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。     

黄土丘陵沟壑区水平梯田减沙作用研究

黄土高原水平梯田的减沙作用很可能一直被低估。本文分析了梯田对坡沟产水产沙的调控机制,认为水平梯田不仅可大幅减少自身产沙量,而且还可截留上方来沙,并通过减少坡面径流下沟实现沟谷减沙;有埂水平梯田对流域的减沙潜力可达65%~90%。基于黄土丘陵沟壑区第三和第五副区不同时期的实测数据,分析了多年平均降雨情况下不同规模水平梯田对流域的减沙作用;引入梯田比和减沙幅度的概念,构建了不同规模水平梯田与减沙幅度的关系式,可用于大空间尺度上水平梯田减沙作用的定量评价。分析认为,在梯田比5%~30%范围内,梯田比几乎与减沙幅度成正比;当梯田比大于35%~40%后,其减沙作用基本稳定在90%左右。水平梯田对洪水含沙量的削减作用不明显,对雨强的产沙响应不敏感。     

基于地块间水沙运移的黄土丘陵沟壑区小流域侵蚀产沙模型

根据黄土丘陵沟壑区的侵蚀产沙规律，在晋西羊道沟小流域建立了坡面、沟坡和沟道侵蚀产沙子模型；在GIS的支持下计算出小流域地块间水沙汇流网络，并引入到小流域侵蚀产沙模型中，使小流域侵蚀产沙成为有机结合；模型对羊道沟22次侵蚀性降雨的侵蚀模数具有78．4％的预报精度，对羊道沟1956－1970的年侵蚀模数具有76．1％的预报精度；模型并通过了晋西汾河上游两个小流域的可移植性检验。     

黄土丘陵沟壑区水土保持措施蓄水拦沙指标体系探讨

根据归纳出的建立蓄水拦沙指标体系的基本思路和原则,结合黄土丘陵沟壑区第一、二副区的自然环境要素和社会经济情况,分别建立了丘一区和丘二区水土保持措施的蓄水拦沙指标体系,其中淤地坝的拦泥指标与坝地面积建立了指数函数关系。将所建蓄水拦沙指标体系应用于属于丘一区的三川河流域,计算结果表明,20世纪70年代以来三川河流域水土保持措施蓄水拦沙效益较为显著,尤其是80年代和90年代,其拦沙效益和蓄水效益大幅度提高,这与水土保持措施工程量的增长幅度基本一致,与实际情况比较接近。但所建指标体系的适用性还需作进一步的检验。     

黄土丘陵沟壑区大空间尺度林草植被减沙计算方法研究

依靠20世纪后期遥感影像数据、过去近60a的实测水文和气象数据、黄河水沙变化现有研究成果等,引入产沙系数和基于遥感影像的林草植被覆盖率概念,提出基于遥感数据、可支持大空间尺度计算的黄土丘陵区林草植被减沙量评价模型,并给出模型应用中几个关键问题的处理方法。分析认为,在林草植被覆盖率小于35%~40%的范围内,改善林草的减沙效果非常明显;林草植被覆盖率达60%以后减沙效果趋于稳定,雨强对产沙的影响权重亦不再明显。     

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.     

黄河中游粗泥沙集中来源区产沙规律综述

在前人研究的基础上分析总结了该区特有的暴雨洪水产沙规律：暴雨是侵蚀产沙的主要动力,暴雨、洪水、泥沙之间存在着必然的关系;洪水发生时间集中,峰高量大,暴涨暴落,对黄河中游大洪峰的形成具有决定性影响;侵蚀产沙强烈而粗泥沙集中,输沙能力强,洪水含沙量高,是黄河粗泥沙的集中来源地;河龙区间特别是粗泥沙集中来源区频繁或连续的暴雨洪水对黄河输沙有重要影响;随着治理水平的提高,区域洪水有减小趋势,但泥沙量变化不明显,大部分支流的洪峰流量、洪水含水量反应不敏感,说明一般规模和水平的治理工程还不能有效控制区域大洪水特别是特大洪水的泥沙。     

黄土丘陵沟壑区林草变化对流域产沙影响的规律及阈值

围绕植被变化与土壤侵蚀的关系,已有海量研究成果,但提出的植被盖度～土壤侵蚀量响应规律多是基于坡面小区上的观测成果,反映的是植被变化在"本地"的水沙响应,不能反映植被变化对小区下游的坡面、沟谷和河道的"异地"效应。在近20年黄河来沙锐减的背景下,如何在较大的流域尺度上,评价林草植被变化对流域产沙量的影响,已经成为亟待解决的重大科学问题。本文在对黄土丘陵区地貌和产沙特点分析的基础上,引入了易侵蚀区、林草有效覆盖率(V_e)和产沙指数(S_i)等新概念,利用黄土丘陵区流域实测的林草、降雨和水沙数据,分析了林草植被变化与流域产沙能力之间的响应规律及其机制,提出了可基本遏制流域产沙的林草阈值。研究结果表明,流域的产沙指数均随林草有效覆盖率V_e的增大而减小,二者呈指数关系;当V_e≤40%～45%时,产沙指数随V_e增大而迅速降低,不过在V_e<20%时改善植被的减沙作用不太稳定;V_e>40%～45%后,改善植被导致的产沙指数递减速率越来越小。...     

黄土丘陵沟壑区沟道水资源分析与调控

通过对延安黄土丘陵沟壑区实地调查, 并结合当地水文资料及土地利用现状计算了典型沟道水资源量。结果表明: 沟道地具有富集降水的能力, 有利于发展雨水集流工程; 同时, 雨季沟道中产生较多地表径流, 易造成水害。因此, 在沟道中合理规划排蓄水工程, 是调控水资源和提高水资源利用效率的重要途径。     

AnnAGNPS模型在黄土丘陵沟壑区小流域的适用性评价

在水土流失较严重、生态环境较脆弱的黄土丘陵沟壑区定量化研究土壤侵蚀对于合理利用土地及保护环境显得尤为重要。本文运用基于过程的Ann AGNPS模型对典型黄土丘陵沟壑区-岔口小流域的水土流失进行模拟,以5场次暴雨径流量及泥沙量评价模型适用性。模拟结果表明:模型能较好的模拟地表径流,模拟相对误差为-21.46%~2.26%,确定性系数R2为0.99,Nash-Sutcliffe系数为0.99。模型对泥沙模拟精度较低。对岔口小流域土壤侵蚀定量分析表明,单位面积泥沙流失量最严重的区域集中在坡耕地上,尤以核桃树与玉米间种的坡耕地流失最大。     

不同次降雨条件对黄土区主要地类水沙动态过程的影响及其机理研究

通过野外人工模拟降雨试验，对不同次降雨条件下黄土丘陵区主要地类坡面水沙过程进行对比研究，分析降雨因素与产流产沙过程的关系，并对林草植被的水土保持机理做了有益探讨。结果表明，降雨因素是影响径流和产沙的主要动力因素之一，在不同降雨条件下，各地类小区产流产沙过程线均表现出较为强烈的波动趋势，产沙过程较产流过程波动更为剧烈，在植被覆度较低的黄土丘陵区，降雨强度是产流产沙的主控因子。不同地类的产流量和产沙量的变化，随着降雨强度的增强而增加，随着植物被覆度的增加，由于林草植被措施具有蓄水固土作用，减沙效益显著，降雨的影响相对降低。因此将陡坡耕地退耕还林还草是解决水土流失、恢复黄土高原良性生态环境的必由之路。     

黄河源头地区泥沙来源的初步分析

黄河源头扎陵湖、鄂陵湖为吞吐湖泊,是黄河源头二大主要湖泊。扎陵湖、鄂陵湖等众多的湖泊的滞洪拦沙,使大量泥沙淤积在湖泊中,黄河源头控制站黄河沿站实测输沙量、含沙量、输沙模数也难以全面反映整个黄河源头产沙状况。在统计分析黄河沿站实测输沙量的基础上,初步分析了黄河源头泥沙来源和分布。黄河沿站泥沙主要来源于鄂陵湖出口—黄河沿站区间,同时估算了进入扎、鄂二湖沙量,年平均进入扎、鄂二湖泥沙量约为13万t左右,大部分淤积在扎陵湖内。黄河源头输沙模数呈自东向西递减的分布规律,认为在鄂陵湖以上多年平均输沙模数一般为5～10t(km·a),鄂陵湖出口以下多年平均输沙模数在20～40t(km2·a)之间。     

农业面源污染与不同环境因子的耦合机理研究

面源污染受到不同土地利用方式的下垫面类型、降水、气温的共同影响,研究农业面源污染与不同环境因子的耦合机理可以提高面源污染分析的精度,为面源污染治理提供科学依据。以长阳县东流溪小流域为例,通过采样监测径流的pH值、总磷（TP）、总氮（TN）、固体悬浮物（SS）、化学需氧量（COD）5种典型的面源污染物,揭示了典型的面源污染物与不同环境因子的耦合机理。结果表明：8种典型下垫面类型中农田、菜地、果园、草地、林地、生活区产生的径流面源污染相对较为严重;降水量和降水强度对于面源污染物的浓度影响显著,降雨强度越大,雨水对下垫面的冲刷就越强,在相同的污染物累积量条件下,降雨量越大,径流中污染物浓度越低;农田、菜地、林地、果园、生活区产生的径流中TP含量与气温呈现明显的正相关关系,TN和气温的相关关系表现不明显,而主要受农户耕作制度的影响。     

黄土高原多沙粗沙区高含沙水流发生频率的时间变化

高含沙水流的频繁发生是黄土高原多沙粗沙区产生高强度侵蚀的重要原因。本文基于1967—1989年的系列泥沙资料和面雨量资料,分析了黄土高原多沙粗沙区8个流域高含沙水流发生频率随时间的变化过程。根据其不同的变化趋势,将研究区所有流域分成了两类。第一种类型高含沙水流发生频率随时间逐渐减小;第二种类型高含沙水流随时间呈先减小后增大的变化趋势。从汛期降雨量（6—9月）及人类活动（包括人为的减沙活动和人为增沙活动）两个方面对高含沙水流随时间变化趋势的产生原因进行了分析。结果表明,第一种类型主要受到同期汛期降雨量的减少以及各种水利水保措施减沙量从上世纪60一80年代逐渐增大的影响;第二种类型的流域在上世纪60年代末到80年代初高含沙水流发生频率的减小主要是因为上世纪60、70年代大量修建的淤地坝在70年代发挥了显著的拦减泥沙的作用;但到了80年代以后,新建淤地坝很少。原有淤地坝已大部失效,另外人为的增沙活动,如修路、开矿、建窑等活动在80年代以后显著增加,上述因素促使高含沙水流发生频率在80年代初期以后呈随时间增加的趋势。     

黄河源区径流变化研究综述

针对20世纪90年代以来黄河源区径流量大幅度减少的现实,以及对影响径流的关键因子存在一定分歧的研究现状,对源区径流变化研究进展进行了总结和分析：降水是引起径流变化的重要原因,不同区域降水变化、季节降水变化以及降水强度变化等原因可能导致了径流量减少;源区气候变暖,但气温增加与水面蒸发量没有密切相关关系,二者相关性仍需要深入探讨;源区下垫面发生变化影响了降水量与径流量关系,但尚难明确气候变化和人类活动分别对下垫面变化的影响程度。     

大理河流域治理前后径流泥沙变化研究

以大理河流域 1960-2002 年长系列降雨径流泥沙资料为基础,以 1969 年为分界年,视1969 年以前为天然状态, 1969 年以后为治理状态,将该流域按照本区的地貌类型、下垫面及水文站网布设情况等划分为青阳岔水文站以上区域、李家河水文站以上区域和绥德水文站以上 3 个区域。对各区域分别建立无治理措施年份的汛期降雨量和汛期径流量、汛期降雨量和汛期泥沙量、汛期径流量和汛期泥沙量经验关系式,用经验关系式的计算值和相应实测值进行比较,来分析实施水土保持措施对大理河流域径流泥沙变化的影响。     

修正水沙资料是当前治黄的基础性研究课题

黄土高原水土保持工作大规模持续进行和黄河干支流水利枢纽工程的大量修建,极大地改变了黄河流域下垫面状况。实测资料分析结果表明:从黄河中游进入黄河的水量、特别是沙量已大幅度减少,小浪底水库的拦沙年限可以延长,黄河流域防洪规划和小浪底水利枢纽设计所预测的水沙量远大于最近10余年实测的水沙量。过去观测的水沙资料已不再具有可重现的性质,必须根据当前下垫面的变化,适时进行修正,用修正后的水沙资料,分析预测此后一段时间的水沙过程,才能作为此后一段时间河流治理规划、工程设计和管理运用的依据。因此,修正水沙资料是当前治黄工作中一项新的迫切而重要的基础性科研课题。     

黄河源区径流时空特性及相关因素分析

利用有关软件,选定径流过程中的显著性因子如上年降水量、汛期月降水量及上月降水量、地温等,分析了黄河源区径流的一般特点、统计特征以及径流与降水、地温的相关性。结果表明：黄河源区汛期降水一径流的相关性较好,年降水量与径流过程的相关系数一般较大,说明地下水补给的作用显著;黄河沿以上地区径流一降水的相关性较差,但与地温的相关性较好,说明下垫面条件对径流调蓄的作用显著。     

浙江沿海海域泥沙变化及其对滩涂变化的影响

采用实测资料分析和数学模型等方法深入探讨浙江沿海泥沙量变化及其对滩涂的影响。分析表明浙江沿海滩涂塑造的泥沙来源包括长江口来沙和浙江沿海主要河流输沙量等,长江口来沙是其主要沙源,近20a来具有明显减少的趋势。长江口来沙、长江口三角洲和浙东海域大量的沉积泥沙对维持浙江滩涂的塑造与可持续性具有重要作用。长江来沙量的持续减少,将会影响浙江沿海滩涂自然淤涨速率和人工塑造的规模,但将有30余年的滞后效应。