黄河输沙量研究的几个关键问题与思考

近十几年黄河输沙量的突兀性减少是社会各界人士普遍未曾预料到的。黄河输沙量减少原因和未来趋势亟待研究,也需结合现状进一步提出新的适应策略。基于对黄土高原水土保持与黄河水沙变化等的长期研究,提出黄河输沙量研究需要关注的几个关键问题和认识:考虑到学科特点及发展水平,黄河输沙量以及人类活动对输沙量变化影响的研究"宜粗不宜细";黄河输沙量变化研究可以年代为时段开展对比分析,1979年之前可作为基准期;在流域及区域侵蚀产沙性降雨的相关研究中,宜把12 mm日降雨量作为临界侵蚀降雨量指标;加强淤地坝淤积记录反演研究,揭示土壤侵蚀强度变化,以解析坡面土壤侵蚀减少与沟道坝库工程拦蓄对黄河输沙量减少的贡献,明确当前黄土高原水土流失治理方向;强化黄河未来输沙量变化趋势及治理对策研究。     

坡耕地小区坡面不同坡段侵蚀泥沙贡献率的7Be示踪研究

侵蚀泥沙来源的研究对深化侵蚀规律的认识,优化水土保持措施的配置等有重要的意义。本文利用7Be示踪技术结合传统的土壤侵蚀研究方法,通过建立不同坡度的径流小区,分别探讨了坡耕地小区坡面不同坡段片蚀、细沟侵蚀对侵蚀泥沙的贡献率及小区泥沙输移比。研究发现,片蚀主要发生在小区坡面距坡顶0～2m区域,占总片蚀量的60%以上,细沟侵蚀主要发生在小区坡面距坡顶2～5m区域,占总细沟侵蚀总量的75%以上,总体而言,侵蚀泥沙主要来源于小区坡面距坡顶1～4m区域,上部和下部泥沙贡献相对较小。对于降雨强度高的15°小区,片蚀泥沙几乎来自与全坡面,坡面不同坡段对总侵蚀泥沙的贡献率从坡顶向坡脚呈增加趋势。利用7Be示踪计算出各小区泥沙输移比在0.643～0.979之内,除5°小区外,其它小区泥沙输移比都大于0.9。     

雨型对东北黑土区坡耕地土壤侵蚀影响的试验研究

降雨雨型对土壤侵蚀过程有重要的影响,也是当前土壤侵蚀研究的热点之一。通过野外原位人工模拟降雨试验,设计了次降雨中平均降雨强度、总降雨量相同的4种不同降雨雨型(均匀型:降雨强度为60mm/h;峰值型:降雨强度分布为30-90-60mm/h;延迟型:降雨强度分布为60-30-90mm/h;减弱型:降雨强度分布为90-60-30mm/h),研究降雨雨型变化对东北黑土区坡耕地土壤侵蚀的影响。结果表明:各雨型条件下休闲坡耕地径流总量的大小顺序为延迟型>减弱性>均匀型>峰值型,而土壤侵蚀总量的大小顺序为减弱型>均匀型>延迟型>峰值型。延迟型雨型的坡面径流总量是其它雨型的1.02~1.45倍,减弱型降雨的侵蚀总量分别是均匀型、延迟型和峰值型的1.03、1.36和2.68倍。同一雨强在不同降雨雨型中出现的位置不同,其产生的坡面径流量和侵蚀量对坡面总径流量、总侵蚀量的贡献率也不同,分布在降雨雨型起始位置的雨强对坡面径流量的贡献率最小;除30mm/h降雨强度外,分布在降雨雨型起始位置的雨强对坡面侵蚀的贡献率最大。研究还发现,试验设计中减弱型降雨雨型与东北黑土区夏季主要侵蚀雨型特点类似,是造成东北黑土区坡耕地土壤侵蚀相对严重的主要雨型。     

木材制备生物炭的孔结构分析

选取9种木材,采用干蒸裂解工艺制备生物炭材料,采用压汞法测定生物炭的孔体积、比表面积和孔径分布,并且对它们的孔隙结构进行对比研究。结果表明:由果木制备的生物炭的孔隙率最大,数值为53.13%,而桃木生物炭的孔隙率最小,数值为44.38%;通过分析生物炭材料在一定孔半径区间内的孔体积分布曲线和孔表面积分布曲线,得出了9种生物炭中小孔和微孔数量较多的为槐木和杏木,大孔和中孔数量较多的为桃木和桐木;聚类分析9种生物炭孔结构相似度发现,果木、柳木、槐木和杏木为微孔类,枸木和椿木为小孔类,柿木和桃木为中孔类,桐木为大孔类。     

工程堆积体土石质边坡径流特征及其产沙效应

工程堆积体边坡侵蚀产沙是生产建设项目区新增水土流失的主要来源之一。通过室内模拟降雨试验,以土质边坡为对照,研究了不同雨强(1. 0 mm/min、2. 5 mm/min)不同砾石质量含量(10%～30%)条件下风沙区工程堆积体土石质边坡径流强度与流速特征及其对产沙的影响。结果表明:(1)各雨强下径流强度随砾石含量增大先减后增,10%砾石含量堆积体边坡径流强度较土质边坡降低3. 3%～38. 6%,20%～30%砾石含量堆积体坡面径流强度较土质坡面增加7. 7%～94. 7%。(2)含砾石边坡流速较土质边坡降低0～45. 8%。1. 0～2. 0 mm/min雨强下,流速随砾石含量增大变化趋势与径流强度一致,而在2. 5 mm/min雨强下则持续减小。(3)土质边坡流速与径流强度关系可通过幂函数描述(P 0. 01),而砾石含量越高,雨强越大时,二者之间的关系转变为开口向下的二次函数形式(P 0. 01)。(4)次降雨产沙量与径流流速、径流强度及其二者交互项呈极显著线性相关关系,其中,流速可作为预测风沙区工程堆积体土石质边坡次降雨侵蚀产沙量的最优选指标。研究结果可为工程堆积体土石质边坡侵蚀产沙预测提供一定的参考。     

JC162对黄土坡面片蚀过程的影响研究

为探明天然高分子多肽衍生物JC162对黄土坡面片蚀过程的影响,通过室内人工模拟降雨试验,对土壤表面撒施不同剂量JC162条件下的黄土坡面片蚀产流产沙过程进行了研究,并探讨其合理施用量。结果表明:JC162可以延迟坡面径流的产生时间,其减流和减沙效应明显;在试验条件下,总径流量较裸土减少13%~73%,总产沙量较裸土减少42%~70%。JC162可显著提高土壤中粒径大于0.25 mm水稳性团聚体含量,施加量越大,团聚体含量越高,当施加量为3 g/m~2和5 g/m~2时,JC162对土壤团聚体的改善效果比较接近。试验条件下,JC162调控坡面片蚀过程的最佳施用量为3.8 g/m~2左右,既可以最大程度降低片蚀产沙总量,又对径流含沙量具有良好的控制效果。     

DEM和土地利用分辨率对SWAT水沙模拟效果的影响——以泾河流域为例

DEM和土地利用的数据精度影响水文模型的模拟效果。以泾河流域为对象,选取毛家河、杨家坪和张家山3个水文站作为控制站,分别利用9组不同分辨率的DEM和土地利用数据(分辨率范围均为30～3 000 m)构建了100个SWAT模型,探究输入数据精度对水沙模拟效果的影响,并采用TOPSIS理论方法对模型进行综合评价。研究表明：DEM分辨率会影响流域的边界和河网提取,且流域特征信息会随分辨率的降低而发生丢失;当DEM分辨率低于1 000 m时,需使用SWAT中的Burn in工具,才能完成流域边界与河网的准确提取;HRU的数量随DEM分辨率的下降而减少,而土地利用分辨率对HRU数量的影响不显著;当分辨率变化较大时,DEM对参数敏感性造成的影响要大于土地利用;在构建的毛家河、杨家坪和张家山3个站点的模型中,DEM和土地利用分辨率的最优组合分别为750和300 m、30和90 m以及150和3 000 m。该研究可为流域水沙模型构建与模拟精度提升提供方法与技术参考。     

2001—2017年黄土高原实际蒸散发的时空格局

为了给全面评估黄土高原地区大规模实施退耕还林还草的生态效应提供依据,基于NASA发布的空间分辨率为500 m的MOD16A2蒸散发数据产品,分析了黄土高原以及黄河中游典型流域2001—2017年实际蒸散发量时空变化特征。结果表明:黄土高原年均实际蒸散发量从西北向东南递增,多年平均季节蒸散发量空间分布格局与年平均蒸散发量分布格局基本一致,季节蒸散发量由大到小顺序为夏季>秋季>春季>冬季;实施退耕还林还草工程以来,黄土高原年均蒸散发量以8.23 mm/a的速率显著增加,多年平均蒸散发量为278.71 mm;黄河中游各典型支流2001—2017年蒸散发量均呈现增加的趋势,延河流域增速最大(为12.96 mm/a),皇甫川流域增速最小(为4.34 mm/a);不同流域实际蒸散发量差异较大,渭河干流年均蒸散发量最大(为388.26 mm),皇甫川流域年均蒸散发量最小(为153.71 mm)。     

我国主要水蚀区缓坡坡面水流挟沙力差异研究

我国主要水蚀区的土壤特性存在着较大的差异,这可能会导致坡面水流挟沙力的不同。然而,关于不同区域挟沙力特征的研究较为欠缺。在我国水蚀分区的基础上,以5个主要水蚀区典型土壤为研究对象,采用人工模拟定床放水试验,在不同坡度（3°～15°）和单宽流量(0.68×10^-3～5.40×10^-3 m²/s)下对所选土壤进行了坡面水流挟沙力测定。结果表明：西北黄土高原区黄绵土挟沙力最大,南方红壤丘陵区红壤挟沙力最小;黄绵土挟沙力对流量的变化最敏感,对坡度变化最为敏感的是红壤;不同的土壤类型对坡面水流挟沙力与流量以及坡度之间的关系会有影响。     

植被缓流效果试验研究

为深入研究植被减流减沙特征及对流域水土保持效益的影响,本文通过5个覆盖度,6个坡度和7个流量的组合条件下的室内放水试验,系统研究了植被对坡面水流的缓流特征。结果表明:随着植被覆盖度增加,植被对坡面水流的阻滞作用逐渐凸显,即缓流系数减小,缓流效果增强,当植被覆盖度大于4.650%时,缓流效果趋于稳定。在试验流量范围内,缓流系数随流量的增加呈现逐渐减少的趋势,而随坡度的增加略有增加。缓流系数随水深和雷诺数增加而减小,而与弗劳德数呈反C型分布。最后,建立了基于试验控制变量(植被覆盖度,流量和坡度)的缓流系数预测公式。