泥沙输移比问题的分析研究

泥沙输移比定义一直存在着不够准确清晰的缺点，对泥沙输移比概念及其影响因素进行了更深入的探讨是非常有必要的。首次在泥沙输移比公式中引入粒径、时段因子，利用量纲分析推求了不同区域的泥沙输移比公式。从理论上阐明泥沙输移比并不是单纯与整个流域面积成反比，而是与流域产沙面积成反比     

紫色土丘陵区小流域泥沙输移的分形特征及输移比模型

 综合分析了紫色土区小流域泥沙输移的特征。根据研究区库塘淤积资料及单元小流域地面侵蚀模数，计算了不同集雨面积小流域的泥沙输移比。应用分形理论的自相似原理，探讨了泥沙输移比与小流域集雨面积的关系，并得出泥沙输移比（SＤR）的统计模型，可用于估算紫色土丘陵区资料短缺小流域的输移比和产沙量。     

黄河流域泥沙输移比与流域尺度的关系研究

泥沙输移比是研究流域泥沙侵蚀与泥沙入河量关系的指标。通过对黄河、延河、杏子河、纸坊沟四级流域尺度上泥沙输移比的研究,分析了黄河流域泥沙输移比与流域尺度的关系。结果表明,杏子河流域泥沙输移比大于1,而黄河、延河、纸坊沟流域的泥沙输移比均小于1。在黄河、延河、杏子河三级流域中,流域泥沙输移比随流域尺度增大呈明显减小趋势,而杏子河与纸坊沟流域的泥沙输移比随流域尺度增大而增大。随着流域尺度增大,被侵蚀的泥沙在输移过程中沉积下来的概率增大,就可能出现泥沙输移比随流域尺度增大而减小的现象,但这种可能性能否转化成现实,还受制于流域其他因素的影响。     

泥沙输移比尺度依存及分形特征

泥沙输移比是连接流域地面侵蚀与河道输沙的纽带,是反映流域侵蚀产沙及输移能力的指标,对正确评价水土保持减沙效益与生态建设宏观决策有重要意义。本文基于对国内外泥沙输移比研究的系统梳理,探讨了流域泥沙输移比的尺度依存及分形特征。分析认为：泥沙输移比在其内涵中深刻体现了对尺度的标定;国内外不同区域内流域泥沙输移比具有尺度依存性,并有严格的尺度域;泥沙输移比可以由分形维数来定量描述,即由1km2左右的典型流域单元的泥沙输移比值和流域的分形维数来建立尺度上推或下推的测算模型。本研究结果明确了泥沙输移比研究不能割裂“尺度性”这一学术认知,并为泥沙输移比尺度效应及转换研究提供了新的思路。     

黄河流域泥沙输移比与流域面积的关系

流域泥沙输移比反映了流域与外界进行水沙交换的能力,对揭示流域水沙输送模式、水沙通量变化和评价流域水保措施效益具有重要意义。本文以黄河干流及其重点支流为研究对象,基于泥沙输移比的定义式,通过流域面积与侵蚀量和输沙量的关系,得到研究区域流域面积与泥沙输移比之间的关系式。研究结果表明:泥沙输移比随着流域面积增加迅速减小,并在流域面积为150 000km2左右时达到最小值0.183;随后,泥沙输移比随流域面积增加也缓慢增加,但不超过0.352。对泥沙输移比和流域面积的小波降噪分析也佐证了黄河流域的泥沙输移比随尺度变化存在一个临界尺度,这种变化趋势与一般认为泥沙输移比随流域面积增大而减小的观点并不完全吻合。研究结果可为流域水土保持和生态建设提供科学参考。     

坡面泥沙输移比时空分布式的构建与分析

坡面泥沙输移比分布式的构建是计算坡面输沙分布和吸附态非点源污染负荷分布的基础。在对已构建的坡面泥沙输移比式进行分析研究的基础上,鉴于降雨形成的地表径流是坡面泥沙输移的直接推动力,对现有的"流动连通性"指标进行改进,提出了"径流连通性"指标并以此构建坡面泥沙输移比时空分布式。将泥沙输移比式与修正的通用土壤流失方程结合,形成山地流域输沙模型。以三峡库区大宁河流域为例,通过对输沙量的模拟,对比分析了所构建的坡面泥沙输移比式的合理性。基于径流连通性指标的坡面泥沙输移比时空分布式,考虑了降雨产生的坡面泥沙输移比随时间的变化,更为合理、模拟精度更佳。     

泥沙输移矢量式及其应用

本文基于Parker等人泥沙输移矢量式的分析和研究，增加了上举力的作用，并考虑了泥沙颗粒受力非平衡条件，采用牛顿力学的矢量分析法，推导了泥沙输移的通用矢量式。经对公式简化，且用Ikeda和笔者试验资料的验证，证明计算值与试验值吻合较好。     

小流域治理措施对泥沙输移比的影响

以黄土丘陵沟壑区第一副区韭园沟小流域为对象,探讨了1953年以来水土保持治理措施对流域泥沙输移比的影响。结果表明:该流域土壤侵蚀、泥沙输移和沉积与治理措施有着极为密切的相关性。在天然下垫面条件下,韭园沟小流域的泥沙输移比接近1.00。经过50多年来规模性水土流失治理,泥沙输移比下降到0.27。该流域的泥沙侵蚀量减少、沉积和输移比的改变,在水土保持措施达到一定程度时才逐步显现出来,小流域泥沙输移比变化的影响因素中,流域内人为沉积汇(淤积)的作用明显大于坡面水土保持措施的效果。因此,现行生态环境建设中,在注重坡面治理措施合理配置的基础上,更要加强小流域沟道泥沙拦截工程的建设。     

川中丘陵区小流域泥沙输移比研究

本文对泥沙输移比的概念做了进一步讨论,通过对川中丘陵区塘库淤积资料分析,认为川中丘陵区小流域泥沙输移比跟面积密切相关;对于面积小于1km^2的小流域而言,其泥沙输移比均小于0．7,得出该区的归槽率为0．48。同时分清了归槽率、侵蚀量和泥沙输移比的关系。     

长江上游泥沙输移比初探

首先阐述泥沙输移比界定的三个条件一是粒级 ,二是时间 ,三是空间 ,在此基础上讨论了长江上游泥沙输移比研究中存在的主要问题是缺少可靠的侵蚀产沙量 ,对悬移质和推移质的分界线不明确 ,对坡面侵蚀产沙和重力侵蚀产沙在总输沙量中的权重缺少量的概念 ;针对上述问题对河道及沟道泥沙输移比的推理分析 ,再根据反映泥沙输移比的形态指标的定性分析 ,认为长江上游除丘陵宽谷区泥沙输移比会小于 0 .5外 ,高中山区长时段的泥沙输移比都接近 1(不包括泥石流在内的重力侵蚀 )。     

影响黄土丘陵区次降水泥沙输移比的水文要素

以桥沟小流域为研究对象,利用该流域不同地貌部位的野外径流场及沟道水文站网观测资料,计算了不同场次降水的泥沙输移比,较为系统地研究了影响桥沟流域次降水泥沙输移比的水文要素。结果表明:土壤前期含水量、流域的降水过程特征、洪峰流量、径流量、水流含沙量是影响次降水泥沙输移比的主要水文要素;提出了表示降水、径流、泥沙对泥沙输移比影响的表征参数,即降水峰现系数、径流侵蚀力和泥沙相对容重。     

北江清远河段推移质运动规律初步研究

采用理论分析、变坡水槽试验与实体模型试验相结合的研究方法,针对北江清远河段推移质泥沙特性及运动特性,进行了泥沙起动及输移的水槽试验,并对泥沙的起动与输移规律进行了初步研究。根据起动试验结果,得出了反映颗粒隐蔽和暴露作用的隐暴系数表达式;根据输移试验结果分析了推移质输沙率的特性,并通过与其它公式进行比较,得到适应于该河段的推移质输沙率公式。     

用泥沙输移公式推求黄河下游河道输沙水量

根据输沙水量的概念和黄河下游河道泥沙输移规律,分析了输沙水量与泥沙输移之间的关系,进而推求了黄河下游河道输沙水量实用公式,计算了下游河道输沙水量,分析了冲淤平衡状态时下游河道单位输沙水量与输沙量的关系.分析表明,推导出的输沙水量实用公式可用于估算下游河道年输沙水量.     

我国流域泥沙输移比研究进展

从研究内容和研究方法两个角度,详细阐述了我国在泥沙输移比研究中取得的主要成果,指出:①泥沙输移比的研究涉及到土壤侵蚀学、地貌学、地质学、生态学和环境学等多门学科,我国研究者所进行的泥沙输移比的研究还很不成熟,许多问题还处于定性描述或者推理性解释的阶段;②大部分泥沙输移比模型都是在几个特殊的区域利用20世纪60年代的观测资料建立起来的,针对目前流域内降水、下垫面状况均有改变的情况,需要应用新的观测资料,采取多种研究方法深入研究流域泥沙输移比的变化特征.     

三峡库区菱角塘小流域土壤侵蚀量和泥沙输移比研究

泥沙输移比对正确评价水土保持减沙效益具有重要意义。以三峡库区菱角塘小流域为研究对象,在应用~(137)Cs示踪技术测定塘库和谷地泥沙沉积量的基础上,计算了小流域1963-2013年土壤侵蚀量和泥沙输移比,并讨论了采用不同侵蚀量算法计算的小流域泥沙输移比差异特征。结果表明:菱角塘小流域塘库和谷地水稻田泥沙沉积量分别为1 835.75 t和3 781.80 t;基于本文的测定法、常用的插值法和模型法计算的小流域土壤侵蚀量分别为5 821.52 t、7 240.50 t和10 504.25 t;不同侵蚀量算法计算的菱角塘小流域泥沙输移比差异明显。应用本文提出的~(137)Cs测定塘库和谷地泥沙沉积量的测定法,计算的库区小流域土壤侵蚀量和泥沙输移比相对合理可靠,具有一定的参考价值。     

中国南方红壤丘陵区土壤侵蚀量与泥沙输移比研究

依据"层次类剔法"的研究思路,估算了赣江各水文站控制流域的年均侵蚀量与泥沙输移比。结果表明,赣江流域年均侵蚀量1923.0万t/a,平均侵蚀模数237.6t/km2·a;流域内中、低山地貌类型区泥沙输移比大于0.9,丘陵和平原区介于0.5~0.9之间,流域平均为0.54;且土壤侵蚀强度和泥沙输移比分别与流域面积没有规律性的趋势性关系。     

颗粒间相互作用对宽浅坡面流输移能力影响的试验观测

流域上游地区的土壤侵蚀及与其相关的泥沙运移是影响流域地表径流水质的重要过程，被侵蚀的泥沙大部分由坡面流输移，目前的泥沙输移关系都是从剪切力概念或河道能量概念引出的，而这些概念却都是仅仅基于流体力学的。泥沙的运移都单一地依赖于水流剪切力或能量的阈值条件，这一理论的前提是：①泥沙初始运移需要的最小剪切力或临界剪切力，或者最小、临界河道能量；②泥沙输移率和剪切力或河道能量与其临界值的差值密切相关。这些关系或许可以用来描述泥沙在河道中的输移，却不能反映出泥沙在宽浅坡面流中输移的微观机制或物理过程。流域的上游地区，在上临界弗如德数的水力条件下，坡面流含沙量的变化范围非常大。在宽浅坡面流的试验研究中，泥沙按照逐步控制方式添加到坡面流中，并且通过测量来确定颗粒速度与含沙量之问的关系。在不同的水力条件下，存在最大的泥沙输移率，对泥沙颗粒运移的观测表明：泥沙输移方式是跳跃式的，在这些条件下，水流状态受控于包含了很大部分动能的滚动波，因此滚动波是薄层流泥沙侵蚀及输移过程中的主要能量来源。     

长江流域产沙分布及输沙沿程变化特性

应用长江流域水土流失遥感调查资料和干支流主要泥沙控制站的实测泥沙资料,分析了长江流域的产沙区分布、产沙的影响因素,含沙量和输沙量的时空变化,沿程泥沙粒径变化,输移比等输沙特性和规律及入海泥沙量,重点分析了长江中下游河道和洞庭湖、鄱阳湖冲淤变化特点,揭示了长江流域干流、主要支流与湖泊泥沙输移淤积特性.     

应用输沙量推演流域侵蚀量的方法探讨

鉴于至今还没有一个有效获取流域侵蚀产沙量的方法,在分析悬移质泥沙与侵蚀泥沙之间的数量与粒配关系的基础上,阐述了应用输沙量推演流域侵蚀量在理论上的可能性,但却存在着难点,且主要表现在水文站数量不足与区域分布不均、流域内的生态环境复杂与区域差异大、水文站输沙量观测记录起始时间不同步、及新技术应用存在时空条件的局限性。结合与侵蚀产沙和泥沙输移比相关的定性与定量指标,提出了应用输沙量推演流域侵蚀量的方法,即"层次类剔法",来计算与评估流域侵蚀量和泥沙输移比,具体的操作过程是首先制作一幅流域地貌类型地块图,然后是逐类型、逐类型地块的侵蚀量计算和沟道流域泥沙输移比的判断,最终获取流域不同地块的侵蚀强度和流域泥沙输移比。本研究结果可为水土流失监测点的选择提供科学依据,同时对解决流域的泥沙问题也有重要的启迪作用。     

黄河下游河槽泥沙扬动与输移特性

本文利用大量水文资料,在前人研究的基础上,分析研究了黄河下游河槽泥沙扬动与输移特性。首先根据水文测验尤其是泥沙级配实测资料,间接分析各家公式的合理性,从而选择出物理概念清晰、符合黄河下游实际的扬动流速计算公式。对于粒径较小的泥沙,沙玉清、窦国仁等现有扬动流速计算公式都适用于黄河;随着泥沙粒径增加,几家公式差异变大,张罗号和罗诗琦公式同实测资料更为符合。在此基础上分析了黄河下游河槽不同粒径泥沙的扬动特性,认为“粗颗粒”泥沙在黄河下游河槽中水流量下亦能扬动。然后,选取黄河下游花园口、高村和利津站为下游代表水文站,采用汛期非漫滩情况下的实测数据,分别绘制了三站流量与泥沙以悬移形式运动的百分比关系图。引入扬动临界流量的概念后,各站泥沙输移特性变化规律基本遵循统一表达形式。进一步定量分析了各水文站泥沙输移特性,给出了扬动临界流量、扬动概率系数、输沙指数同泥沙粒径等因子的关系式,从而建立了泥沙以悬移形式运动的百分比与水沙因子的计算公式。结合未来30年内年均沙量减小的预测结果进行计算,表明黄河下游汛期日平均流量只要大于971 m³s,悬移质泥沙组成中的粗颗粒能保持悬移运动状态,同时表明加大流量是直接提升水流输沙能力的有效手段。