黄土高原小流域分布式水蚀预报模型

本文基于黄土高原丘陵沟壑区小流域地形复杂、径流与侵蚀产沙具有明显垂直分带性的特点，以栅格DEM(Digital Elevation Model)为基础，提出由水文模块和侵蚀模块两部分组成的黄土高原小流域分布式水蚀预报模型。水文模块包括降雨、截留、微地形表面存储、入渗、地表径流和沟道流过程，采用运动波方程实现汇流演算；侵蚀模块考虑雨滴击溅分离、坡面薄层水流、细沟水流、浅沟水流和沟道流剥离与沉积等基本过程，运用泥沙物质平衡原理完成泥沙输移计算。应用模型对次降雨事件模拟的初步结果表明，模型对中度以上侵蚀性降雨事件的模拟精度在85％以上。     

岷江镇江关流域分布式水文及泥沙侵蚀模型研究

基于空间地理信息系统的流域分布式水文泥沙模型为研究流域产流产沙及在河道中的汇流、输移过程提供了,科学有效的手段.针对岷江上游镇江关流域土壤易受降雨侵蚀的问题,采用水沙耦合的流域分布式水文综合模型,对该流域1990年后典型年的径流及泥沙侵蚀输移过程进了数值模拟,并结合镇江关水文站的实测资料对模型进行了验证,计算成果令人满意.分析表明,近年来岷江上游地区的年径流和输沙量均呈现出下降的趋势,且后者下降速率更快,说明泥沙侵蚀输移与径流相比对流域环境变化的反应更为敏感,今后水土保持工作应注重坡面治理.     

黄土丘陵沟壑区沟道的水沙运动模拟

黄土高原支离破碎,沟壑纵横,是黄河流域的主要泥沙源区.为模拟与预测全流域的水沙运动过程,需要建立流域水沙运动模拟模型.为使模型的建立符合实际的物理图景,将流域分为坡面与沟道两大系统,在坡面上建立产流与侵蚀产沙模型,在沟道系统内建立水沙运动模型.根据沟道无实测断面资料的实际情况,本文改进了以扩散波方法为基础的水流演进模型,并在此基础上应用不平衡输沙理论计算泥沙输移,提供了黄土丘陵沟壑区沟道系统水沙运动模拟的一种模式.对于沟道水流挟沙力的计算,验证对比了常用于黄河干流的张红武公式和专为泥沙源区建立的费祥俊公式.最后,作为例子给出了方法在小流域中的应用.     

流域侵蚀产沙过程随尺度变化规律研究

寻求不同尺度下侵蚀产沙过程的变化规律和普遍规律,是进行尺度转换的基础。本文以岔巴沟流域及其团山沟径流场实测水文数据为基础,探讨了不同尺度下流域径流过程、侵蚀产沙过程、水沙关系随尺度的变化规律。通过对峁坡、全坡面、毛沟、支沟、干沟的径流和泥沙分析表明,全坡面将流域径流过程、侵蚀产沙过程、水沙关系有机的区分开为坡面和沟道两种类型的变化过程,而全坡面又对毛沟的径流和泥沙起主导作用。     

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。     

黄土地区流域产沙的数学模型

泥沙及污染物质在自然界搬运、输移,主要依靠运动水流冲刷、挟带来完成.在坡面上一场降雨以薄层漫流形式汇集到沟壑,其流量集中,单位水体侵蚀、挟沙能力迅速增大.本文为了描述象这样的黄土地区径流形成过程中两种不同形式,首先将流域分为面蚀区和重力侵蚀区,然后直接应用干旱地区流域水文模型计算的净雨过程覆盖在坡面面蚀区域上,建立了在坡面层状漫流过程中它所形成的泥沙层状剥蚀、推移质运动方程以及地表流汇集到沟壑河网后,穿过重力侵蚀区的沟蚀悬移质运动方程.本文在这里指出流域产沙主要是由这两种方式引起的. 最后结合岔巴沟流域产沙计算的例子,本文总结了流域下垫面因素对流域产沙量的影响.     

黄河数字流域模型

黄河数字流域模型是“数字黄河”的重要组成部分,可以理解为“数字流域 流域水沙、水质模型”。文中在数字流域模型框架下,以坡面为基本单元,建立具有多层结构的产流模型;在坡面产流的基础上,建立坡面产沙数学模型。进而以流域分级理论为依据,将坡面、小流域、区域、全流域四个层次的模型整合成一个完整的流域整体模型。文中提出了不同层次模型之间的联系途径和整合方法,探讨了模型框架、参数提取、模型计算原理方面的技术问题。应用建立的模型,给出了四个计算实例:黄河全流域水量计算、小花间汛期洪水模拟、多沙粗沙区产沙计算和岔巴沟淤地坝规划。实践表明:建立的模型基本具备了在黄河全流域进行降雨—径流模拟、侵蚀产沙计算和进行淤地坝规划的功能,辅以降雨预报模块则可进行洪水预报。     

复杂侵蚀环境下分布式土壤流失水动力学模型——以黄河多沙粗沙区为研究实例

以黄河多沙粗沙区为研究对象,基于实体模型试验对黄土坡面 沟道系统侵蚀产沙机理的认识,根据侵蚀动力学、水文学、泥沙运动力学的基本理论,以地理信息系统为平台,研发了复杂侵蚀环境下的分布式土壤流失水动力学模型;揭示了植被作用下坡面 - 沟道系统侵蚀产沙耦合规律;认识到坡沟产沙之间具有内在的自调控关系;提出了当量糙率的概念;建立了基于 GIS 的分布式土壤流失水动力学模型;构建了基于 ArcGIS 平台的支持系统,实现了 GIS 与土壤流失模型、产汇流模型与产输沙模型的紧密耦合。通过实例验证了模型对于中尺度流域土壤流失的模拟亦有较满意的精度。     

分布式非点源有毒污染物模型构建研究

在分布式水文模型ESSI基础上,以日为时间尺度,以DEM栅格单元为基本模拟单元,构建了区域尺度的长时期连续模拟的分布式非点源有毒污染物模型ESSI-2。该模型具有产流、汇流、产沙、汇沙、有毒污染物分解、输移及汇聚等完整的模拟功能。模型中根据降雨特征和下垫面特征之间的动态对比关系动态选取产流方式;同时采用RUSLE模型计算泥沙剥蚀量,并根据产沙量与径流泥沙输移能力的对比计算泥沙输出量。该模型充分描述了农药的降解、吸附、下渗、输移、汇聚等过程,可以对农药的输移过程和时空分布进行模拟分析。最后,以临沂流域为研究区,对模型进行了案例分析。计算结果表明,该模型适用于临沂流域,能够分析其土壤侵蚀及农药输移过程。     

流域侵蚀产沙平衡研究进展

介绍了国内外流域侵蚀产沙平衡研究的主要成果。分析了流域泥沙的主要来源及国内外泥沙来源的主要研究方法；介绍了侵蚀泥沙的坡面～河道运移过程、坡面～河道耦合关系的研究现状；提出了当前河道泥沙存蓄与输移研究的主要问题，并分析了该领域目前研究的现状；对比分析了目前流域侵蚀产沙平衡研究中几个主要模型的适用范围与优缺点；提出了我国未来流域侵蚀产沙平衡研究中应注重发展的主要问题。     

黄河中游分布式水沙耦合模型研究

针对黄河中游多沙粗沙区的产流产沙特点,在建立逐网格汇流的水文模型的基础上,构建了逐网格汇沙的土壤侵蚀模型,通过水文模型和土壤侵蚀模型有机耦合,实现了泥沙的产生和汇集的分布式计算。由于模型采用逐网格汇流汇沙的方式进行模拟,使得考虑上方来水来沙对产输沙的影响成为可能。根据研究区的特点,模型在土壤侵蚀过程的模拟中,对重力侵蚀的模拟进行了尝试。经黄河中游小理河流域实测资料验证,模型具有一定的计算精度。     

淮河上游流域土地利用变化对次暴雨产沙影响研究

土地利用变化既改变水文循环过程也改变产沙过程。本文以淮河上游大坡岭以上流域为研究区,基于1990s和2000s的土地利用资料和两个年代各10场暴雨对应的水文与气象资料,以0.5 h为时间步长,应用改进的水沙模型模拟流域暴雨产沙,分析土地利用变化对次暴雨-泥沙负荷关系的影响;基于两个年代获得的模型参数,模拟1990s十场暴雨的产沙过程,分析相同暴雨条件下土地利用模式变化对产沙的影响。结果表明:模拟结果满足精度要求;土地利用变化改变了降雨-泥沙负荷关系,1990s到2000s的土地利用变化减轻了流域水土流失,导致次暴雨产沙量、沙峰及侵蚀模数均减少。研究成果可为淮河流域水土治理提供科学依据,丰富并创新湿润半湿润地区水土流失模拟理论与方法。     

基于GIS黄土丘陵沟壑区分布式侵蚀产沙模型的构建——以蛇家沟小流域为例

分布式侵蚀产沙模型是土壤侵蚀模型的重要发展方向,本研究将蛇家沟流域下垫面划分为5 ×5m的栅格,每个栅格内赋予相应的高程、坡度、地貌、土地利用等属性信息.根据流域DEM,确定流域的汇流方向、流路与汇流累积面积.在蛇家沟流域内采用“穷举算法”对SCS-CN模型的参数值进行校正.基于DEM、地貌、土地利用以及降雨等资料,利用黄土丘陵沟壑区良好的水沙关系,运用VB.NET+ARC ENGINE9.2+ SQLSERVER2000构建分布式侵蚀产沙模型.模型结构简单,输入参数比较少,利用求产流来求产沙,考虑了土地利用、汇流等因素具有一定的物理意义,并能达到一定的预报精度.其中产沙模型是建立在黄土丘陵沟壑区普遍的水沙关系基础上,通过校正水沙关系式系数及产流模型中的CN、λ值可在其它相似的小流域内使用.该研究可为黄土丘陵沟壑区水土保持治理效果评价提供依据.     

流域植被对减缓土壤侵蚀作用的实验研究

根据河北省邢台市西部山区两个小流域实验站的水文泥沙监测资料,对不同流域在不同植被情况下,流域植被对减缓土壤侵蚀的作用进行分析,阐明流域植被对年输沙模数、地表径流含沙量以及次暴雨对输沙模数的影响等,结果表明,较好的流域植被对涵养水源、控制土壤侵蚀起重要作用。     

Finite Element Method and GIS Based Distributed Model for Soil Erosion and Sediment Yield in a Watershed

The objective of this study is to develop a soil erosion and sediment yield model based on the kinematic wave approximation using the finite element method, remote sensing and geographical information system (GIS) for calculating the soil erosion and sediment yield in a watershed. Detachment of soil particles by overland flow occurs when the shear stress at the surface overcomes the gravitational forces and cohesive forces on the particles. Deposition occurs when the sediment load is greater than the transport capacity. Beasley et al.’s (Trans ASAE 23:938–944, 1980) transport equations for laminar and turbulent flow conditions are used to calculate the transport capacity. The model is capable of handling distributed information about land use, slope, soil and Manning’s roughness. The model is applied to the Catsop watershed in the Netherlands and the Harsul watershed in India. Remotely sensed data has been used to extract land use/land cover map of the Harsul watershed, and other thematic maps are generated using the GIS. The simulated results for both calibration and validation events are compared with the observed data for the watersheds and found to be reasonable. Statistical evaluation of model performance has been carried out. Further, a sensitivity analysis has also been carried out to study the effect of variation in model parameter values on computed volume of sediment, peak sediment and the time to peak sediment. Sensitivity analysis has also been carried out for grid size variation and time step variation of the Catsop watershed. The proposed model is useful in predicting the hydrographs and sedigraphs in the agricultural watersheds.     

基于三级汇流和产输沙结构的分布式侵蚀产沙模型

黄土丘陵沟壑区面临严重的土壤侵蚀问题,是黄土高原主要产沙区域,针对该区域的土壤侵蚀产沙模拟一直是黄河泥沙研究的热点。尽管如此,已有侵蚀产沙模型对坡面、沟壑侵蚀环节刻画并不完善,沟壑侵蚀过程的忽视限制了模型在沟壑区侵蚀产沙模拟的精度。为此,本文考虑了沟壑侵蚀的特殊性,从分布式水循环模型(the Water and Energy Transfer Processes in Large River Basins,简称WEP-L)的"坡面-河道"二级产汇流结构中单独分离出沟壑环节,提出了"坡面-沟壑-河道"的三级汇流和产输沙结构,从而构建了基于WEP-L的分布式侵蚀产沙物理模型(WEP-SED)。将WEP-SED应用于无定河流域白家川水文站控制区,模型得到的白家川1956—2010年月均输沙率过程与实测过程接近。结果表明,WEP-SED可有效应用于黄土丘陵沟壑区的侵蚀产沙模拟研究。此外,模拟的白家川沟壑环节多年平均侵蚀量约占该区域总侵蚀量的49%,且94%的沟壑侵蚀集中于7—9月。模拟结果充分说明该区域沟壑侵蚀的严重性,细化沟壑侵蚀过程对于提高该区域侵蚀产沙模拟精度具有重要意义。     

昆明市松华坝水源区小流域土壤侵蚀分析

以1993-2009年松华坝水源区及昆明市的气象资料、2009年土地利用资料、第二次全国土壤普查资料、水源区牧羊河小流域的径流和泥沙观测资料为基础,用SWAT模型模拟分析了牧羊流域土壤侵蚀的空间差异。结果表明：牧羊河小流域输沙在年际上表现为与年降水量和输沙量峰谷变化具有较好的一致性,在年内表现出,输沙主要集中在6-9月;空间上牧羊河土壤侵蚀模数多年平均值介于21.4~4 586.5 t/(km²·a),且以中轻度为主,土壤侵蚀模数的空间变化与土地利用类型和地形坡度密切相关;土壤侵蚀模数与降水在年际变化上有较好的一致性。这一研究可为水源区土壤侵蚀空间分布的掌握和估算,以及制定有针对性的水土保持措施提供重要的理论依据。     

基于MIKE SHE模型的流域地下水水文响应

为研究在流域或盆地尺度上降雨入渗补给地下水水文响应的滞后效应,采用ArcGIS技术,并基于MIKE SHE软件数值分析的方法,建立了丹麦Skjern流域地表水-地下水耦合的分布式水文模型,运用观测值对该模型进行参数率定。通过观测值和模拟值对比,同时分析了Skjern流域气候条件和地下水埋深对地下水水文响应的影响,结果表明:丹麦属于温带海洋性气候,Skjern流域地下水补给集中在9—12月和1—3月;地下水位埋深为1m左右时,降雨入渗补给很快到达地下水面,地下水补给峰值的滞后时间很短,大约1～2 d;对于地下水位埋深在2～5 m之间的,滞后现象较为明显,峰值滞后4～5 d;对于地下水位埋深＞10 m的, 峰值滞后时间则很长。该模型模拟Skjern流域效果较好,模型对于Skjern流域具有一定的适用性和应用潜力。