GeoWEPP在黄土高原地区应用的适用性评价

WEPP模型是由美国农业部组织开发的土壤水蚀预报模型,研究从两方面来探讨流域版GeoW EPP在黄土高原地区应用的适用性:①GeoWEPP模拟时输入的基本气象参数精度检验;②GeoWEPP对流域侵蚀产沙模拟的精度评价.结果表明,由WEPP模型CLIGEN气候发生器生成气象数据不仅较好反映了实测值,而且精确表达了普通或极端天气的实际分布;GeoWEPP对黄土高原流域径流和输沙进行模拟,模拟值与实测值的绝对误差小于30％,相关系数大于0.90,Nash-Sutcliffe系数大于0.80,模拟值较好反映了实测值.     

基于WEPP模型的沿海新围垦区土壤侵蚀规律研究

针对沿海新垦区盐土盐份高、土壤结构差、有机质含量少等特点,对沿海新围垦区沟渠边坡高含盐土壤侵蚀开展试验分析,研究土壤侵蚀变化规律,利用实测数据验证模型,分析WEPP模型适用性。通过野外径流小区试验分析及模拟结果说明在自然降雨条件下,沿海新垦区径流小区盐碱土侵蚀主要影响因素是雨量、降雨强度,且均为正相关显著关系。WEPP模型模拟出侵蚀量的模型有效性系数平均为0.543,计算结果表明WEPP能较好模拟沿海新垦区沟渠边坡侵蚀情况,在特殊的自然条件下尚需修正。     

SCS-CN模型在济南市南部山区径流估算中的优化应用

济南市南部山区崮山流域地处我国北方土石山地丘陵区,以水力侵蚀为主的土壤侵蚀现象严重且生态环境脆弱,径流预测是水土保持监测和预报的重要基础,精度较高的的径流计算模型可以为济南市南部山区更好地开展水土保持工作提供技术支撑与数据基础。根据径流曲线模型（SCS-CN）原理和崮山流域内5个雨量站、1个水文站近10年的实测降雨、径流资料,借助ArcGIS平台利用优度拟合统计分析法及Nash-Sutcliffe效率系数验证法对模型参数初损率（λ）和径流曲线数（CN）进行了优化检验,结果表明：参数优化后的模型精确度较高（实测值与计算值分析结果为回归直线斜率K=0.905 8、确定系数R2=0.812 7、纳什效率系数ENS=0.796 9）可以更好地适用于崮山流域径流测算;对2019年崮山流域29次侵蚀性降雨进行降雨产流估算,并累加计算得流域年径流量为0.53亿 m3,年径流深处于34.15~371.52 mm,年均径流深为134.52 mm,汛期降雨产生的径流量占年径流量的90.27%。     

喀斯特原生马尾松林下地表径流与土壤侵蚀效应

探索喀斯特马尾松原生林地表径流和土壤侵蚀的的变化规律,对该区的植被类型的水土资源保护利用及生态恢复有着重要的启示意义。利用野外人工模拟降雨实验,在尾松原生林里设置不同坡度(15°、20°和25°)径流小区,监测不同雨强(60、90、120 mm/h)下径流和泥沙量的变化。结果表明,喀斯特马尾松土壤的持水率在短时间内较难达到完全饱和;在不同雨强、坡度的条件下,马尾松地表侵蚀产流产沙特征差异明显;相同条件下,产沙量随着雨强及坡度的增大而增大;但产流量在坡度一定时,90 mm/h雨强的累积及总径流量明显高于60、120 mm/h的雨强;不同降雨强度对小于25°坡面的累积径流量影响较小,但当雨强≥90 mm/h,坡面≥25°时累积径流量变化明显。     

自然降雨条件下坡度对紫色土坡地土壤侵蚀的影响

采用野外不同坡度径流场坡面降雨产流、产沙实测数据,系统分析了紫色土坡地降雨径流、土壤侵蚀对坡度的响应特征及其相互关系。结果表明随坡度增加,紫色土坡地年径流总量表现出先增加后再减少的趋势,在坡度为20°的径流小区上达到最大;紫色土坡面侵蚀产沙规律与径流变化相一致,土壤侵蚀量与坡度的正弦值呈2次曲线关系;不同坡度条件下,坡面年径流总量与年侵蚀产沙量存在显著的正相关,年径流总量与年侵蚀产沙量之间的变化关系具有较好的2次多项式关系。研究结果可为长江上游紫色土丘陵区土壤侵蚀的防治提供参考。     

不透水表面坡度对溶解态污染物传输过程的影响研究

溶解态污染物是城市降雨径流污染的一个重要组成部分,揭示其在降雨径流阶段的传输过程对于城市污水治理具有重要意义。采用人工模拟降雨实验研究了不透水表面不同坡度(0.5°、1°、2°、3°、4°、5°)情况下降雨径流及溶解态污染物传输过程。结果表明:坡度越大,坡面产汇流时间越短,径流量越快达到稳定;污染物浓度随降雨径流深度增加呈逐渐减小趋势,坡度越大,初始浓度越高,衰减越快;污染物传输速率呈先增大后减小的变化规律,坡度越大,污染物传输速率峰值越大,峰值出现在径流深度为0.3~0.5mm之间;溶解态污染物传输过程符合指数冲刷模型,随着坡度的增大,冲刷系数k先线性增加,坡度大于3°基本保持稳定。相对于颗粒态污染物,溶解态污染物冲刷系数大,易被冲刷,冲刷集中发生在径流初期。     

岷沱江流域径流对气候和土地利用变化的响应

为探究岷沱江流域径流对气候和土地利用变化的响应,构建了岷沱江流域SWAT分布式水文模型,并采用情景分析方法从时空尺度上定量分析了1981-2014年间岷沱江流域气候和土地利用变化对径流量的影响。结果表明:SWAT模型在岷沱江流域适用性较好,可用模型模拟流域径流;气候和土地利用变化均引起流域径流量减少,且气候变化的影响强度显著大于土地利用变化的影响强度,气候和土地利用变化分别对流域内大渡河和沱江径流量影响最大;仅考虑气候变化,流域径流量与降雨变化呈正相关关系,与气温变化呈负相关关系,气候变化对流域内大渡河径流量影响最大;仅考虑土地利用变化,将流域坡度25°以上耕地转化为林地和坡度15°～25°之间的耕地转化为草地,均会引起流域径流量的微弱减少,分别对流域内大渡河和岷江径流量影响最大,而将全部林地转化为草地则会导致流域径流量的微弱增加,大渡河径流量增加最大。     

神府矿区土质道路侵蚀及其与径流特性的关系

为明确神府矿区土质道路土壤侵蚀特征,采用野外模拟降雨的试验方法,研究了不同降雨强度(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mm/min)条件下矿区3°和6°土质道路土壤侵蚀过程及其与径流特性的关系。结果表明:道路侵蚀速率随降雨历时呈突增—波动—稳定的变化过程,且雨强和坡度越大,侵蚀过程的波动程度就越高;相同雨强条件下,6°坡侵蚀速率是3°坡的2.61~3.46倍,两坡度道路侵蚀速率与雨强和径流率均成极显著的线性函数关系(显著性水平P0.01)。回归分析表明,侵蚀速率与径流深成极显著的幂函数关系(P0.01),与径流剪切力、径流功率、单位径流功率均成极显著的线性函数关系(P0.01),道路发生土壤侵蚀的临界径流剪切力、径流功率、单位径流功率分别为0.80 N/m~2、0.056 W/m~2、0.005 8 m/s。     

模拟降雨条件下不同坡度对土壤侵蚀试验研究

为了研究陕西黄土高原地区坡面土壤侵蚀中各影响因子的影响规律,通过人工降雨试验装置模拟坡面土壤在不同雨强(50 mm/h、100 mm/h)和坡度(5°、15°、25°)条件下的土壤侵蚀现象。研究结果表明:不同雨强、不同坡度对土壤侵蚀能力的影响不同:1)当雨强为50 mm/h时,径流量随着坡度增大而减少,入渗率随坡度增大而增加,三种坡度下侵蚀量随时间的增加呈现出先增加后减小再增加的趋势;2)当雨强为100 mm/h时,径流量随坡度增大先增加(5°～15°)后减小(15°～25°),入渗率随坡度增大先减小(5°～15°)后增加(15°～25°),三种坡度下侵蚀量随时间的增加先呈急速减小,后基本趋于平稳的状态。总体上,随着雨强的增加,三种坡度下的土壤坡面累积径流量、入渗量和侵蚀量都呈现出增加的趋势。     

空气阻力影响下的分层土壤非稳定降雨入渗产流模型

降雨或灌溉期内,土壤内的空气很难及时全部排出。禁锢在土壤中的空气产生的压力阻碍了土壤水分入渗。针对空气阻力对土壤入渗过程的影响,对Green-Ampt模型进行了改进,提出了非稳定降雨条件下考虑空气阻力作用的分层土壤降雨入渗产流模型(MGAM)。模型中,引入了饱和度系数(Sa)量化入渗水分剖面滞留空气影响下的实际导水系数和实际含水量,引入进水值(hwb)和进气值(hab)量化湿润锋处实际负压水头,并提出由土壤物理性质估算饱和度系数(Sa)、进水值(hwb)和进气值(hab)的参数化方案。为了验证模型适用性,采用MGAM模型模拟分析了室内开展的空气限制条件下的分层土壤非稳定降雨一维入渗产流试验观测成果,包括土壤水分分布特征、土壤累计入渗量和径流强度,并将模型模拟值与试验观测值,以及传统不考虑空气阻力TGAM模型(Traditional Green-Ampt Model)模拟值进行了对比分析,结果表明MGAM模型模拟的土壤累计入渗量、土壤含水量和径流强度均与实测结果吻合良好,而TGAM模型模拟土壤累计入渗量、土壤含水量均大于实测值,而径流强度小于实测值。     

考虑空气阻力作用的分层土壤降雨入渗模型

基于室内试验资料,建立了非稳定降雨条件下考虑空气阻力作用的Green-Ampt模型(Modified Green-Ampt Model,MGAM),其包括非稳定降雨条件下土壤积水入渗过程和非积水入渗过程、湿润锋运移过程、积水入渗状态和非积水入渗状态相互转化过程。为了量化空气阻力作用影响程度,引入了饱和度系数Sa,并提出饱和度系数计算方法。同时应用MGAM和传统的Green-Ampt模型(Tranditional Green-Ampt Model,TGAM)模拟了径流强度、土壤累计入渗量和土壤剖面含水量,并和实测值进行了对比分析。结果表明:MGAM模型模拟的土壤累计入渗量、土壤含水量和径流强度均与实测结果吻合良好,而TGAM模型模拟土壤累计入渗量、剖面含水量均大于实测值,而径流强度小于实测值。     

坡面流水动力学特性分析

为了研究坡面流的水动力学特性,提出了考虑河床坡度以及降雨动量的坡面降雨径流计算方法,建立了基于Roe格式的坡面流水动力模型。结合相应的试验进行了模型验证,结果表明模拟值与实测值比较接近。应用该模型模拟了自然降雨条件下的坡面流运动情况,分析了坡面流流速、水深及出流断面单宽流量的变化规律,并对其影响因素进行了敏感性分析。模拟结果显示:坡面流流速、水深均随降雨强度、坡长及坡度的增大而增大,其中坡度的影响最为显著;出流断面单宽流量随降雨强度的增大而增大,随坡度的变化不显著。     

基于ABC-BP的土壤侵蚀量预报模型研究北大核心

以预测土壤冲刷量为目标,根据《中国河流泥沙公报》数据资料,建立了以土壤类型、地形、坡度、植被、降雨为输入因子,土壤侵蚀量为输出因子,拓扑结构为5-7-1的BP神经网络预测模型。针对BP神经网络模型缺陷,采用了人工蜂群算法(ABC)对BP神经网络的权值和阈值进行优化,建立了ABC-BP模型,并对该模型的性能进行了验证。结果表明,所建立的ABC-BP土壤侵蚀量预报模型模拟值与实测值的相关系数、平均相对误差分别为0.994 2和4.13%,两者之间无显著的统计学差异,具有较好的一致性和较高的模拟精度。     

土石山区径流小区水土流失规律分析

对栖龙湾径流小区进行降雨、径流量和侵蚀量观测,并分析降雨、措施、坡度对径流量和侵蚀量的影响。结果表明：在相同坡度、措施下,随降雨量和降雨强度增大,径流量和侵蚀量先增加后减少又增加;不同坡度下,顺坡种植花生径流量、侵蚀量都随坡度增加而增加。建议当坡度增大时,将顺坡种植花生方式改为土坎梯田种植,可适当拦截径流和泥沙。     

WEPP在黄土高原小流域径流调控中的应用研究

针对黄土高原小流域降雨径流调控优化难以采用数学模型的情况,依据小流域模型试验资料,对WEPP2006流域版应用于黄土高原地区小流域产流、产沙模拟计算的适用性进行了研究.结果表明:WEPP流域版计算的流量和产沙量与原型观测值的相关性较显著,流量预测好于产沙量预测,WEPP模型与实体模型的结合是可能的;但计算值都比实测值偏大,只能在一定程度上反映其径流、产沙、输沙规律.     

北方土石山区不同坡度的径流小区水土流失规律研究

对北方土石山区不同坡度的径流小区进行径流量和侵蚀量的观测,分别在不同坡度条件下分析径流小区降水量所产生的径流量和侵蚀量的变化规律。结果表明：在不同坡度条件下,径流小区内的降水量与径流量和侵蚀量均呈良好的线性关系,同一坡度下径流量和侵蚀量随降水量的增加呈线性增长。随着降水量的增加,5°径流小区径流速率增长缓慢,25°径流小区径流速率增长迅速,随着坡度的增加,降水量对径流量和侵蚀量的影响越来越显著。     

WEPP在黄土高原坡面径流调控中的适用性研究

针对黄土高原坡面降雨径流调控优化难以采用数学模型的情况,根据杨凌岭后降雨径流调控试验站部分降雨、产流、产沙观测资料,对WEPP 2006年坡面版应用于黄土高原坡面产流、产沙模拟计算的适用性进行了研究.结果表明:WEPP可对降雨径流调控措施下的径流量和产沙量进行模拟计算,但需对模型参数进行率定,并根据实测资料进行验证;WEPP对缓坡径流量和产沙量的模拟计算优于对陡坡的模拟计算,对裸地径流量和产沙量的模拟计算优于对径流调控措施(苜蓿地)的模拟计算,对径流量的模拟计算优于对产沙量的模拟计算.     

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。     

人工降雨和放水冲刷试验下红壤坡面径流与泥沙特征分析

南方红壤丘陵区是我国水土流失最严重的区域之一,严重的水土流失会导致土壤退化,也会影响农业生产的可持续发展,因此,研究红壤坡面侵蚀规律对南方红壤丘陵区水土流失防治意义重大。以红壤坡面为研究对象,应用人工降雨和放水冲刷试验,选择5°,10°,15°,20°四个坡度,设计0.8,1.2,2.1,2.6 mm/min四种降雨强度(相对应的放水流量分别为1.4,3.0,5.7,7.0 L/min),对红壤坡面的径流和泥沙特征进行了研究。结果表明:2种试验条件下,红壤坡面初始产流时间均随着坡度和降雨强度(放水流量)的增大而减小,尤以5°坡和0.80 mm/min降雨强度(1.40 L/min放水流量)下变化幅度最为明显,且在坡度较小时(5°和10°),人工降雨试验产流快;2种试验条件下红壤坡面径流量稳定时间为15~20 min,人工降雨试验红壤坡面泥沙量稳定时间为10~15 min,放水冲刷试验红壤坡面泥沙量稳定时间为15~20 min;径流和产沙总量随降雨强度(放水流量)和坡度增加而增大,在降雨强度(放水流量)和坡度较小时变化幅度较大;降雨试验的径流总量超过放水试验,产沙总量在降雨强度(放水流量)和坡度较小时,放水试验多,但随着降雨强度(放水流量)和坡度的增加,降雨试验多;5°坡在不同的降雨强度和放水流量下,径流和泥沙总量变化幅度最大,故应重视5°坡的水土流失预防。研究结果有助于全面了解红壤侵蚀规律,并为南方红壤丘陵区开展土壤侵蚀治理提供数据支撑。     

基于ABC-BP的土壤侵蚀量预报模型研究

以预测土壤冲刷量为目标,根据《中国河流泥沙公报》数据资料,建立了以土壤类型、地形、坡度、植被、降雨为输入因子,土壤侵蚀量为输出因子,拓扑结构为5-7-1的BP神经网络预测模型。针对BP神经网络模型缺陷,采用了人工蜂群算法(ABC)对BP神经网络的权值和阈值进行优化,建立了ABC-BP模型,并对该模型的性能进行了验证。结果表明,所建立的ABC-BP土壤侵蚀量预报模型模拟值与实测值的相关系数、平均相对误差分别为0.994 2和4.13%,两者之间无显著的统计学差异,具有较好的一致性和较高的模拟精度。