黄土高原现状梯田和林草植被的减沙作用分析

2000年以来,黄河来沙明显减少。本文以黄土高原主要产沙区为对象,利用卫星遥感与实地调查相结合方法,获取2012年研究区各支流的梯田面积和质量信息,分析2010—2013年林草植被覆盖率及其较天然时期的变化;提出林草与梯田叠加作用地区的减沙量计算方法。基于流域尺度上构建的黄土丘陵沟壑区林草植被覆盖率与产沙系数、梯田比与减沙幅度之间的响应关系,计算在多年平均降雨条件下黄河龙门、北洛河状头、汾河河津、渭河咸阳和泾河张家山等5站以上现状林草植被和梯田的减沙能力,其值为10.65亿t,占该区天然年均来沙量的60%。     

黄土丘陵沟壑区林草变化对流域产沙影响的规律及阈值

围绕植被变化与土壤侵蚀的关系,已有海量研究成果,但提出的植被盖度～土壤侵蚀量响应规律多是基于坡面小区上的观测成果,反映的是植被变化在"本地"的水沙响应,不能反映植被变化对小区下游的坡面、沟谷和河道的"异地"效应。在近20年黄河来沙锐减的背景下,如何在较大的流域尺度上,评价林草植被变化对流域产沙量的影响,已经成为亟待解决的重大科学问题。本文在对黄土丘陵区地貌和产沙特点分析的基础上,引入了易侵蚀区、林草有效覆盖率(V_e)和产沙指数(S_i)等新概念,利用黄土丘陵区流域实测的林草、降雨和水沙数据,分析了林草植被变化与流域产沙能力之间的响应规律及其机制,提出了可基本遏制流域产沙的林草阈值。研究结果表明,流域的产沙指数均随林草有效覆盖率V_e的增大而减小,二者呈指数关系;当V_e≤40%～45%时,产沙指数随V_e增大而迅速降低,不过在V_e20%时改善植被的减沙作用不太稳定;V_e40%～45%后,改善植被导致的产沙指数递减速率越来越小。流域的林草植被覆盖程度越差,产沙强度对雨强越敏感;当V_e50%～60%后,决定流域产沙量的首要因素是有效雨量,雨强次之。林草植被改善是通过对流域产洪量和含沙量的共同减少、以及地表径流输移阻力的增大,实现对流域产沙量的削减;削减洪水和增大阻力均将导致黄丘区地表的水蚀动力降低,含沙量降低则是地表物质补给困难的直接反映。对于黄土丘陵区的第1～4副区,要实现流域产沙模数≤1000 t/(km~2·a)的目标,林草有效覆盖率应达55%～65%以上,该阈值自东向西递增。对于黄土丘陵区的第5副区,当林草有效覆盖率V_e45%～50%后,流域产沙量也趋于稳定,但因产沙机制特殊,即使林草梯田有效覆盖率达到60%以上,仍难以基本遏制流域的产沙;而且,河(沟)床产沙占比越高,依靠林草植被改善而削减产沙的难度越大。该成果可为认识近20年黄土高原植被改善与黄河泥沙锐减的关系,提供理论依据。     

大暴雨作用下黄土高原典型流域水土保持措施减沙效益研究

正确评估大暴雨条件下流域水土保持措施的减沙作用,可为科学揭示流域侵蚀产沙变化的驱动机理提供理论支撑。综合采用改进的水土保持成因分析法、林草植被减沙模型和分布式土壤侵蚀模型,对近10年大暴雨作用下4个典型流域的水土保持措施减沙作用进行了系统分析和研究。结果表明:佳芦河流域水土保持措施在"2012.7.27"大暴雨中减沙效益为65.4%;杏子河流域在"2013.7.12""2013.7.25"和"2013.7.27"三场连续降雨中,水土保持措施减沙效益分别为56.5%、40.7%和36.5%;西柳沟流域上游在"2016.8.17"大暴雨中,林草植被措施减沙效益达84.2%;岔巴沟流域在"2017.7.26"大暴雨中,水土保持措施减沙效益为79%。大暴雨作用下水土保持措施减沙效益明显,但遭遇连续极端降雨情况,水土保持减沙效益会降低。     

黄河主要产沙区近百年产沙环境变化

以来沙量占入黄总沙量90%的黄河主要产沙区为重点研究对象,通过文献检索、实测降雨和水沙数据分析、遥感调查、统计数据采集和实地调查等,分析了过去近百年产沙环境变化情况。研究认为,产沙环境在20世纪70年代以前持续恶化、70年代以后逐渐好转、1998年以后显著改善。目前,包括林草、梯田和坝地在内的综合覆盖率已经由70年代的20.6%提高到50.9%,其中黄河中游地区达到54.1%,综合覆盖率不足30%的面积占比由70年代的81.0%减少至3.5%。林草植被改善和梯田建设是研究区产沙环境改变的主要驱动力。     

大理河流域水沙变化重要问题分析

采用基于水文统计的冥函数型经验模型或线性模型等,对大理河流域水沙关系、减沙效益与林草措施占比和坝地配置比的关系进行了分析。结果表明:20世纪60—80年代流域暴雨洪水关系散乱,90年代以来暴雨洪水关系密切,近期暴雨产洪水平明显降低;流域洪水泥沙关系非常密切,不同年代没有发生趋势性的改变;80年代以来,流域年平均来沙系数呈明显的增大趋势,近期有所减小;现状治理条件下水土保持措施减沙效益与林草措施占比呈明显的正比关系;减沙效益的大小不仅与林草措施占比有关,更与林草措施质量及配置部位密切相关;现状治理条件下取得最大减沙效益的坝地最优配置比约为4.2%。     

黄土丘陵沟壑区典型流域产沙的降雨阈值变化

2000年以来,随着黄土高原林草植被大幅改善和大规模梯田建成,加之坝库拦截,黄土高原入黄沙量锐减,从而使黄土高原现状产沙情势的认知成为近年关注的热点。目前,增大林草和梯田覆盖状况可减少或遏制侵蚀产沙的观点已被广泛认可,但其在流域层面上的减沙机制仍有待深入认识。本文以黄土丘陵沟壑区30条面积较小的流域作为样本,以场次降雨为分析对象,以场次降雨的面雨量、最大1 h降雨量和降雨侵蚀力为降雨指标,以场次降雨的产沙强度≥500 t/km2为流域产沙的判断标准,探讨了林草梯田覆盖程度变化与可致流域产沙的降雨阈值之间的响应关系。研究表明,无论地貌类型如何,随着流域林草梯田覆盖程度的增大,流域产沙的降雨阈值均明显增加,其中黄土丘陵第1—3副区的降雨阈值与林草梯田有效覆盖率之间呈正向的指数函数关系。在相同下垫面下,黄土丘陵第1—3副区的降雨阈值差别很小;或因植被主要分布在梁茆,或因河道产沙占比较大,因此,砒砂岩区、黄土残塬区和黄土丘陵第5副区更易产沙,其降雨阈值明显小于第1—3副区。本成果不仅为诠释林草梯田减沙的机制提供了科学支撑,而且也可为黄河水沙情势的评价和入黄沙量预报提供重要参考。     

近40 a河龙间西北片林草植被变化及其驱动力

1999年以来黄河河龙区间西北片入黄沙量减少约94%,分析植被变化及其驱动力对科学认识该区来沙锐减原因具有重要意义。利用遥感调查数据,分析了该区1978—2017年林草植被变化程度和变化过程,并对这一时段植被变化的主要驱动力进行了研究。结果表明:过去40 a该区植被一直处于不断改善的过程中,其中1998—2017年的贡献接近80%;2016年研究区林草地植被盖度平均达59.7%、区域林草覆盖率为48.8%,均约为1978年的3倍;2000年以前,人类对林草植被的破坏是该区林草覆盖状况恶化的决定性因素;近十几年来,人类对植被的破坏很小,降雨是影响林草植被状况的关键因素。     

吕二沟小流域水土保持措施对径流和侵蚀产沙的影响

以甘肃天水吕二沟流域22年实测水文泥沙数据为基础，从降水～侵蚀产沙、径流～产沙关系入手，统计分析了小流域水土保持措施对径流和侵蚀产沙的影响。结果表明：小流域径流和侵蚀产沙在年内的分布与降水的季节分配和植被生长发育期有关；径流和侵蚀产沙的年际变化是随流域水土保持措施全面实施和小流域林草植被面积的增加，流域径流量和侵蚀产沙量逐渐减少。从单次降水～径流、降水～侵蚀产沙关系曲线来看，小流域水土保持措施发挥着明显的减水、减沙效益，为流域的综合治理、水土资源的合理开发利用提供科学依据。     

黄河流域多沙粗沙区植被覆盖变化与减水减沙效益分析

通过遥感手段和数字流域模型,研究了黄河流域多沙粗沙区近10来年的植被覆盖变化及其减水减沙效益。研究表明,多沙粗沙区90年代末期与80年代末期相比,植被覆盖度增加区域大约占50%,植被覆盖度没变化区域约占48%。植被覆盖度的变化导致了流域水沙条件的变化,90年代末期植被覆盖条件下,植被措施的减水减沙百分比不高;不同的降雨过程,植被措施的减水减沙效益有一定的差别;从不同降雨过程多年平均看,近10来年植被措施年均减水2.63亿m3,减沙1.13亿t,减水减沙比为2.75,即减1亿t沙的同时减水2.75亿m3,减水百分比为7.61,减沙百分比为10.56,减沙效益大于减水效益。     

黄土高原淤地坝的减沙作用及其时效性

在黄河近年来沙锐减的背景下,需要深入探究黄土高原淤地坝的减沙作用。本文基于实测数据分析了淤地坝拦沙与入黄泥沙减少量的关系、拦沙作用的时效性以及坝地的减蚀作用。研究结果表明,淤地坝拦沙量一般大于或等于相应的入黄泥沙减少量;流域的林草梯田覆盖率越大、地表土壤粒径越粗,淤地坝因拦沙所致的减沙量占其拦沙量的比例越小。淤地坝拦沙作用的时效性非常突出,拦沙库容淤满即基本失去拦沙能力。失去拦沙能力后,淤地坝仍可依靠拦沙所形成的坝地发挥减沙作用;如果流域的林草梯田覆盖状况较差,坝地减沙作用的"空间影响范围"可达自身面积的4倍。不过,随着流域的林草梯田覆盖率增大,单位面积坝地的实际减沙量会逐渐降低。     

陕西地区新农村排水系统设计探讨

结合我国农村地区现阶段排水系统的现状,以改善农村环境为目的,对新农村排水系统的设计提出了一些建议.以陕西地区为例,根据农村与城市在雨污水利用方面的不同之处,结合不同的地形及气候特点,考虑环境和经济双重因素,研究如何设计出一套新的排水系统,在新农村实现对雨水和污水的有效利用.     

洞庭湖蓄滞洪区安全建设与生态环境可持续发展

洞庭湖作为我国最重要的淡水湿地生态系统之一,生态资源十分丰富,同时频繁的洪涝灾害给洞庭湖的生态环境造成很大的不利影响。分析了洞庭湖区主要生态环境问题,研究了洞庭湖蓄滞洪区安全建设对生态环境的影响。蓄滞洪区的建设对环境的影响主要为建设期和运行期,建设期的影响表现在为局部性、短期性,运行期的影响主要表现为正面影响。并在分析研究的基础上初步提出了科学利用洪水资源,促进湖区生态环境可持续发展的措施和方法。     

白河堡水库灌区管理探讨

白河灌区是白河堡水库重要的配套枢纽工程,针对灌区实际情况,分析了灌区在管理中存在的问题,结合管理中的重点和难点,从观念、体制、机制等方面研究了今后工作的措施,为深化灌区管理,实现良性循环做了有益的探索.     

三峡工种施工区生活垃圾填埋场运行监测分析

通过对三峡工程施工生活垃圾处理场一年来的运行观察、监测和初步运行效果的分析，结果表明，该场未对环境造成污染，出水水质符合国家有关控制标准，并提出了下一步监测工作建议。     

三峡库区巫山客运港区黄土类土研究

巫山客运港水域建筑为桩基础的客运双缆车道，陆域主要建筑为客运大楼，地基土主要为黄土类土。介绍了该客运港区黄土类土的物质组成、结构特征和物理力学性能，分析了黄土类土的湿陷性与含水量及干重度的关系，论述了黄土类土对巫山港区复建工程的影响。勘测成果及分析表明，非自重湿陷黄土对载客缆车道的桩基础影响不大，但黄土类土的湿陷性对客运大楼等陆域建筑物地基有一定影响，可采用强夯法消除地基湿陷量。     

Water quality management in the Ruhr area

The Ruhr River is the major source of water supply for the North Rhine-Westphalian industrial district. To ensure drinking water supply from the river a system of reservoirs has been constructed for low flow augmentation. Five additional river impoundments have been built for the abatement of nonpoint pollution. The Ruhr River Association was established in 1913. Its first task was the reduction of coarse pollution by mechanical treatment plants. Activated sludge plants were introduced as early as 1926. Developments continued and presently tertiary treatment is performed by polishing lagoons on one-third of the Ruhrverband plants and a programme of storage and subsequent biological treatment of stormwater is underway. One important future task is nutrient removal from municipal wastewater by chemical precipitation and biological processes. Phosphorous concentrations in river water have to be diminished to fight eutrophication while nitrogen must be reduced because of drinking water considerations. Heavy metals have to be further controlled and organically attached halogens have to be diminished.     

基于图模型的流域上下游水质污染冲突研究

通过对决策者、策略、状态转移及不确定偏好信息的识别、分析和确定,建立了分析流域上下游水质污染冲突的图模型, 并对模型下第三方干预冲突的成功性进行了分析和预测。从4 种稳定性（Nash、GMR、SMR、SEQ）及其4种扩展形式（a,b,c,d）的定义出发,分别寻求简单偏好和不确定偏好下的均衡解,并对其进行对比分析。通过决策路径分析和现状分析直观地预测了整个冲突事态的演化路径,从而验证了模型的有效性,为决策者对整个冲突事态的掌控提供了决策依据。敏感性分析结果表明决策者的态度和偏好对冲突的解决至关重要。最后将图模型应用于太湖流域上下游水质污染冲突的实例研究中,其分析结果与实际冲突发展相吻合。     

内河航道服务区水域面积仿真分析

内河航道服务区水域面积是内河航道服务区规划设计的关键问题。考虑到船舶进入服务区和服务时间的随机性,提出了基于船舶交通流特性和服务特征的仿真模型,并将其用于分析服务区水域面积。以长三角地区典型航道服务区为例,基于AnyLogic平台进行仿真分析,结果表明,模型预测的服务区停泊船舶数量和水域面积与实际情况吻合。敏感性分析发现,服务区停泊船舶数量与航段上船舶流量、服务特征参数的均值成线性正比关系,与服务特征参数的概率分布类型关系很小。根据调查参数和回归分析,可将服务区水域面积简化为航段上船舶流量和船舶平均吨位的连续函数,有助于方便合理地估算服务区所需的水域面积。     

山丘区土地整理探讨

针对山丘区特殊的地形、水资源情况,对灌溉水源选择、渠道最优断面形式确定、河堤附近农田排水进行了初步探讨。结果表明,山丘区灌溉水源以降雨形成的两岸冲沟和蓄水池为水源较好;渠道断面宜采用宽深比在0.7-0.8之间的梯形或U形断面;河堤附近田块排水可在河堤与两岸冲沟相交处,河堤呈"八"字形沿冲沟上游加长至河堤堤顶等高程处,同时将河堤两旁的河滩地整理成田面坡度靠近河堤附近高,排水沟傍山布置并与两岸冲沟相连,河堤附近田块灌溉以蓄水池蓄水灌溉替代渠道从河道取水灌溉,保证河堤完整性。     

对袁惠渠灌区现代化改造的思考

袁惠渠灌区兴建于1957年,设计灌溉面积2.47万hm2,有效灌溉面积达到1.89万hm2,是江西省重要的商品粮基地之一,在保障粮食安全、生态环境保护、区域经济社会发展中具有重要的地位和作用.随着经济社会的快速发展以及不断满足人民日益增长的美好生活需要,袁惠渠灌区工程基础设施不够完善、灌溉用水效率及效益不高、信息化自动化建设管理落后等问题与节水型社会及生态文明建设要求不相适应.本文以正在开展的袁惠渠灌区续建配套与现代化改造规划编制工作为契机,介绍了袁惠渠灌区水利工程的发展及重要作用、灌区存在的短板及原因分析、现代化改造目标和任务,提出了对灌区现代化改造的几点建议.