岔巴沟流域植被变化特征及其对水沙的影响

基于30 m×30 m分辨率陆地卫星(Landsat)遥感数据分析1987—2018年岔巴沟流域植被覆盖度的时空演变特征并生成流域土壤面蚀等级图,分析其对流域产流产沙的影响。结果表明:岔巴沟流域植被覆盖度整体呈现快速增长趋势,从1987年的24.7%增加至2018年的53.1%;流域植被覆盖度构成发生很大转变,2002年以后中、高覆盖度区域比例大幅上升,增长主要集中在丘陵沟壑地区;随着植被覆盖度的增长,流域产流产沙呈现减少趋势,地表面蚀有所减少,植被对产沙影响大于对产流影响。     

岔巴沟流域降雨不同时间尺度的空间变异特征

基于黄土高原岔巴沟流域13个雨量站2004—2006年5 min降雨数据资料,分析了流域2 h、6 h、24 h、3 d、7 d、月和年(5—10月)等7个时间尺度的降雨量空间变异特征。结果表明:①以曹坪雨量站为代表的单站5—9月降雨量占全年的90%以上,其中7—8月以中雨和大雨、暴雨为主,降雨量占年降雨量的60%～80%。②不同时间尺度降雨量的空间变异程度不同,2、6、24 h最大降雨量的变异系数C_V分别为0.27～0.93、0.06～0.81、0.06～0.69,呈减小趋势;3 d到7 d尺度上C_V值并非一直减小;月降雨的C_V以6月最大,年(5—10月)降雨量的C_V为0.05～0.11。③暴雨中心在2004年、2005年分布在流域上游,2006年则移至下游。降雨量的空间变异性随着丰水年水汽运移强度增大及降雨量增大而减小,局地性降雨尤其是局地暴雨是引起空间不均匀性的主要原因。     

黄土丘陵沟壑区的岔巴沟流域次降雨侵蚀力的研究

降雨侵蚀力是反映由降雨引起土壤侵蚀的潜在能力,是土壤侵蚀模型的重要因子。降雨侵蚀力指标就黄土高原,不同的学者提出不同的指标。雨型对土壤侵蚀影响很大,根据降雨特性分为三种雨型,通过对黄土丘陵沟壑区岔巴沟流域降雨的最大时段雨强与能量的乘积EIt与土壤侵蚀模数直线回归,并对各个相关性系数r之间进行了显著性分析表明,研究区所有雨型条件下从rEI10到rEI60各rEIt之间没有显著性差异;短阵型雷暴雨(A型雨)rEI10与rEI30没有显著性差异但与rEI40有显著性差异,锋面夹雷暴雨(B型雨)其rEI10与rEI100中各rEIt都没有显著性差异。因此,认为黄土丘陵沟壑区的降雨侵蚀力指标EI10到EI30各EIt都可以采用,并且可以被相应简易因子PIt替代。     

岔巴沟流域土壤抗蚀能力分析

针对土壤因素在流域产流产沙中的作用,借助35技术,利用抗蚀性指数模型计算了岔巴沟流域各土种的抗蚀力值,并绘制了土壤侵蚀分类图和综合因子下的土壤侵蚀分级图。结果表明:岔巴沟流域土壤侵蚀趋势与以人类活动为主的影响因素呈相关分布;土壤类型的侵蚀分异为西北部及东南部最强,东北部最弱。     

地形地貌对岔巴沟流域下垫面抗蚀力影响分析

以岔巴沟流域地形地貌资料为基础,系统分析了地形地貌各因子对流域下垫面抗蚀力的影响,选取坡度、坡长、沟壑密度、地形起伏度、地貌部位作为评价因子,并在GIS技术支持下,采用层次分析法,建立了地形地貌对岔巴沟流域下垫面抗蚀力影响的指标体系,对比分析了岔巴沟流域不同时段的下垫面抗蚀力。结果表明:该流域下垫面抗蚀力的变化十分明显,主要表现在抗蚀力级别为强和极强的区域面积显著减少。     

流域侵蚀产沙模型述评

实践证明，在分析流域侵蚀产沙和预测发展趋势的研究中，选择一种既有理论依据，又能反映客观实际的计算方法是极其重要的，它不仅决定着计算结果的精度和计算成果的可信度，更重要的是直接关系到流域治理的发展方向。在众多类模型中，物理成因模型概念清楚，意义明确，应用方便，适应性强，是目前比较先进的模拟方法之一。鉴于土壤侵蚀产沙过程及环境因素的复杂性，该类模型也有需经改进的若干问题。     

岔巴沟流域数字水文模型研制与应用

结合无定河水系的岔巴沟流域的气候、植被以及下垫面条件等,重点探讨了流域产汇流模拟问题。在流域产流机制方面,采用的是超渗产流模式,在每一网格单元上建立数字产流模型;在流域汇流方面,由DEM(数字高程模型)所提取的水流路径和水流路径坡度等信息确定汇流参数,采用等流时线法考虑汇流的滞后效应,应用线性水库法考虑汇流的坦化过程;最后,将数字产流模型和数字汇流模型有机结合,建立了数字水文模型,使用该数字水文模型对岔巴沟流域进行了径流模拟,取得了较为满意的结果。     

基于典型次洪泥沙动力学过程的岔巴沟流域水沙关系分析

为准确把握岔巴沟流域径流泥沙变化趋势并分析其原因,以岔巴沟流域1970—2016年98场洪水输沙过程为研究对象,通过分析不同年代次洪输沙量,阐明了次洪水输沙动力学过程。结果表明:岔巴沟流域近50 a来次洪输沙滞回曲线模式主要表现为顺时针型、逆时针型、8字型、复杂型4种,4种模式中逆时针型所占比例和次洪输沙量最大,顺时针型所占比例最小,但平均洪峰流量和平均输沙峰值最高,复杂型洪水平均持续时间最长。不同年代次洪输沙频率表现为1980—1989年间洪水输沙滞回曲线以逆时针型为主,其次为复杂型洪水,2006年以来逆时针型和复杂型洪水数量大幅减少,8字型洪水数量增多; 出现这种现象可能是由于岔巴沟流域自20世纪70年代以来开展小流域综合治理,各种水土保持措施在1970—1989年间产生较强的作用,但2000年后,由于长期使用后产生淤满和损坏等状况,效力逐渐降低,对岔巴沟流域整体的水沙输移模式产生影响。     

我国流域侵蚀产沙的地带性特征初探

本文从分析不同自然带影响侵蚀产沙的各项地带性因子的组合关系入手，从宏观上对我国流域侵蚀产沙的地带性分布特征进行了研究，得到了我国流域产沙模数随纬度和经度变化的曲线，并对其形成机理进行了解释．     

黄土高原重力侵蚀产沙研究进展

重力侵蚀在黄土高原土壤侵蚀中占很大比例.介绍了黄土高原地区重力侵蚀产沙的现状,指出重力侵蚀主要受黄土的岩性、土坡结构等内部条件和降雨、温度变化等外部条件影响,提出应加强重力侵蚀机理方面的基础研究,对重力侵蚀进行系统观测,并重视小型重力侵蚀的监测和研究.     

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%。     

黄土高原现状产沙情势评价

在黄河来沙锐减背景下,厘清现状黄土高原在不同降雨情景的年均产沙量,对客观认识黄河未来水沙情势具有十分重要的意义。本文分析了过去60年黄土高原汛期径流及含沙量变化特点,认为该区2010年以来的下垫面可作为现状产沙情势评价的代表下垫面。采用理论推算和实际产沙能力分析等两种方法,计算了黄土高原现状下垫面在4种降雨情景下的年均产沙量。结果表明,如果汛期降雨较1956—2019年均值偏丰0～17.3%,2010—2019年下垫面的年均产沙量为3.9亿t/a～5亿t/a;若基于2018年以来的下垫面,其年均产沙量为3.6亿t/a～4.5亿t/a;受坝库工程拦截影响,可输送至潼关断面的沙量更少。分析了黄土高原植被和梯田的发展趋势,并考虑流域产沙指数与植被梯田覆盖状况的响应规律,认为该区产沙能力进一步降低的潜力很小。事实上,由于年降雨量450 mm以下地区的新生植被抵御恶劣气候和人类干扰的能力较低,黄土高原产沙量存在反弹至5亿t/a～8亿t/a的风险。     

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。     

北洛河流域水沙变化对降雨和土地利用的响应

研究流域水沙变化对降雨和土地利用变化的响应机理,对流域土地利用规划决策及水土保持措施优化配置具有重要意义。本文以黄土高原北洛河流域为研究对象,采用Pettitt突变检验、双累积曲线等方法,定量分析了流域近60年降雨、径流和输沙的演变规律及土地利用变化特征,探讨了流域降雨和土地利用变化对流域水沙的影响。结果表明:1960—2016年间,北洛河流域降雨随时间变化总体趋势不显著,而径流量和输沙量随时间变化表现为明显的下降趋势,下降幅度分别为31.4%和83.5%,输沙量减少趋势尤为显著;研究时段内,北洛河流域以林地、草地和耕地为景观基质,耕地、草地向林地转化是基本特征;人类活动影响下的土地利用变化是造成径流泥沙量减少的主要原因,其对径流输沙量减少贡献率分别为76.9%和96.6%,降雨变化影响贡献率分别为23.1%和3.4%。研究结果为深刻认识黄河水沙动态变化提供依据,对未来水土保持措施优化配置提供决策支撑。     

不同沙源条件下地区前期降雨与小流域产沙关系的对比研究

为认识在不同沙源条件下前期降雨对小流域产沙的贡献和作用，本文利用不同沙源条件下两个典型小流域(山西砖窑沟流域和云南蒋家沟流域)以及一组篱笆减少侵蚀试验的降雨和产沙资料，选取产期降雨、过程降雨、产沙历时以及雨强因子，运用主成分分析法，进行对比研究，并分析了其机理。结果表明，在符合主成分选取条件下，对砖窑沟渐变型产沙，前期降雨仅是第二主成分的主要贡献者，与降雨性质相比，起次要作用；但对蒋家沟突变型产沙，前期降雨是第一主成分的主要贡献者之一，起首要作用。     

坡沟系统侵蚀产沙及其耦合关系研究

利用变坡度坡沟系统模型和人工模拟降雨试验,定量研究了不同降雨强度下的坡沟系统产流产沙过程,揭示了坡面沟道侵蚀产沙耦合特征。结果表明:坡沟系统累积径流量和累积产沙量与降雨时间呈显著的幂函数关系,随着降雨时间的增大而增大。梁峁坡面来水径流量与沟坡净侵蚀量之间呈幂函数关系,梁峁坡面来水含沙量与沟坡净侵蚀量之间呈反线性相关。从水力学角度对坡沟系统单位水流功率与单宽输沙率的关系进行了分析,得出试验条件下的临界单位水流功率值为0.0043m/s,输沙率随单位水流功率的增大而增大。     

黄土高原南部坡耕地土壤氮素径流损失特征研究

研究了降雨产流过程中径流和泥沙中N素的含量变化特征,次降雨产流过程中径流中的全N和水解N的含量与产流过程“相似”,也会出现一个峰值,产流初期全N和水解N的含量低,随着产流量的增加,它们的含量会出现一个峰值,尔后其含量降低;径流中的全N和水解N的含量随着坡耕地坡度的增加其含量均呈下降趋势。侵蚀泥沙中的全N和水解N的含量分别高于土壤表层中的全N和水解N的含量,产生所谓的“富集”现象;随着坡耕地的坡度的增加,侵蚀泥沙中的全N含量亦呈下降趋势。依据侵蚀泥沙中的N素含量估算得出黄土高原南部100.82万hm2的坡耕地年均损失N素2.31万t。     

黄土高原重点流域河网分形特征研究

分形理论为流域地貌形态特征的定量描述开辟了新的思路。本文采用盒维数计算原理和方法,计算黄土高原20条重点流域的河网分维值,探讨其分维值与流域面积、径流模数、产沙模数的相关关系,结果表明:黄土高原地貌形态在其无标度区间内表现出很好的分形特征,根据计算出的各流域分维值发现,黄土高原大多数流域可能处于侵蚀发育的幼年期;流域干流长度与流域面积的幂函数关系式拟合较好,符合Hack提出的主河道长度与流域面积的关系;径流模数与河网分维存在很好的线性关系,其相关系数通过了显著性水平为0.01的检验;河网分维与流域面积、产沙模数都呈正相关性,但难以用某一种简单函数描述。最后通过多元回归分析,建立了产沙模数模型,验证结果表明,该模型具有较高精度,可以对流域产沙模数进行估算。