植被恢复下黄土高塬沟壑区的产流机制与模式

明确流域产流机制及产流模式是构建水文模型和土壤侵蚀模型的基础,对流域综合治理及水资源的合理开发利用等具有重要指导意义。为揭示植被恢复对黄土高原产流机制及产流模式的影响,把黄土高塬沟壑区以草地自然恢复为主的董庄沟小流域和以人工造林恢复为主的杨家沟小流域作为研究区,分析了两条对比小流域在不同降雨类型下的场次洪水过程线及其退水曲线,研究了植被恢复下黄土高塬沟壑区产流模式变化。结果表明:1)随植被覆盖度及其生态水文功能的提升,小流域的产流能力显著减弱,洪水历时延长,地表径流量占比减小,洪峰趋于坦化,尤其以人工造林恢复为主的小流域产流过程变化更为显著;2)随着植被生态水文功能的恢复,洪水径流组分不再是单一的地表超渗径流,而是逐渐转向由超渗地表径流和壤中流构成,甚至由地表饱和径流和壤中流构成,即黄土高塬沟壑区小流域产流模式有从传统的典型超渗产流逐渐向“浅层蓄满”产流转变;3)黄土高塬沟壑区产流模式的转变,能将广义的降水资源转化为土壤水和壤中流,调节径流的季节分配,有助于增加植被生态用水,促进半干旱区植被生态系统的健康和稳定发展。

窟野河流域水沙变化及其驱动因素

[目的]探究窟野河流域径流和输沙变化特征,量化气候变化及人类活动对流域水沙变化的贡献,以期为窟野河流域水资源合理利用和水土保持措施的优化配置提供科学依据。[方法]基于窟野河流域新庙、王道恒塔、神木和温家川水文站1960—2020年径流、输沙及降雨资料,采用线性趋势法、Mann-Kendall趋势检验和Pettitt突变检验法分析了流域径流输沙时空变化特征,结合双累积曲线法定量分析了不同时期气候变化与人类活动对河流水沙变化的贡献。[结果]窟野河流域1960—2020年径流输沙均呈现极显著减少趋势(p<0.01),新庙、王道恒塔、神木和温家川4站径流量减少速率分别为0.024亿m^(3)/a,0.034亿m^(3)/a,0.081亿m^(3)/a,0.106亿m^(3)/a,输沙量减少速率分别为43.8万t/a,69.3万t/a,160.3万t/a,272.1万t/a,且各水文站年径流量和输沙量均在1979年、1996年发生突变,由此可将径流输沙序列划分为基准期(1960—1979年,P 1期)和变化期(1980—1996年,P 2期;1997—2020年,P 3期)。研究时段内不同子流域多年平均径流深和输沙模数均呈减小趋势,但在空间上存在差异。[结论]流域不断增强的人类活动(水利水保措施与煤矿开采等)是窟野河流域水沙变化的主导因素,相较基准期,各水文站径流输沙量在P 2期、P 3期均减少,且P 3期减少幅度更剧烈,不同水文站在P 2和P 3期内,人类活动对径流输沙减少的贡献高于降雨变化。

黄土高原林区植被变化对水沙演变的影响——以仕望川流域为例

[目的]研究林区植被变化对水沙演变的影响,可以为黄河流域生态环境建设政策的制定与调整提供科学依据。[方法]基于仕望川流域控制水文站大村站1959—2018年的径流量与输沙量数据以及流域内的降水数据,分析了其60年水文变化特征。结合1985—2018年的NDVI数据以及五期土地利用数据,分析讨论了流域水沙变化的植被下垫面驱动效应。[结果]仕望川流域近60年来的径流量和输沙量呈显著减少的趋势(p<0.01),突变年分别在1988年和1983年,而流域内土地利用情况和降水在60年间并无明显的变化趋势,流域内生长季NDVI在2000年前变化不明显,但在2000年后有显著提升趋势。[结论]2000年以前,各种水土保持治理措施的实施是流域径流量与输沙量减少的主要原因;进入21世纪后,流域内植被质量的提升使径流量与输沙量进一步减少。

渭河流域植被变化调控输沙的覆盖度阈值

[目的]分析渭河流域植被覆盖度时空变化特征,探究流域尺度下植被覆盖度与输沙模数相关关系,揭示渭河输沙量变化背景下基于减沙效益的植被覆盖度阈值。[方法]选取黄河一级支流渭河流域为研究对象,采用一元线性回归法、F检验与分段线性回归方法分析了渭河流域植被变化,量化植被对输沙量的调控作用,识别了渭河流域植被的输沙调控阈值。[结果]2000—2019年渭河流域植被覆盖度整体呈显著增加趋势,年均植被覆盖度增长率为0.0055/a;研究区年均输沙模数呈北高南低的空间分布,除沮河外整体随时间变化呈降低趋势,主要产沙区位于马莲河上游、洛河上游所处黄土丘陵沟壑区;输沙模数随植被覆盖度增加而减少,呈负相关的指数关系,植被覆盖度达45%时可有效遏制流域输沙;渭河流域植被覆盖度依据其减沙效率可划分为4个覆盖度区间:低覆盖度区间(0~20%)、过渡覆盖度区间(20%~45%)、高覆盖度区间(45%~70%)与极高覆盖度区间(70%~100%),随着覆盖度提升,植被减沙效率逐级降低,极高覆盖度区间植被减沙效率仅为低覆盖度区间与过渡覆盖度区间的1.9%和6.0%。[结论]黄土高原未来植被恢复不仅要考虑植被覆盖度阈值在不同区域的差异性,同时需兼顾植被恢复的结构、功能,提升区域植被生态系统的多样性、稳定性。

退耕还林前后渭河流域土壤保持功能变化

基于InVEST模型的土壤保持模块,定量评估退耕还林前后渭河流域土壤保持功能的变化,并统计不同土地利用类型及坡度下的土壤保持量。结果表明:1)相较于1980年,2020年实际土壤侵蚀量减少1.40亿t,平均土壤侵蚀模数减少1033.51 t/(km^(2)·a),微度侵蚀的比例由60.75%增加至77.43%,土壤保持总量由48.60亿t增加到53.73亿t;2)不同土地利用类型中,草地的土壤保持量最大,占土壤保持总量的40%以上;而单位面积土壤保持量最大的是林地;3)0~5°的微坡地区土壤保持量最小,单位面积的土壤保持量也最低;>15°~25°的较陡坡地区土壤保持量最大,占土壤保持总量的1/3以上。退耕还林工程主要通过减少土壤侵蚀量来提高土壤保持功能,随着植被恢复,不同土地利用类型及坡度的土壤保持功能增强。研究结果可为流域植被恢复效果和土壤保持功能的定量评估提供参考。

1901—2016年黄土高原土壤侵蚀格局演变及其驱动机制

黄土高原是我国乃至全球水土流失危害最为严重的地区之一。水土保持作为新兴学科,历史观测数据不足制约了对历史时期土壤侵蚀时空动态变化及其驱动机制认识的深化。为解决黄土高原土壤侵蚀模数历史数据缺乏问题,并为黄土高原土壤侵蚀演变过程研究及水土保持生态建设规划实施等提供方法与数据支撑,基于修正通用土壤流失方程RUSLE,首次建立了1901—2016年黄土高原土壤侵蚀模数逐年序列1 km分辨率栅格数据集,采用人类活动影响较小时期的22个黄河支流水文站实测输沙量验证了RUSLE对黄土高原土壤侵蚀模数模拟计算的结果具有较高精度。基于该数据集评估1901—2016年黄土高原土壤侵蚀模数时空变化特征,探讨了不同时期黄土高原土壤侵蚀模数变化的驱动机制。结果表明:黄土高原土壤侵蚀模数在1924年左右和1981年左右发生了2次突变,20世纪30—70年代土壤侵蚀面积和侵蚀模数持续上升,20世纪80年代—21世纪初土壤侵蚀模数持续降低,至21世纪初降为百余年来的最低值,2010—2016年平均土壤侵蚀模数受极端降雨影响出现小幅反弹;人类活动是黄土高原土壤侵蚀模数变化的主要驱动因素,而退耕还林(草)等正确的水土保持政策是控制黄土高原土壤侵蚀的根本驱动因素,人口增长导致森林过度砍伐、耕地扩张及过度放牧是20世纪30—70年代土壤侵蚀加剧的主要原因,20世纪80年代以后水土保持工程增加、植被覆盖度提高及农村能源结构变化是土壤侵蚀模数降低的重要原因;丘陵沟壑区和高塬沟壑区依然是黄土高原水土流失严重区域和治理的重点区域;鉴于全球气候变化背景下未来极端暴雨事件或将更加频繁,亟须创新黄土高原土壤侵蚀防治策略,重视沟谷坡侵蚀治理,强监管、重维护、提标准,提高防御极端暴雨造成严重水土流失灾害的能力。

近549年来黄河天然径流量时间变化特征研究

天然径流量是流域气候及下垫面综合作用的结果,同时是流域水资源分配的重要依据。深入探究长时间序列年径流量时间变化特征对流域水资源调控以及水资源可持续利用意义重大。基于黄河1470-2018年长时间序列天然径流量数据,综合采用EMD经验模态分解法、滑动平均法以及距平累积法揭示黄河549年间天然径流量的年际变化与周期变化特征。结果表明,黄河年天然径流量变化过程具有显著的随机特征,随年份不同呈现波动性变化,5%及95%频率的年天然径流量分别为337.0亿m^3和681.0亿m^3。采用距平累积法可将黄河近549年天然径流序列以1825年为界分为2个时期;黄河年天然径流量以2.8年变化周期最为显著,其次为23.8年、47.3年、5.6年、11.3年周期规律,出现该周期性规律主要是由于太阳黑子活动、厄尔尼诺现象以及地极移动振幅变化因子的影响。

植被恢复改变黄土高原产流模式问题初探

产流模式是研究所有水文及其相关学科问题之基。植被有效恢复深刻地改变了黄土高原土壤水文性质,进而影响地表产流模式,是黄河水沙变化归因分析中亟待研究的新问题。在有限时期内,地质地貌相对稳定,地表产流模式可以表征为降雨及水文下垫面的函数。植被恢复能增加冠层截留及地表糙率等,随植被恢复年限增加,土壤容重降低,土壤孔隙度和水稳性团聚体含量增加,土壤持水性能和入渗能力提升。通过对典型植被恢复流域河川径流过程分析,发现黄土高原部分地区的产流模式出现了从超渗产流向蓄满产流转变的趋势。植被恢复引起的土壤入渗能力增强、流域蓄水容量增大、调蓄能力增强是导致流域产流模式变化的主要原因。针对黄土高原地区产流模式变化对植被恢复的响应,指出未来应当加强植被恢复对土壤微结构、土壤水文物理特性及对产流模式变化影响的研究。

水土保持生态建设对黄河中游水文情势影响研究

以黄河中游河口镇至潼关区间(河潼区间)的头道拐、府谷、吴堡、龙门和潼关水文站日均流量为研究对象,采用水文指标改变度(IHA)方法计算1958-2020年32个水文指标值,以1958-1979年作为参照,评价各个水文站1980年以来和2000年以来水土保持生态建设对黄河水文情势的影响。结果表明:黄河河潼区间整体水文改变度呈低等级高度改变;在五大类水文指标中,年极端流量类(第II类)和高低流量的频率及历时类(第V类)水文指标呈高度改变;在32个指标中,1980年以来和2000年以来流量的逆转次数发生高度改变,11月平均流量呈低度改变。水利水土保持措施和退耕还林(草)工程对黄河中游水文情势产生较大影响,使得河流径流波动性减弱。

植被恢复对黄土丘陵沟壑区产流模式的影响研究

探究植被恢复对产流模式的影响是认识变化环境下流域水文及水土流失过程的基础。通过分层原位双环土壤入渗试验和植被恢复前后流域实测场次洪水过程解析,研究植被恢复对黄土丘陵沟壑区典型小流域产流模式的影响。研究结果表明:植被恢复显著增强了土壤入渗性能,0~60 cm不同深度土层的入渗速率均有不同程度的增大。植被恢复增大了表层土和10 cm土层入渗性能的差异。土壤入渗性能随土壤密度减小和孔隙度增大而显著增强,植被恢复通过降低土壤密度和增大孔隙度影响土壤入渗和产流过程。植被恢复后小流域场次洪水的洪峰流量、径流深、径流系数以及地表径流占比均减小,壤中流增加,产流模式从超渗产流向蓄满产流转变,形成黄土高原特有的浅层蓄满产流模式。植被恢复影响了流域的产流模式,为深入研究黄土高原土壤水文过程提供了科学依据。

黄土高塬沟壑区土壤侵蚀特征分析

黄土高塬沟壑区侵蚀十分严重,是黄河泥沙主要源区,厘清该区域土壤侵蚀特征与治理重点是区域高质量发展的关键。以黄土高塬沟壑区砚瓦川流域为研究区,收集整理1976—2019年实测径流及泥沙资料,采用产流模数及产沙模数等指标体系,系统分析了黄土高塬沟壑区流域侵蚀产沙强度及能力变化。结果表明:砚瓦川流域1976—2019年产流模数与产沙模数均呈下降趋势,二者具有较好的一致性。多年平均产流模数与产沙模数分别为22991 m^(3)/km^(2)和1889 t/km^(2),产流及产沙变化规律一致,二者均于1997年发生突变。相较于突变年份之前,年均产流强度和产沙强度分别减少23.9%和75.8%,表征产流及产沙能力的产流系数和产沙系数则分别降低24.0%和73.0%。1976—2019年,流域的产流量及产沙量呈下降趋势。河流年均含沙量64.5 kg/m^(3),由突变前的98.3 kg/m^(3)减少至突变后的33.6 kg/m^(3),减少了67.0%。黄土高塬沟壑区侵蚀产沙多来自场次降雨,年内最大3 d侵蚀产沙占年总产沙量的50%。突变前,年产流模数与年降雨量的相关关系最优;突变后,年产流模数与日降雨量高于50 mm的年累计降雨量的关系最为密切。研究中进一步明晰了黄土高塬沟壑区水沙过程及其与降雨关系的变化,可为极端事件频发下黄土高塬沟壑区水土保持治理策略的转变提供一定参考。

基于Budyko假设的渭河径流变化归因识别

定量评价河川径流量变化特征,开展其归因识别研究是制定气候变化应对策略与合理利用水资源的基础。以渭河流域为研究区,采用Mann-Kendall趋势检验法、双累积曲线等方法分析渭河流域1958—2015年的气候、水文要素变化特征,采用基于Budyko水热耦合平衡理论的水量平衡法估算径流变化对各驱动因素的弹性系数,定量评价气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。结果表明:渭河流域咸阳、张家山、状头站的年径流量呈显著减少趋势,径流深减少速率分别为:-1.520、-0.501、-0.322 mm/a。3个站控制流域面平均降雨量呈非显著性减少趋势,年潜在蒸散发呈非显著增加趋势。剧烈的人类活动如工农业用水、大规模水土保持措施的实施及退耕还林草等引起的下垫面变化是径流量减少的主要因素,渭河干流和泾河流域下垫面变化对径流减少的贡献率均超过了60%,降雨变化贡献次之,潜在蒸散发的影响最小。

黄土高原植被变化与恢复潜力预测

采用GIS技术与地统计方法,基于黄土高原2000—2018年的MODIS遥感影像,选取归一化植被指数探讨研究区植被时空变化特征,采用相似生境法预测黄土高原植被恢复潜力。结果表明:黄土高原2000—2018年低植被盖度区域面积减少,高植被覆盖度面积不断增加。黄河中游头道拐至龙门区间植被变化最为显著,平均增长速率为0.015~0.050/a,其中,延河上游、清涧河及秃尾河流域的植被盖度增长速率最高,均超过了0.015/a。受城市化影响,汾渭平原的下游干流区植被盖度显著降低。相似生境法预测黄土高原未来植被恢复潜力的空间差异性显著,东南部地区植被盖度接近或达到最大恢复潜力,无恢复空间;在丘陵沟壑区和风沙区的交错地带部分地区植被盖度较现状仍有25%~50%的提升潜力。由于黄土高原植被受退耕还林草工程影响,人工植被干扰强烈,受到该区降雨与水分承载力限制,未来植被恢复需调整植被类型、优化植被结构与格局,提升区域生态系统功能。本研究结果可为黄土高原未来植被恢复与水土保持规划与布局提供理论与方法支撑。

基于Budyko假设的洮河与大夏河径流变化归因识别

受气候变化和人类活动的影响,世界许多河流水文过程发生了显著的变化。研究河川径流变化特征及其原因对流域水资源管理和规划有十分重要的意义。以黄河上游支流洮河、大夏河为研究对象,采用Mann-Kendall趋势检验法、突变分析等方法探究河川径流的趋势变化、阶段特征,并采用Budyko水热耦合平衡方程定量评估径流变化影响因素的贡献率。研究发现洮河与大夏河流域年径流深均呈显著减少趋势,减少速率为:-1.85 mm/a、-1.36 mm/a(P≤0.01)。通过突变检验可将洮河的径流序列分为基准期1961—1987年,剧烈人类活动期1988—2017年,而大夏河的基准期为1961—1985年,人类活动期1986—2017年。洮河、大夏河流域下垫面变化对径流变化的贡献率超过60%,降雨次之,潜在蒸散发最弱,约贡献10%。流域下垫面改变是引起研究区河川径流变化的主要因素。

黄河未来输沙量态势及其适用性对策

[目的]探索黄河输沙预测的新思路,预估黄河未来输沙态势与输沙量水平,为黄河流域生态治理规划提供参考。[方法]结合黄河流域水土保持生态修复现状,采用单累积曲线法、滑动平均及频率分析方法,分析1950—2019年黄河主要来沙区间的实测输沙量变化特征及其未来态势。[结果]1950—2019年黄河输沙量呈现阶梯式减少。1950—2019年黄河中游各站累积实测输沙量随时间的变化可用"左半抛物线"表征。黄河输沙量自1997年以来已进入相对稳定态势,目前已达企稳状态;黄河潼关站未来年输沙量在90%频率下为1.00×10^8 t左右,在10%频率下为5.00×10^8 t左右,未来多年平均输沙量为1.40×10^8 t。[结论]为了维持黄河输沙量低稳状态,提升水土保持措施质量与标准,补齐"后水土保持"短板,构建完善的水沙关系调控体系,维持黄河下游河道冲淤平衡,是黄河流域生态保护与高质量发展的保障。

模拟降雨条件下黄土区SCS模型的参数率定

开展径流模拟的相关研究,是进行土壤侵蚀预报和水土流失防治的重要基础。SCS模型是较为常用的一种径流计算模型。模型中的两个参数初损率λ和径流曲线数CN对于模型准确计算地表径流有重要意义。通过对杨青川流域22场不同土地利用类型人工模拟降雨资料,应用穷举法对该地区运用SCS模型时初损率和径流曲线数进行了率定。结果表明:(1)在黄土区,运用标准SCS模型模拟人工降雨条件下的径流深有较大误差,且模拟值均偏小1.1~3mm。(2)初损率λ和径流曲线数CN都是模型的敏感性参数,且λ值敏感性更高。(3)运用穷举法的方式进行了各参数的率定后,得到在草地类型,SCS模型最适宜的初损率为0.13,径流曲线数为65;裸地类型最适宜的初损率为0.03,径流曲线数为83。优化后的模型能更好地模拟径流深,均方根误差、相对误差均显著减小,纳什系数有显著增大,能为该地区关于地表径流的模拟计算提供理论参考,具有重要意义。

1990—2020年三江源水源涵养能力时空变化及影响因素

三江源是我国重要的水源涵养功能区,也是我国乃至东南亚地区的生态屏障,具有重要的生态战略地位。揭示三江源水源涵养能力的空间分布、变化趋势及影响因素,对于推进生态保护与修复工程,提高区域水资源供给能力和维持生态系统健康稳定具有重要意义。基于InVEST模型,定量分析了三江源区水源涵养能力的时空变化及影响因素。结果表明:草地生态系统为三江源水源涵养功能主体,年平均水源涵养量为120.04亿m^(3)。1990—2020年三江源水源涵养量呈显著上升趋势,变化速率为1.80亿m^(3)/a(P<0.05),年平均水源涵养量为163.84亿m^(3)。生态治理前(1990—2005年)水源涵养量增长速率高于生态治理后(2005—2020年)。三江源区水源涵养能力空间分布上表现出东南高、西北低的特点,显著增长面积为22.07万km2,占全区总面积的60.79%。生态治理前,降水量增加、实际蒸散量增加和实际蒸散比降低等气候变化为驱动水源涵养能力增长的主要因素;生态治理后,林、草地面积增加等土地利用/覆被变化为驱动水源涵养能力增长的主要因素。

野外模拟降雨条件下径流小区产流产沙试验研究

降雨引起的侵蚀产沙,是全球性的严重环境问题之一,在我国黄土区表现尤为突出。降雨及其产生的径流是引起黄土高原土壤侵蚀的主要动力,开展黄土区降雨产流产沙过程研究可为土壤侵蚀过程模型研发奠定基础,为水土保持与生态建设提供科学依据。利用野外模拟降雨试验研究了不同坡度、土地利用类型和雨强下径流、侵蚀产沙规律及相关关系。结果表明:在降雨过程中,产流时间随坡度、雨强的增大而变短,裸耕地产流时间短于自然草地。径流量随产流历时增加而增大,且坡度、雨强越大其值越大。产流过程中侵蚀产沙量呈先陡增、再陡减、最后趋于稳定的现象;坡度、雨强越大产沙量的峰值越大,峰值出现时间也相应提前。自然草地侵蚀产沙量极少,草地起着重要的固沙作用。建立径流与产沙回归关系,产沙量与径流量呈二次多项式函数关系,揭示了降雨过程中产流产沙变化规律。

黄土区SCS-CN模型径流曲线数计算方法研究

美国农业部开发的SCS-CN模型是较为常用的一种径流计算方法。模型中的CN值是模型中反映土地利用、土壤类型和土壤前期含水量的一个综合参数,其值的选择对于准确计算地表径流具有重要意义。利用黄土高原地区杨青川流域、燕沟流域和西川流域不同土地利用类型42场模拟降雨的径流资料,应用平均值法、中值法、算术平均值法、S对数频率分布法和渐近线法5种方法计算CN值,并利用CN值反推径流深。采用均值比较、模型评价指标的方法比较了5种方法计算的径流深与实测值的差异,根据相对隶属度最大最优原则确定最优计算方法。结果表明:在杨青川流域,最优的计算方法是平均值法,燕沟流域和西川流域的最优计算方法则是中值法,不同流域同一计算方法确定的同一土地利用类型CN值差异较大;单独进行草地和裸地的评价分析时,草地的最优计算方法是平均值法,裸地的最优计算方法是算术平均值法,不同土地利用类型CN值的最优计算方法不同。

极端暴雨条件下黄土丘陵沟壑区土壤蓄水能力和入渗规律

黄土高原退耕还林还草工程实施后,下垫面环境条件的变化可能对流域水文过程、水文通量、水量平衡以及生态系统产生十分重要的影响。研究极端暴雨条件下剖面土壤蓄水能力和入渗规律,对于阐明流域产汇流过程和影响机制具有重要的科学价值。采用土壤墒情仪对陕北“7·26”特大暴雨事件下黄土丘陵沟壑区草地剖面土壤水分进行了实时动态监测,分析了极端暴雨条件下剖面土壤水分的动态变化和蓄水过程,利用Horton入渗模型模拟了剖面土壤水分湿润锋的运动过程,揭示了极端暴雨条件下剖面土壤水分的入渗规律。结果表明:(1)极端暴雨条件下,黄土丘陵沟壑区坡面草地不同深度层次土壤水分与降雨过程的响应不同,具有层次性和明显的滞后效应,其中,0~140 cm是影响该地区土壤水文过程的关键层次;(2)土壤水分再分配结束时,湿润锋最深深度达140 cm,土壤蓄水量达225.99 mm,较降雨前95.37 mm增加了1.37倍;(3)极端暴雨过程中湿润锋的运动随时间呈对数递减关系,其稳渗速率随容重增加而减小,呈指数函数递减;(4)极端降雨过程中该地区坡面草地的产流机制仍以超渗产流为主,对于揭示流域的产汇流机制和完善水文预报模型具有重要的科学意义。