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。     

基于尺度分析的流域土壤侵蚀评估进展与探讨

在分析国内外有关研究成果的基础上，认为解决土壤侵蚀尺度推演问题，需要从尺度转换的角度出发，按照空间、时间和主导过程的差异，将土壤侵蚀细分为典型的几个尺度；按照典型性、代表性以及可尺度转换性分析并提出不同尺度上研究区域和表征指标的选择准则。基于这些准则，引入“3S”技术，对土壤侵蚀定量评估和不同尺度土壤侵蚀研究结果的推演和比较具有现实意义。     

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。     

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。     

农业节水灌溉尺度分析方法研究进展

在阐述节水灌溉尺度效应内涵和尺度效应存在原因的基础上,从数据获取途径、节水尺度效应描述方法和节水尺度转换方法等3个方面当前的发展进行了评述,并探讨了节水尺度分析方法的主要发展趋势。现有研究成果表明,试验监测、遥感和GIS技术是数据获取、分析的主要途径;不同尺度试验方法和数值模拟方法在一定程度上描述了水均衡要素的尺度效应以及作物与水、肥的响应关系;而分形理论、地质统计学和小波分析等非线性理论在尺度转换方面也有一些研究工作。针对目前研究情况,指出了大尺度上水循环描述和不同尺度间水均衡变量尺度转换等尺度分析方面的研究,是重点发展方向和主要研究内容。     

侵蚀产沙模型研究进展和GIS应用

近年来随着地理信息系统 (GIS)技术的发展 ,侵蚀产沙模型与GIS的结合成为必然 ;作者阐述了近年来国际上流行的基于GIS的侵蚀产沙模型 :RUSLE、WEPP、ANSWERS等模型的主要内容、特点及适用范围 ,并对我国以陡坡为代表基于GIS的侵蚀产沙模型进行了介绍和评述 ;提出了目前侵蚀产沙模拟研究中存在的主要问题 ,并对基于GIS的侵蚀产沙模型的研究工作进行了展望。能反映侵蚀产沙时空过程的、基于GIS的分布式侵蚀产沙模型成为研究的重点     

径流侵蚀功率理论在不同尺度坡面侵蚀产沙中的应用

基于次暴雨洪水过程中径流深、洪峰流量模数2个的重要水文特征参数,提出了用以描述坡面次暴雨水蚀动力的径流侵蚀功率的概念,并以岔巴沟流域团山沟不同空间尺度径流场历年实测次暴雨径流泥沙资料为基础,分析了径流侵蚀功率与坡面径流场次暴雨侵蚀模数之间的相关性,提出了适用于坡面次暴雨侵蚀产沙计算的基于径流侵蚀功率的坡面次暴雨水沙响应关系.研究结果表明:径流侵蚀功率与坡面次暴雨侵蚀模数之间存在极显著的幂函数相关关系,径流侵蚀功率可以较好地表征坡面次暴雨水力侵蚀动力.本研究成果可为黄土高原坡面次暴雨侵蚀产沙模型侵蚀动力因子的确定提供参考.     

黄土坡面侵蚀产沙沿程变化的模拟试验研究

坡面侵蚀产沙的沿程分布规律研究是认识土壤侵蚀规律，进行有效水土保持的理论基础。为了揭示坡面侵蚀产沙的铅程分布规律以及不同坡长下细沟的发育规律。我们进行了不同坡长（2.5,5,7.5,10m)和不同雨强（0.72,1.16,1.4,2.0,2.4mm/min)的室内模拟降雨实验。结果表明，在实验条件下，黄土坡面侵蚀产沙从坡顶向下依次增大，但在不同雨强条件下变化趋势有所差异。当雨强小于2mm/min时，坡面侵蚀在5-7.5m坡段急剧增加；雨强大于2mm/min时，发生急剧变化的坡段上移至2.5/5m。上方来水是影响坡面侵蚀产沙的重要原因。短坡条件下，坡面侵蚀量与上方来水量成直线关系。细沟密度是描述细沟发育程度较好的指标。其大小随雨强以及坡长呈线性增加。     

我国侵蚀产沙数学模型研究评述与展望

随着人们对流域水土保持治理和生态建设的日益重视,土壤侵蚀产沙数学模型作为土壤流失评价预测和流域管理的重要手段之一,已成为水土保持、生态保护与建设、流域管理等领域的研究热点.本文对我国土壤侵蚀产沙数学模型研究成果及进展作了综述,重点介绍近年关于土壤侵蚀产沙模型的理论、方法与应用研究成果,对存在的问题进行了初步思考,展望了土壤侵蚀产沙数学模型研究趋势,提出了土壤侵蚀产沙模型研发中需进一步研究的基础理论和关键技术,包括土壤侵蚀过程与机理,经验模型指标体系,不同区域尺度的土壤侵蚀产沙数学模型设计和开发,土壤侵蚀模拟尺度转换关键技术,现代信息技术应用和水土流失试验观测方法的改进等相关科学与技术问题.     

坡沟侵蚀水沙搭配关系的阶段性特征研究

坡沟系统是侵蚀产沙规律研究和水土保持生态治理的基本单元,研究坡沟系统侵蚀水沙搭配关系的时段特征,对于因地制宜适时布设水土保持措施具有重要意义。采取人工降雨模拟试验方法,分析了3种不同雨强下坡沟系统土壤侵蚀的产流产沙过程和侵蚀过程中水沙搭配关系的阶段性特征。结果表明:一定的下垫面条件下,在坡沟系统土壤侵蚀过程中存在雨强临界点,小于临界雨强时,产流产沙量随雨强的增大而急剧增大,雨强越大,侵蚀发育阶段进展越快,超过临界雨强时产流产沙量随雨强的增大和侵蚀发育的演进均有所减弱;雨量和雨强均为影响侵蚀产沙过程的重要因素,试验条件下,雨强对产流速率和产沙速率的作用系数分别是累计降雨量对其作用系数的2.1倍和2.2倍,说明雨强对产流产沙的影响更大;准浅沟侵蚀阶段的坡沟侵蚀水沙搭配关系明显不同于面蚀和细沟侵蚀阶段,同一径流量下,准浅沟侵蚀阶段的产沙量明显增大。     

紫色土区小流域泥沙输出过程对雨型和空间尺度的响应

以紫色土区3个具有不同集水面积、物理特征和土地利用方式的小流域为研究对象，在1999～2000年间对流域野外自然降雨下泥沙输出过程进行了监测，旨在从小流域尺度阐明径流含沙量过程特征及其空间约束效应。结果表明：天然降雨侵蚀过程中流域径流含沙量时间曲线表现为波浪起伏形、幂函数递减形和抛物线复合形3种类型；峰值径流流量后，含沙量降低，表现为变化幅度小的低含沙量特征。泥沙输出过程对流域空间尺度的响应受降雨型式的强烈影响。均匀型降雨侵蚀下，径流含沙量时间曲线表现为低含沙量的波浪起伏形，并且，随流域面积的增加，次降雨平均含沙量增加；间歇型降雨侵蚀下，随流域面积的增加，径流含沙量曲线从抛物线复合形向幂函数递减形过渡；中大型降雨侵蚀下，径流含沙量时间曲线表现为幂函数递减形，泥沙输出过程对流域空间尺度的响应不敏感。     

示踪技术在流域泥沙研究中的应用

介绍并评价了流域产沙的估算及流域泥沙来源的确定方法。分别突出了核素示踪技术与现代地球化学方法在流域沙帐，现代河流悬浮泥沙及历史泥沙来源的确定等方面的优势，百年来流域泥沙来源的历史信息可以通过核素示踪技术与组合指纹法的结合重现，这为研究百年来侵蚀环境变化及其与土壤侵蚀，泥沙产量变化之间的关系提供了基础。可以进一步解释历史沉积泥沙中所包含的环境信息。为环境治理措施的选择提供依据。     

Modelling Watershed Scale Soil Loss Prediction and Sediment Yield Estimation

Computer simulation models are becoming increasingly popular in predicting soil loss for various land use and management practices. A GIS-based system, GeoUSLE, was developed in this study for soil loss prediction and sediment yield estimation in the watershed scale. The Universal Soil Loss Equation (USLE) and watershed analysis models are incorporated in the system. The required watershed information and USLE factors are derived from digital elevation models (DEMs) and remote sensing data. The GIS-based system can flexibly delineate drainage networks and watersheds and rapidly query the sediment yield at any point or watershed outlet via the point-and-click interface. The study presents an example application of the system to an agricultural reservoir watershed in central Taiwan. The estimated result shows that the developed system scales up USLE applications from the slope to the watershed, which can be used to assess the erosion hot spots in a watershed for the management decision making.     

Digital Yellow River Model

Soil erosion is one of the key concerns in land use management for the Loess Plateau of the Yellow River, where serious soil loss is the root cause of environmental and ecological degradation of the basin. In this paper, a physically-based, distributed-parameter, and continuous erosion prediction model at the river basin scale was developed with the aim of assisting in developing better land use management strategies. The framework, the major supporting techniques, and the typical erosion processes are described. The physical processes of sediment yield and transport in the Loess Plateau are divided into three sub-processes, including the runoff and sediment yield on hillslopes, gravitational erosion in gullies, and hyperconcentrated flow routing in channels. For each sub-process, a physically-based simulation model was developed and embedded into the whole model system. The model system was applied to simulate the runoff and sediment yield in several typical years in the coarse sediment source area of the Loess Plateau, and the simulated results were in reasonably good agreement with the measured values.     

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。     

新型水溶性聚氨酯对紫色土坡面产流产沙的影响

为探索新型水溶性聚氨酯防治紫色土坡面水土流失的效果,采用室内人工模拟降雨试验,分析了不同雨强条件下5%浓度的新型水溶性聚氨酯(W-OH)对紫色土坡面入渗、产流和侵蚀过程的影响。结果表明:紫色土坡面施加W-OH能显著提高土壤抗蚀性,从而减小坡面侵蚀产沙量;在42,72,112 mm/h 3种雨强试验条件下,施加W-OH组的坡面与对照组坡面相比,尽管坡面径流增大了12.40%~203.41%,但产沙量减小了89.40%~97.43%,沙输移率降低了86.67%~97.45%,且当雨强较大时(72,112 mm/h),施加W-OH组的土壤可蚀性降低率为96.80%~97.41%。研究结果为紫色土坡面防蚀提供了一定的理论依据及应用指导。     

黄土丘陵沟壑区坡面水保措施及植被对流域尺度水沙关系的影响

根据黄土高原高含沙水流的特点，认为次暴雨的产沙模数和径流深可用线性正比关系式来表示，关系式中比例系数表示流域单位径流深的输沙能力、次暴雨过程中流量超过临界值后的稳定含沙量以及流域历次洪水的平均含沙量。在此模型基础上，以黄土丘陵沟壑区的王家沟的两个毗邻地貌相似的两条沟为研究区，其中一条沟为经治理而另一条则未治理。探讨各种坡面水土保持措施及植被对流域水沙关系的影响。结果表明，治理流域和非治理流域具有相同的水沙关系，被治理沟的植被等坡面措施在流域尺度上仅通过减水来减沙。这主要是因为植被等坡面措施不能显著改变沟道的输沙能力，且由于植被不能很好地控制沟谷侵蚀和重力侵蚀，使得水流进入沟道后又会获取充足的泥沙补充，达到和治理前相同的径流输沙能力。因此可以认为，在仅有植被和其它坡面治理措施的情况下，治理流域的减沙率可用减水率来估计。本文的实际计算表明，在多年平均尺度、年际尺度和次暴雨尺度这一方法都有较好的精度。     

河龙区间近期人类活动减水减沙贡献率分析

分析了河龙区间1997—2006年人类活动对减水减沙的贡献率,探讨了不同流域减沙效益与流域面积的尺度关系。结果表明:①河龙区间近期坡面措施减水减沙贡献率分别为30.2%和54.5%,淤地坝减水减沙贡献率分别为18.0%和27.8%,水利措施减水减沙贡献率分别为46.3%和20.9%,人为新增水土流失减水减沙贡献率分别为-1.8%和-9.7%,封禁治理减水减沙贡献率分别为1.1%和2.2%。②河龙区间近期水利措施减水贡献率最大且不同年代变化不大,坡面措施减沙贡献率最大且上升趋势明显,淤地坝减水减沙贡献率下降趋势明显。水保措施减沙贡献率普遍大于减水贡献率。近期河龙区间水土保持减水减沙的措施主体和构成发生重大变化,林地减水减沙贡献率最大。③随着流域尺度的增大,河龙区间水利水保综合治理的减沙效益呈减小趋势。