基于Copula函数的泾河流域水沙丰枯遭遇频率分析

流域水沙关系变化是洪旱灾害防治、重大水利工程布局的重要理论基础,同时又对人们的生产、生活产生重大影响。根据泾河流域主要控制水文站的年径流量和年输沙量数据,采用P-Ⅲ型曲线分别拟合计算得到各水文站的径流量和输沙量序列的边缘分布函数,然后采用Copula函数建立了泾河流域水沙联合分布模型,计算泾河流域各水文站水沙丰枯遭遇频率。结果表明:(1)Clayton Copula,Frank Copula,Gumbel copula函数均能较好地拟合泾河流域各水文站的水沙数据,根据拟合优度评价结果选用Frank Copula函数拟合各站的水沙联合分布;(2)在所研究的泾河流域8个控制水文站水沙丰枯遭遇均表现为水沙丰枯同步频率大于异步频率。在水沙丰枯同步频率中,同丰的遭遇频率基本与同枯的遭遇频率相同,二者均大于同平的遭遇频率。(3)在水沙丰枯异步遭遇频率中,丰枯遭遇频率最小的组合是水枯沙丰和水丰沙枯。该水沙联合分布模型对流域治理规划、防灾减灾及生态恢复等具有重要意义。     

黄土区小流域水土保持措施水沙关系演变特征

以黄土丘陵沟壑区水土保持综合治理示范流域韭园沟及其对比流域裴家峁沟为研究对象,基于韭园沟和裴家峁沟1986—2015年长序列水文泥沙数据,采用累积距平法和Mann-Kendall趋势检验法分析水文泥沙要素的变化趋势,针对存在显著变化趋势的水文泥沙要素采用Mann-Kendall突变检验方法识别突变时间,并通过Kendall相关系数分析要素之间的相关性,分别计算韭园沟和裴家峁沟的降水—径流—输沙关系,分析流域产流产沙能力的变化,探讨不同水土保持措施下的黄土区小流域水沙关系演变特征。结果显示：韭园沟年输沙量仅为裴家峁沟的5.35%,表明水土保持工程措施可大幅度减少流域出口断面输沙量;生物措施在短期内即可明显改善流域径流调节能力,流域固沙抗蚀能力则随着退耕还林后林草逐年生长渐增,说明退耕还林具有可持续的环境价值。     

罗玉沟流域水沙变化趋势及影响因素

[目的]探讨小流域水沙变化趋势及影响因素，为黄土高原丘陵沟壑区水土流失治理和水土保持措施布设提供参考依据。[方法]采取Spearman秩次相关检验方法、累积距平法和双累积曲线法等对黄土丘陵沟壑区罗玉沟流域1986—2016年降水量、径流量和输沙量变化趋势和演变过程进行分析。[结果](1) 1986—2016年罗玉沟流域年降水量趋势性变化不显著；流域年径流量和年输沙量变化具有明显的阶段性，以1993年为界，年径流量和年输沙量呈显著降低趋势。(2)降水和水土保持措施影响罗玉沟流域年径流量和输沙量，不同降水水平年，降水和水土保持措施对流域水沙变化的影响不同，水土保持措施使流域枯水年份径流量和输沙量减少最为显著。(3)水土保持措施对年径流量和年输沙量的减少贡献率分别为83.50%和80.97%。[结论]降水量变化不显著的情况下，水土保持措施对罗玉沟流域年径流量和年输沙量的减少起主导作用，水土保持综合治理对枯水年径流量和输沙量的影响幅度最大。     

黄土丘陵沟壑区小流域水沙侵蚀过程的情景模拟分析

在黄土丘陵沟壑区小流域侵蚀水沙耦合数学模型基础上,以黄河中游典型流域岔巴沟流域为研究对象,根据工程水文学设计暴雨的方法生成各种假设暴雨过程,在固定下垫面不变的条件下,进行模拟计算并分析流域100年一遇、50年一遇和10年一遇设计暴雨的产流产沙效应。在几种不同的假设植被覆盖度下,分别模拟计算同一场典型暴雨在不同植被覆盖条件下的水沙侵蚀过程。模拟结果表明：1）根据岔巴沟流域100年一遇（P=0．01）、50年一遇（P=0．02）和10年一遇（P=0．1）设计暴雨3种情景下的水沙计算特征可知,100年一遇降雨（P=0．01）对应的洪峰流量和沙峰分别为805m^3／s和77．5万kg／s,50年一遇降雨（P=0．02）对应的洪峰流量和沙峰分别为595m^3／s和50．2万kg／s,10年一遇降雨（P=0．1）对应的洪峰流量和沙峰分别为108m^3／s和12．1万kg／s,根据以上计算结果可大致推断1970-2000年的绝大多数侵蚀观测场次的水沙重现期在10年一遇和50年一遇之间;2）该流域植被覆盖度的减水减沙效应显著,增加25％植被覆盖将减少水量73％和沙量84％,而减少25％的植被覆盖将增加29．9％的径流和18．6％的泥沙。不同降雨和植被覆盖条件下的水沙侵蚀过程情景模拟分析结果可为黄土高原丘陵沟壑区流域水土保持工程规划与设计提供依据。     

黄土丘陵沟壑区多尺度地貌单元输沙能力及水沙关系

以黄土丘陵沟壑区裴家峁沟为原型观测流域,利用流域内相互嵌套的全坡面径流场、水文站网等观测设施,定量研究黄土丘陵沟壑区不同空间尺度地貌单元水沙关系和输沙能力特征。结果表明:1)坡面尺度地貌单元的径流深和输沙模数在多年平均时间尺度上均大于流域尺度地貌单元。当地貌单元空间尺度达到流域尺度时,多年平均径流深随着流域尺度增加而增加,输沙模数与流域面积之间存在着负相关关系。但在次降雨条件下,不同空间尺度地貌单元径流深和输沙模数峰值可能出现在全坡面、桥沟一支沟、桥沟或裴家峁沟。2)不同空间尺度地貌单元水流输沙能力随着空间尺度的增大而减少,相对于裴家峁沟,全坡面径流场、桥沟一支沟和桥沟的单位水流功率含沙量分别是裴家峁沟的186、77和58倍。3)不同空间尺度地貌单元径流量与输沙模数的水沙关系表现出较好的线性关系,且径流量与输沙模数关系随着空间尺度增加更为密切,但随着空间尺度增加,径流量和输沙模数的水沙关系曲线斜率急剧减小。研究成果可为水土流失空间尺度效应及尺度转换的研究提供科学依据。     

陕北丘陵沟壑区生态修复与农村聚落耦合发展初探

生态修复与聚落建设两者相互渗透,相互联系,必须在生态环境保护与修复的基础上发展农村聚落.逐步减轻区域生态环境压力,这对于扭转农村聚落"生态恶化-贫困"的恶性循环,恢复区域生态环境具有重要意义.通过实地调研、文献研究与理论分析,在研究陕北黄土丘陵沟壑区生态环境及其修复途径与制约因素的基础上,提出了有利于生态修复的农村聚落发展模式.研究结果表明,农村聚落应调整土地利用结构并采取有利于水土保持的生产耕作方式,调整散乱的聚落生活空间结构.以便转移人口,解决环境人口超载问题,并进一步做好农村聚落的迁村并点工作.     

基于混合产流模式的黄土高原流域水沙过程耦合模拟

为深入理解黄土高原干旱半干旱地区复杂地貌条件下流域水沙运移规律。基于垂向混合产流机理和运动波方程,构建分布式流域水文模型,耦合流域土壤侵蚀和泥沙输移过程模拟模块,并考虑梯田对水沙过程的影响,建立适用于黄土高原的分布式流域水沙过程模型。选取黄土高原延河支流西川河流域多年实测场次洪水过程的径流泥沙资料,对模型进行率定和验证。径流模拟的纳什效率系数在0.56以上,平均值超过0.70,模拟次洪过程的峰形、峰值、峰现时间与实测过程具有较好的一致性;侵蚀产输沙模拟精度较低,其纳什效率系数均值率定期为0.79,但验证期仅为0.45,模拟结果整体趋势与实测值较一致,但输沙量模拟峰值比实测值偏低。模型可以较精确地模拟黄土高原流域洪水产汇流过程,但输沙量模拟值偏低,一方面由于产汇流模块的误差传递;另一方面,对重力侵蚀考虑不足。因此,未来模型将考虑滑坡、崩塌等重力侵蚀过程,提升模拟精度和效率,为流域水沙过程模拟与流域综合治理提供有效工具。     

基于能量的坡面侵蚀性径流及其水沙传递关系

为有效辨识径流侵蚀能量对水沙关系的影响,构建水流功率ω和水流能量因子SE等指标,采用经验频率统计法,初步拟定了基于能量的坡面侵蚀性径流标准,并考察了不同侵蚀事件的水沙关系。结果表明：1）坡面侵蚀性径流的一般参考标准为：水流功率大于10.5 W/m或水流能量大于0.059 W,输沙模数一般大于0.6 kg/m2。2）事件时间尺度下输沙模数主要受水流能量因子控制,平均含沙量与水流功率关系最优;过程时间尺度下瞬时输沙率与瞬时水流功率、输沙模数增量与水流能量因子增量皆成正线性相关。3）侵蚀性径流的输沙能力是非侵蚀性径流的2.5倍,而非侵蚀性径流单位水流能量增量的增沙能力是侵蚀性径流的4.8倍;调节单位水流功率（10 W/m）的减沙效益可达50%,调节单位水流能量因子（0.1 W）的减沙效益可达71%。分析结果表明侵蚀性径流事件的整体水沙关系更稳定,径流能量更强,输沙能力更大,基于能量拟定侵蚀性径流标准具有可行性。研究结果可以为黄土高原坡面典型径流事件筛选和径流侵蚀能量调控提供参考。     

基于AnnAGNPS模型的黄土高原小流域土壤侵蚀定量评价

以位于黄土丘陵沟壑区的砖窑沟流域为试点，利用AnnAGNPS模型进行土壤侵蚀定量评价。采用流域8次径流事件监测数据进行模型检验，径流量和沉积物量的相对误差分别为10%和-10%，AnnAGNPS模型能够比较理想地模拟流域长期的径流量和沉积物量，并可应用于黄土丘陵沟壑区的径流流失和土壤侵蚀定量评价。采用2004年土地利用状况模拟分析了流域土壤侵蚀量及其空间分布，结果表明：该流域平均片蚀和细沟侵蚀强度为3508 t/(km²·a)，属中度侵蚀等级，黄土沟壑地的平均侵蚀强度最大，属极强度侵蚀等级；严重的沟道侵蚀显著增加了运移到流域出口的泥沙。     

人类活动对黄土沟壑区小流域水沙影响的研究

以西峰杨家沟小流域为研究对象,研究了在降雨和人类活动的影响下,黄土高原沟壑区小流域治理前后水沙变化.通过分析发现,治理后流域内的人类活动使年均径流量比治理以前略有增加,而年均输沙量却比治理以前大幅度减少.     

黄土丘陵沟壑区退耕地植被恢复中的土壤水分变化研究

选择了黄土高原安塞县境内的纸坊沟、县南沟、西沟、郭阳湾等不同流域,对黄土丘陵沟壑区退耕地植被恢复过程中的土壤水分变化规律进行了研究.研究结果表明,随着退耕年限的增长,60 cm以下土层的土壤水分含量逐渐减少;对于不同地形条件的土壤含水量,阴坡＞半阴坡＞阳坡,坡下＞坡中＞坡上,并且随着坡度的增大,土壤含水量减小;不同的植被类型土壤水分含量也不同,在选择的草地、灌木地、林地3种植被类型中,以草地的土壤含水量最高,林地最小,灌木地介于两者之间;从恢复方式看,自然恢复的土壤水分含量相对较高,人工恢复的土壤水分含量相对较低,自然+人工恢复介于两者之间.另外,对于同一种植被类型,生物量越大,土壤水分含量越小.     

黄土丘陵区退耕坡地植被自然恢复过程及其对土壤入渗的影响

生态系统自我修复是黄土高原植被恢复的重要途径。以永久性天然草地和三龄沙打旺人工草地为对照,在对黄土丘陵区坡地退耕植被自然恢复过程群落演替、地上部分生物量的增长及其组成动态变化特征调查的基础上,定量分析了不同恢复阶段主要群落下土壤的入渗能力。研究表明,随着植被演替的进展,群落生物量逐步增加,土壤入渗能力显著改善。退耕草地土壤表层0-20cm土壤渗透能力(K10℃)每年可提高0.10mm。植被改善土壤入渗能力的有效深度达40cm。说明黄土丘陵区通过坡地退耕还林还草恢复植被可以改善土壤渗透性能,强化降雨就地入渗,减少水土流失。     

黄土丘陵沟壑区林草植被恢复的减沙效益研究

对黄土丘陵沟壑区安塞县不同土地利用类型的土壤抗冲性和崩解速率特征进行了测试.结果表明,抗冲性指标和崩解速率在数值上均随着土层深度的增加而增大,表明其抵抗侵蚀能力减弱.不同利用类型0-10 cm表层土壤抗冲性和崩解速率强弱关系均为:灌木林＞草地＞乔木林＞果园＞农地,而在20-30 cm土层及40-50 cm土层有所变化.不同土地利用类型下,土壤崩解速率和土壤抗冲性之间存在着明显的直线递增关系,灌木林地土壤崩解性能随抗冲性变化速率较快,直线斜率达到0.352,而农地的崩解性能随抗冲性变化起伏最小,直线斜率为0.014 5,草地、乔木林地和果园位于两者之间.其中,乔木林地与草地二者直线斜率差异不大,在相同取样深度上具有相同的变化特征.     

黄土丘陵区植被类型和降雨对坡面侵蚀产沙的影响

基于定西市安家沟流域2014―2016年连续3年侵蚀性降雨产流产沙资料,研究了植被类型和降雨对坡面侵蚀产沙的影响。结果表明,侵蚀性降雨可分为3类:A雨型(短历时、中高雨强)、B雨型(中雨量、小雨强)和C雨型(大雨量、小雨强),产流产沙频次为B雨型C雨型A雨型。径流系数油松林(6.915%～9.379%)、小麦地(5.838%～9.034%)和苜蓿地(6.610%～9.671%)分别是冰草地(2.724%～5.246%)的1.7～2.5倍,是沙棘林(2.296%～3.863%)的2～3倍。A雨型的径流系数大于B雨型和C雨型,B雨型和C雨型是产流的主要降雨类型。年均土壤流失量为小麦地(1.478～3.478 t/hm~2)苜蓿地(0.558～2.079 t/hm~2)油松林(0.459～0.887 t/hm~2)冰草地(0.097～0.253 t/hm~2)沙棘林(0.012～0.038 t/hm~2)。小麦地的土壤流失量分别是油松林的3～5倍,是冰草地的14倍,在坡度10°,15°,20°年均土壤流失量分别是沙棘林的123,130,92倍。C雨型对油松林产沙量的贡献率最大,B雨型次之,A雨型最小。A雨型对沙棘林产沙量的贡献率高达79%～86%,高强度、短历时降雨是沙棘林产沙的主要雨型。A雨型对小麦地和苜蓿地产沙量贡献率随着坡度的增大而增大,在坡度20°中、高雨强是小麦地和苜蓿地产沙量增加的主要雨型。小麦地、苜蓿地、油松林、冰草地的径流深与土壤流失量之间呈极显著线性正相关关系(P0.01),土壤流失量的增速为小麦地苜蓿地油松林冰草地,随着坡度的增大产沙速度加快。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,同时对科学指导坡面水土保持措施配置有重要的实践意义。     

黄土丘陵沟壑区不同土地利用方式的土壤水分效应

采用定位监测法,对黄土丘陵沟壑区的延安燕沟不同土地利用方式下土壤水分动态变化规律进行了系统分析。结果表明,在2002年降雨前期较多后期较少的情况下,土壤水分4—10月间呈现总体下降趋势,降雨对土壤水分的补偿效应明显不足;不同植被下土壤水分季节变化存在明显差异,苹果园和退耕坡地土壤水分衰减幅度小,林灌草地则水分逐渐减小,变化幅度较大;植被对土壤水分的差异性利用使得土壤平均水分含量以及水分剖面分层均存在差异。各层土壤水分变异系数的垂直变化也因植被类型的不同而存在差异。除浅层0—10 cm外,不同层次土壤水分变化趋势较缓和,较一致。土壤含水量逐月下降,个别月份水分略有升高,说明降雨对土壤水分的补偿作用在该降雨年型下表现微弱。     

黄土丘陵沟壑区不同土地利用方式下小流域侵蚀产沙特征

为进一步优化和合理配置水土保持措施,以黄土丘陵沟壑区3个不同土地利用方式下的坝控小流域为例,基于人工探槽取样、淤积层次甄别及与产流降雨事件的对应关系,结合1:10000早期地形图与全站仪测量,拟合库容曲线来估算淤地坝泥沙淤积量,进而反演坝控流域的产沙模数变化特征.结果表明:(1)延河马家沟3个不同土地利用方式下的洞儿沟...     

半干旱黄土丘陵区坡耕地径流损失对土地生产力影响研究

采用表土人工堆积小区试验方法 ,研究了半干旱黄土丘陵区西吉县的坡耕地径流损失对土地生产力的影响。结果表明 ,干旱、半干旱黄土丘陵区由径流损失造成的坡耕地土地生产力下降不可忽视 ,坡耕地平均每年每损失 1mm径流会导致供试作物春小麦减产 9.7% ,马铃薯减产 5 .0 % ,春小麦产量受径流损失的影响是马铃薯的 2倍 ;不同坡度坡耕地春小麦每年因径流损失减产 41.7%～ 6 4.0 % ,马铃薯减产2 1.5 %～ 33.0 % ,每年由此所造成的粮食减产分别是坡耕地和农业用地粮食总产量的 73 .3%和 16 .3 %。     

黄土丘陵区土壤水资源与土地利用的耦合研究

依据延安燕沟流域一条支沟的26个定位监测点4～10月的土壤水分连续监测资料,结合土地利用现状、土壤容重、坡度、坡位等因素对土壤水分的影响,给出了流域内的农坡地、梯田、坝地、乔木、灌木、草地、鱼鳞坑、水平阶等8类土地利用下0～4 m的逐月土壤水分、土壤储水量。在Arcview环境下统计了流域0～1 m,1～2 m,2～3m,3～4 m及0～4 m不同层次土壤水资源量的月动态变化。同时,通过对土地利用演变的情景模拟,探索了农林草地利用格局发生变化后土壤水资源量随之变化的响应程度,进而提出了该区合理利用土地与生态治理的对策。     

陕北黄土高原丘陵沟壑区生态经济发展模式

从生态经济学的角度出发,以生态重建与环境恢复为目的,引用生态经济系统原理和生态经济发展的相关理论,提出陕北黄土高原丘陵沟壑区生态经济发展基本思路、生态经济类型划分的初步框架和区域生态经济发展模式,从而实现生态效益、经济效益和社会效益相统一的最终目的,使黄土高原丘陵沟壑区生态环境与当地社会经济可持续发展。