影响。因侵蚀的空间尺度不同,在建立土壤侵蚀模型时,要考虑由于空间变化所引起的侵蚀因子对侵蚀产沙响应的不同。通过分析国内外常用的不同尺度上的侵蚀产沙模型及其最新发展情况,提出模型建立中存在的问题,可以为以后建立土壤侵蚀产沙模型提供借鉴。     

羊道沟流域侵蚀产沙模型原型选定问题

侵蚀的空间尺度不同,在建立土壤侵蚀模型时,要考虑由于空间变化所引起的侵蚀因子对侵蚀产沙响应的不同。土壤侵蚀模型在空间尺度上可以划分为坡面、小流域和区域三个不同层次。在坡面尺度上,主要考虑坡面侵蚀的垂直分带性及其相互影响;小流域尺度上,不但考虑坡面侵蚀的特点,还要考虑坡面来水来沙对沟道侵蚀产沙的影响、重力侵蚀及泥沙输移情况;在区域尺度上则主要考虑小流域各自的侵蚀产沙特点及其相互影响。通过分析国内外常用的不同尺度上的侵蚀产沙模型及其最新发展情况,并借鉴羊道沟流域研究的丰富经验,提出了羊道沟流域作为王家沟流域-侵蚀产沙单元的侵蚀产沙概念模型,为流域侵蚀产沙模型尺度之间转换提供借鉴。     

国内主要流域侵蚀产沙模型评述

流域侵蚀产沙模型是国际土壤侵蚀研究的重点领域之一,国内以往进行了较多研究,建立了许多模型。正确分析和评价这些模型对于合理地使用它们进行流域侵蚀产沙预报和水土保持规划等工作具有重要意义。从研究方法、模型结构、模型中各参数的确定等方面对我国主要流域侵蚀产沙经验模型和具有一定成因的模型进行了分析,并在此基础上对各模型进行了评价。     

黄土高原侵蚀产沙的地貌临界

从地貌学的角度,较为深入地研究了黄土高原侵蚀产沙的几个临界问题:坡地系统的产沙临界、河道系统的产沙临界、以及地貌发育阶段的临界问题等,对地貌临界在黄土高原侵蚀产沙中应用作了进一步的探讨。结果表明,在黄土高原地貌发育阶段的不同临界范围内,其产沙量是不同的,因此,研究地貌临界不仅蕴涵着比较深刻的哲学和科学理论意义,而且具有一定的实践意义。     

地理信息系统与侵蚀产沙模型集成研究述评

将侵蚀产沙模型和地理信息系统集成起来,充分利用GIS在数据管理、空间分析及可视化方面的功能,是今后侵蚀产沙模型发展的方向.本文在分析当前侵蚀产沙模型发展方向及存在的问题后,总结了地理信息系统在侵蚀产沙中的应用,阐述了地理信息系统与侵蚀产沙模型集成的发展历史,并对其3种结合方式进行了评述.     

山丘区小流域降雨侵蚀及产沙模型研究

该文选用山东省有代表性的福山小流域试验资料，对山丘区小流域降雨侵蚀和产沙规律进行了研究，提出了山丘区小流域降雨侵蚀的产沙模型。不仅为小流域综合治理提供了科学依据，还可满足小流域河流产沙预测预报的要求。     

大理河流域淤地坝拦沙贡献率分析

为提高淤地坝拦沙贡献率的计算精度,揭示淤地坝拦沙量对流域输沙量减少的作用。以大理河流域为研究对象,提出一种基于GIS和土壤侵蚀模数的淤地坝逐年拦沙量计算方法,分析大理河流域淤地坝拦沙量对流域出口输沙量减少的贡献率。结果表明:(1)1954—2011年,大理河流域淤地坝逐年拦沙量呈波动式增加,多年平均拦沙量为0.12亿t,累积拦沙量为7.17亿t,其中1980—1989年年均拦沙量最高,为0.19亿t。(2)1960—2015年,大理河流域输沙量呈显著减少趋势,且在1971年和2002年均发生显著突变(P<0.05)。(3)人类活动是大理河流域输沙量减少的主要原因,1971—2001年淤地坝拦沙量占人类活动减少输沙量的贡献率为47.42%;随着流域植被恢复,2002—2011年淤地坝拦沙量占人类活动减少输沙量的贡献率降至31.04%。该方法对评价大理河流域淤地坝拦沙贡献率有一定的指导意义。2000年以后,由于植被恢复,大理河流域淤地坝拦沙贡献率下降。     

松花江流域侵蚀产沙演变特征分析

利用松花江流域116个站点的降水资料和14个典型流域水文站的径流泥沙资料,在分析降水、径流和输沙时间变化特征的基础上,研究了该区侵蚀产沙演变特征及其主要影响因素.研究结果表明,1961-1990年松花江流域降水和径流无显著增长趋势,但输沙量增长显著,每10 a平均增长幅度为34.7%,丘陵漫岗区输沙量增长幅度较山区更为显著.流域输沙量自1979年开始显著增加,降水量变化不是输沙量快速增长的主要原因,人类活动导致的下垫面变化可能是输沙量增加的重要原因.     

三川河流域重点治理减沙效益分析

三川河流域自1983年列入全国八大重点治理区后,至1992年底止,10年新增治理面积1129km~2,流域累计治理程度达到57.6％。采用水文法与水保法分析该流域重点治理以来的减沙效益,前者的分析结果是,重点治理期间的年均输沙量较重点治理前减少59.03％,每毫米汛期降雨所产生的输沙量分别比1957～1972年、1957～1982年减少61.30％和52.23％;后者的分析结果是年均输沙量分别比1957～1972年、1957～1982年减少44.26％和55.18％。考虑到降雨变化对水文法分析产沙的影响,故10年重点治理期间较重点治理前多年平均输沙量年均减少约为50.0％。     

泾河流域人为活动对水沙变化的影响分析——兼议泾河流域治理方略

泾河流域人为新增水土流失呈逐年增加趋势。最大的增洪增沙是开荒 (包括陡坡开荒和毁林开荒 )。 90年代人为年均增洪 15 10万 m3 ,年均增沙 146 5万 t,比 80年代分别增加 2 6 .4%和 40 .2 % ;比 70年代分别增加85 .3%和 6 9.0 %。制止人为新增水土流失刻不容缓。西部大开发 ,生态环境建设必须同步 ,才能实现泾河流域国民经济和社会的可持续发展。     

植被格局特征对大理河流域侵蚀产沙的响应

为了进一步研究植被覆盖FBM(fractional brownian motion)分形维数在不同流域中对植被覆盖特征的综合效果及作为固定参数代替现有的植被量化指标在实际的水文、土壤侵蚀等预测模型中的应用,该文通过对大理河流域上中下游青阳岔、李家河和曹坪3个水文站控制流域的降雨、径流和产沙等资料的全面综合分析,以次降雨径流侵蚀功率作为侵蚀外营力输入,通过对站控流域地貌特征FBM分形维数、植被景观格局FBM分形维数和NDVI植被指数作为描述下垫面特征,以地理信息系统(GIS)为平台,利用GIS和RS技术,构建大理河流域侵蚀产沙量多元线性回归模型,并通过2组不同参数预测结果对比,结果表明:以植被格局分形维数为植被量化参数的模型输沙模数模拟值与实测值之间的相对误差和绝对误差比以NDVI为植被量化参数的小;在38场次暴雨洪水中,基于植被格局分形维数为植被量化参数的模型次暴雨输沙模数模拟值与实测值之间的相对误差小于10%、20%、50%的分别占总场次的34.21%、55.26%、86.85%;38场次暴雨输沙模数的模拟值和实测值之间的平均相对误差为25.19%,其中模拟值与实测值绝对误差小于300 t/km2有31场,植被格局FBM分形维数可以更好反映植被覆盖与水土流失之间的关系,并且分析得到植被格局分形维数与土壤侵蚀强度之间呈负相关关系,决定系数为0.5066,即土壤侵蚀强度随着植被格局FBM分析维数的增大呈减小趋势,说明植被格局FBM分形维数对土壤侵蚀强度的影响较大.     

大沙河流域降水变化与输沙关系的研究

对皖西南大沙河流域1954～1999年的降水记录和该流域1970年以来的逐月径流和输沙量资料分别进行了趋势分析和关联分析，发现46年来，地处皖西南大别山区的大沙河流域降水的季节和年际变化异常显著，且降水有下降趋势，流域春季、夏季和全年的降水变化率分别为-7．4mm／10a，-13．06mm／10a和-4．6mm／10a。通过对同期降雨、径流和输沙量各因子相互间的灰色关联分析发现大沙河流域输沙量与日雨量大于100mm和50～100mm的暴雨次数关联最密切，其关联系数分别达到0．98和0．90，说明皖西南大别山地区降雨强度特别是大于100mm的特大暴雨和50～100mm的暴雨对地表侵蚀最为严重，是造成本地区水土流失的主要因素；此外，人类活动特别是人口和耕地面积的增加也是导致本地区水土流失的重要原因。     

砚瓦川流域水沙演变特征及其驱动因素分析

为了探究降水变化和水土保持措施对黄土高原地区产流产沙的影响,选择我国水土流失最为严重的区域——甘肃省庆阳市的砚瓦川流域为研究区,对该流域1981—2012年的年降水量、年径流量和年输沙量进行趋势分析及突变检验,分析黄土高原沟壑区水土流失治理背景下流域水沙的演变规律,定量评价降水和水土保持措施对流域水沙变化的贡献程度。结果表明:在1981—2012年期间年降水量和年径流量均没有发生显著变化,而年输沙量呈现显著减少趋势,年径流量和年输沙量的突变时间分别在1996和1997年,具有很好的同步性。与基准期(1981—1996年)相比,变化期(1997—2012年)的年径流量和年输沙量分别减少了17.0%和76.0%,分析径流和输沙历时曲线发现流域丰水期和平水期的径流量逐时段减少,而枯水期径流量却持续增加,输沙量在整个时段则大幅度减少。该流域降水和水土保持措施对年径流减少的贡献率分别为-37.9%和137.9%,而对年输沙量减少的贡献率为-35.0%和135.0%,因此,水土保持措施的实施是该流域年径流量和年输沙量减少的主要原因。其中,植被措施(林地和草地)对径流影响显著,占径流减少总量的61.04%;工程措施(梯田和坝地)对产沙影响显著,占产沙减少总量的102.84%。研究结果表明,黄土高原地区水土流失治理已在区域尺度上表现出一定程度上削洪补枯和减少侵蚀产沙的水文效应特征。同时在水土保持措施建设过程中,合理配置植被措施和工程措施比例,充分发挥各项水土保持措施的优势,是开展适应性流域管理的关键。     

Scale Independence and Spatial Uniformity of Specific Sediment Yield in Loess Areas of the Wuding River Basin,Northwest China

Most of the sediment loads of the Chinese Yellow River originate from the 113,000 km² Hekou–Longmen Section. This study investigated the spatial pattern of specific sediment yield in the Wuding River basin, a tributary of the section. Data collected in 36 instrumented watersheds were used. Stratifying the watersheds in terms of surface regolith reveals a scale uncorrelated and a roughly constant SSY (mean annual specific sediment yield) of 18,720 Mg km⁻² yr⁻¹ in the loess areas of the basin, with basin areas varying between 0.107 and 9,355 km². A zero‐variable model (i.e. SSY = 18,720) thus performs well with a mean error of approximately 15%. The spatial uniformity even holds at the annual time scale; a spatially invariable SSY _a (specific sediment yield for a single year) remains applicable with a mean error of the order of 40%. The spatial uniformity in SSY and SSY_a allows a direct scale extrapolation. Moreover, the established zero‐variable models and the scale extrapolation are even applicable to the Hekou–Longmen Section. The spatially uniform SSY accords with the spatial invariability of many sediment‐yield related factors, such as basin slope and rainfall in the loess areas of the Wuding basin. Given the fact that sediment delivery ratio is close to 1 in the Loess Plateau, a spatially uniform SSY is equivalent to a uniform erosion rate among watersheds. This finding, contrasting with current consensus that erosion and sediment yield vary greatly in space, is greatly helpful in predicting erosion and sediment yield in the Loess Plateau. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

孤山川流域1980s以来次降雨-产流-产沙变化

[目的]研究入黄支流降雨—径流—产沙变化规律,揭示黄河水沙变化成因。[方法]获取孤山川流域1985—2010年115场降雨事件数据,运用径流系数、产沙系数和弹性系数指标,分析孤山川流域近30年降雨—产流—产沙变化。[结果](1)与1980s相比,1990s的降雨多为短历时、弱雨强类型,2000s的降雨多为长历时、中雨强类型;2000s的降雨—产流能力和降雨—产沙能力减小最为突出,其平均径流系数、平均产沙系数分别约为1980s的50%和23%。(2)1980s—1990s降雨—产流弹性系数和降雨—产沙弹性系数分别为0.13,4.21;1980s—2000s降雨—产流弹性系数和降雨—产沙弹性系数分别为1.73,6.19。(3)径流系数与林草面积比、植被盖度、梯田面积比和骨干坝控制面积比的相关系数分别为-0.662 3,-0.911 4,-0.801 0和-0.821 4,产沙系数与林草面积比、植被盖度、梯田面积比和骨干坝控制面积比的相关系数分别为-0.887 7,-0.998 5,-0.962 9和-0.971 7。[结论]1980s以来,孤山川流域的降雨—产流能力和降雨—产沙能力发生明显变化,尤其2000年后的变化最为突出;降雨—产沙能力比降雨—产流能力对雨强变化更为敏感;植被盖度变化是下垫面因素中影响孤山川流域产流产沙能力变化的主要原因。     

珠江流域土地石漠化和河流泥沙含量的动态变化

[目的] 研究珠江流域岩溶石漠化土地与河流泥沙含量动态变化及相互关系,以期科学评价珠江流域石漠化生态修复成效。[方法] 基于2018年发布的第3次石漠化监测成果数据《中国河流泥沙公报》数据,运用数理统计、图表功能和相关性分析,研究石漠化土地与河流泥沙含量动态变化关系。[结果] ①珠江流域石漠化土地面积占全国34.1%。21世纪以来,区域石漠化土地面积呈现持续减少,程度减轻,生态环境状况明显好转;②2001—2018年主要水文站年输沙量年际变动规律不明显,河流年输沙量、年平均含沙量、多年平均输沙模数总体呈现降低趋势。[结论] 珠江流域石漠化土地面积与河流泥沙含量间存在指数正相关性;河流输沙量、石漠化土地面积与植被综合盖度呈指数负相关关系,与耕地面积呈指数正相关关系。