黄土高原径流侵蚀功率输沙模型的改进

水土流失对流域生态危害严重,输沙量模拟和预测可以为流域水土流失防治提供依据,因此精确的输沙模型是流域水土流失治理的重要工具。为了精确模拟变化环境下黄土高原年输沙量,该研究基于黄土高原19个水文站的径流和输沙数据,通过随机森林变量重要性度量方法评估年径流侵蚀功率、淤地坝指数、淤地坝相对指数、归一化植被指数、不透水地面积等因子对流域年输沙量的影响,使用非线性最小二乘法估算年输沙模型参数,对比分析不同因子组合的年输沙模型精度,提出适用性较强的黄土高原年输沙模型,据此开展年输沙量变化贡献率分析。结果表明:1)以幂函数形式构建的仅含径流侵蚀功率单因子输沙模型精度与流域面积有显著的负相关关系,相关系数为-0.505(P<0.05),模型精度随着流域面积增大而下降,在面积大于7000 km^(2)的流域适用性较差;2)年径流侵蚀功率、淤地坝指数及不透水地面积因子组合建立的多因子年输沙模型在黄土高原适用性最佳,模型在率定期纳什效率系数平均值为0.84,均方根误差平均值为0.21亿t,在验证期纳什系数平均值为0.79,均方根误差平均值为0.27亿t。3)影响研究流域年输沙量变化的因素依次是:年径流侵蚀功率、不透水地面积和淤地坝指数。研究可以为黄土高原不同区域水土流失防治和生态治理工作提供理论支撑。

基于径流侵蚀功率的长江典型流域能沙关系模型及改进

基于径流侵蚀功率概念建立流域能沙关系模型,可为长江流域泥沙变化精准模拟与水土保持规划提供技术支撑。该研究以长江典型流域及其典型小流域为研究对象,通过收集1965—2018年金沙江流域、嘉陵江流域和湘江流域3个典型流域逐日水沙数据以及万安和李子口2个典型小流域2014—2020年场次降水径流泥沙数据,采用径流侵蚀功率、径流量和降雨侵蚀力对比分析不同时空尺度水沙(径流量和输沙量)、雨沙(降雨侵蚀力和输沙量)和能沙(径流侵蚀功率和输沙量)关系的优劣性,解析能沙关系优越性,并识别能沙关系非一致性变化,从而改进能沙关系模型提高流域输沙量模拟精度。结果表明:1)长江流域3个典型流域及2个典型小流域,在绝大部分情况下能沙关系的表现总是优于水沙关系和雨沙关系,在场次、月和年尺度修正的决定系数最大值分别可达到0.94、0.87和0.54。2)对于不同时间尺度,其流量序列中任意2个流量乘积与输沙量的相关性较高时,第一个流量Q_(1)分位点总是接近1且第二个流量Q_(2)分位点在0.5附近或者高于0.5。基于径流侵蚀功率可以较为准确地计算不同时空尺度流域输沙量,具有明显适用性。3)随着时间升尺度,水沙、雨沙和能沙关系逐渐变差,3个典型流域径流侵蚀功率和输沙量在一些月份上均存在显著变化趋势和显著突变点(P<0.05)。特别是在年尺度上,输沙量均为显著减少趋势(P<0.05),其能沙关系均表现出非一致性变化。4)水库建设和植被增加是导致流域能沙关系变差的重要原因,其均与输沙量呈现极显著负相关(P<0.001)。通过考虑水库指数和NDVI改进能沙关系模型的年决定系数(R^(2))可提高27.28%~97.62%。研究成果可支撑开发新的流域泥沙预报模型,服务长江流域生态保护与高质量发展。

长江上游凯江流域径流侵蚀功率时空分布与输沙关系

水土流失是长江上游面临的首要生态环境问题,准确把握区域水土流失的规律及其发展趋势是关键。基于SWAT模型和径流侵蚀功率理论,分析了该区域典型流域凯江的径流侵蚀功率时空分布特征及其与输沙的关系。结果表明:径流模拟结果在率定期和验证期基本满足R^(2)>0.85,NSE>0.75,PBIAS<±15%,评价指标均达可信以上程度。2009—2018年径流侵蚀功率年际变化大,在多年尺度上干支流表现出“上游大、下游小”的空间分布特征。另外,多种水沙关系对比分析表明,输沙模数与径流侵蚀功率主要呈幂函数关系。研究成果可为科学治理水土流失和准确预测输沙提供理论依据。

基于SWAT模型的渠江流域径流侵蚀功率时空规律分析

探明流域径流侵蚀功率的演变规律对重点侵蚀区识别和土壤侵蚀防治至关重要。以嘉陵江右岸支流渠江流域为研究区,基于SWAT模型模拟计算流域径流侵蚀功率,分析其时空分布特征与空间尺度效应,并通过聚类分析、相关性分析揭示其对流域气象、地形、土壤等因素的关系。结果表明:渠江流域年尺度的径流侵蚀功率大于季尺度,其中第3季度为土壤侵蚀重点防治时段;全年和第3季度的多年平均径流侵蚀功率均呈现出北部大南部小、西部大东部小、上游大下游小的空间分布特征;渠江干流与其支流大通江的多年平均径流侵蚀功率和流域控制面积之间均呈幂指数关系,且其变化规律存在空间阈值,在年尺度干流和大通江的阈值面积分别为8549.4和8504.4 km^(2),在第3季度干流和大通江的阈值面积分别为4834.9和6223.5 km^(2);气象因子、地形因子和流域形态因子为渠江流域径流侵蚀功率的主要影响因素。研究结果可为制订渠江流域土壤侵蚀治理方案提供决策依据。

联合径流侵蚀功率与连通性指数识别流域侵蚀对植被恢复的响应

为识别植被恢复流域侵蚀变化过程,本研究构建了包含RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation)、IC(Index of Connectivity)和基于SWAT(Soil and Water Assessment Tool)的径流侵蚀功率方程所构成的侵蚀过程识别模型方法框架,以探究延河流域侵蚀过程的变化及对植被恢复的响应特征。结果表明:延河流域侵蚀情况总体持续向好,1985—2000年间多个年份的流域平均侵蚀模数超过80 t·hm^(-2)·a^(-1),而在2015年左右下降至10~30 t·hm^(-2)·a^(-1),植被恢复造成了流域侵蚀的动态变化,两者呈负相关的年际变化趋势,表明植被增加在较大程度上抑制了土壤侵蚀。径流侵蚀功率时空变异性较大,最大值从1985年的13.28×10^(-4)m^(4)·s^(-1)·km^(-2)下降至2020年的4.40×10^(-4)m^(4)·s^(-1)·km^(-2),在空间上则呈现支流大干流小的特点,而当嵌套流域面积小于1000 km2时径流侵蚀功率随面积减小呈幂函数趋势增加,因此需要重点关注小尺度中的径流侵蚀事件。IC表现为坡面小而沟谷大的空间格局,整个流域的IC变化范围从-13.11至1.95,其在中游较小而在上游和下游较大,且随嵌套面积增加而下降。IC与NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)在时间尺度上高度相关(R2=0.98),IC随植被增加有减小趋势,表明植被的增加阻碍了泥沙路径的连通程度。同时,IC和侵蚀保持较强的相关性,高IC区域的侵蚀治理应是流域管理的重点。总体上,该模型方法框架运用良好并提供了一种新思路以探究流域侵蚀规律。

基于径流侵蚀功率的流域次暴雨输沙模型研究--以岔巴沟流域为例

流域次暴雨侵蚀产沙模型研究是国内外土壤侵蚀研究的重点领域之一。提出了基于径流深和洪峰流量模数两个流域次暴雨洪水特征参数的径流侵蚀功率的概念;利用岔巴沟曹坪水文站1959至1990年间历年实测的次暴雨洪水径流泥沙资料,系统研究了该流域次暴雨径流侵蚀功率与流域输沙模数之间的相关关系,建立和验证了基于径流侵蚀功率的岔巴沟流域次暴雨输沙模型。结果表明,岔巴沟流域次暴雨径流侵蚀功率与流域输沙模数之间具有极显著的幂函数相关关系;模型验证期的次暴雨输沙模数模拟值与实测值之间具有较好的一致性。

不同空间尺度次暴雨径流侵蚀功率与降雨侵蚀力的对比研究

【目的】提出径流侵蚀功率的概念,对比分析降雨侵蚀力和径流侵蚀功率在表征次暴雨水力侵蚀动力上的优劣。【方法】基于次暴雨洪水过程中径流深和洪峰流量模数2个重要的水文特征参数,提出了径流侵蚀功率的概念,并利用岔巴沟流域团山沟径流场和纸坊沟流域2个不同空间尺度实测降雨径流泥沙资料,对径流侵蚀功率和降雨侵蚀力表征次暴雨水力侵蚀动力的优劣进行了比较。【结果】径流侵蚀功率可以更好地表征坡面和流域尺度的次暴雨水力侵蚀动力,更能体现天然降雨和下垫面特性对次暴雨侵蚀产沙的综合影响。【结论】与通用的降雨侵蚀力相比,径流侵蚀功率更适宜用作坡面、流域尺度次暴雨侵蚀产沙模型的侵蚀动力因子。

无定河流域径流侵蚀功率时空变化特征

不同尺度的径流侵蚀输沙关系尚未明确,亟待深入研究。为了探究流域径流侵蚀输沙的时空变化特征,基于水蚀动力过程的径流侵蚀功率理论,运用Mann-Kendall法和线性回归法分析了无定河流域1956—2010年年径流侵蚀功率和年径流量的时空变化;利用Mann-Kendall突变点检验,识别出径流的突变年份,对比分析突变年份前后的年径流侵蚀功率和年径流量变化,分析建立了年径流侵蚀功率—输沙相关模型。结果表明:1956—2010年,无定河流域年径流量与年径流侵蚀功率有显著减小趋势,径流突变年份在1971—1985年。突变年份之前流域年径流侵蚀功率平均标准差高于突变年份后;突变年份之后年平均径流侵蚀功率比突变年份前平均减少1.05×10^-4 m 4/(s·km^2);年径流侵蚀功率随流域面积的增大而减小。流域径流侵蚀功率—输沙相关模型相关性显著(p<0.01)。研究阐明了无定河流域年径流侵蚀功率具有减少趋势,在空间上随流域面积增大而减少,在流域年尺度上径流侵蚀功率理论能够较好的表征径流侵蚀输沙关系。

径流侵蚀功率理论在不同尺度坡面侵蚀产沙中的应用

基于次暴雨洪水过程中径流深、洪峰流量模数2个的重要水文特征参数,提出了用以描述坡面次暴雨水蚀动力的径流侵蚀功率的概念,并以岔巴沟流域团山沟不同空间尺度径流场历年实测次暴雨径流泥沙资料为基础,分析了径流侵蚀功率与坡面径流场次暴雨侵蚀模数之间的相关性,提出了适用于坡面次暴雨侵蚀产沙计算的基于径流侵蚀功率的坡面次暴雨水沙响应关系。研究结果表明:径流侵蚀功率与坡面次暴雨侵蚀模数之间存在极显著的幂函数相关关系,径流侵蚀功率可以较好地表征坡面次暴雨水力侵蚀动力。本研究成果可为黄土高原坡面次暴雨侵蚀产沙模型侵蚀动力因子的确定提供参考。

不同时间尺度下流域径流侵蚀功率输沙模型模拟精度

流域不同时间尺度下的水沙关系及其模拟预测是国内外水土流失研究的热点问题,基于水蚀动力过程的径流侵蚀功率理论,建立了径流侵蚀功率输沙模型,选取黄河一级支流无定河流域的实测径流泥沙资料,系统研究了年、月和次暴雨3种不同时间尺度下的径流侵蚀功率和输沙量之间的相关关系,对比分析了径流侵蚀功率输沙模型与径流-输沙模型在表征流域径流侵蚀输沙上的优劣。结果表明:1975-2010年,无定河流域径流、输沙和径流侵蚀功率在不同时间尺度下均呈下降趋势;不同时间尺度下的径流侵蚀功率输沙模型的R^2相对于径流-输沙均较高,表明基于径流侵蚀功率的流域径流侵蚀功率输沙模型在不同时间尺度上均能够更准确地表征径流侵蚀输沙关系。

基于SWAT模型的清水河流域年径流侵蚀功率空间分布

为了从能量学的角度解释流域水力侵蚀的空间分布情况,选取可以更好表示流域下垫面条件、降雨及其产生的径流对水力侵蚀综合作用的径流侵蚀功率,以宁夏回族自治区水土流失严重的清水河流域为研究对象,基于SWAT模型模拟研究了清水河流域年径流侵蚀功率的空间分布特征及其空间尺度效应。结果表明:(1)清水河流域多年平均径流侵蚀功率在流域内呈现“支流大,干流小;东部大,西部小”的空间分布规律;(2)当子流域出口断面控制面积小于4000 km^(2)时,子流域多年平均径流侵蚀功率与子流域出口断面集水面积间呈显著的幂函数关系;当子流域出口断面集水面积大于4000 km^(2)时,子流域多年平均径流侵蚀功率稳定在1.56×10^(-5)m^(4)/(s·km^(2))左右;(3)优先选择处于清水河上中游区域且出口断面集水面积小于84.85 km^(2)的小流域进行生态治理,可取得良好的水土流失治理效果。因此径流侵蚀功率具有一定空间分布规律且与流域集水面积间具有显著相关关系,掌握这一规律和相关关系可为流域生态治理提供理论支持。

黄土高原典型流域次降雨径流侵蚀产沙规律研究

【目的】研究黄土高原地区小流域次降雨径流侵蚀产沙规律,建立适宜于该地区的侵蚀产沙预报模型。【方法】根据岔巴沟流域32年实测的水沙资料,采用径流侵蚀功率、地貌分形信息维数的计算模型及多元非线性回归方法,分析了黄土高原地区岔巴沟流域的次降雨径流侵蚀产沙规律。【结果】岔巴沟流域次降雨侵蚀产沙模数Ms与径流侵蚀功率E、地貌形态分形信息维数Di有很好的相关性,模型具有较高的精度和一定的适用性。【结论】基于流域径流侵蚀功率与地貌形态分形信息维数的岔巴沟流域次降雨侵蚀产沙预报模型,能够近似反映不同尺度流域次降雨径流侵蚀产沙特性及水沙传递的关系,为建立具有广泛适用性和较高预报精度的黄土高原流域次降雨径流侵蚀产沙预报模型提供了理论依据。

川中丘陵区典型小流域不同洪水类型的侵蚀输沙特征

为探究川中丘陵区典型小流域不同类型洪水的侵蚀输沙特征,以四川省盐亭县万安小流域为研究对象,基于2015—2019年实测水文泥沙数据,以产流历时、径流深和洪峰流量作为分类指标,采用快速聚类分析法和判别分析法将统计洪水事件划分为A、B、C三类,并进一步探析了各类洪水的侵蚀输沙特征和不同洪水类型的输沙模数与其径流侵蚀功率之间的函数关系。研究结果表明:不同洪水类型下的产流历时、径流深、洪峰流量大小排序均为B>A>C,输沙模数、最大含沙量、平均含沙量大小排序均为B>A>C;B、A、C三种类型洪水的相对输沙模数之比为3.62∶1.41∶1,与C型洪水相比,A型洪水的平均输沙模数增加了41%,B型洪水的平均输沙模数增加了262%,表明不同类型洪水在径流深相同的条件下由水沙关系引起的输沙效应较大;万安小流域不同类型洪水的径流侵蚀功率和输沙模数之间具有较为显著的幂函数相关关系。

清水河流域场次洪水输沙特性及关键影响因素

[目的]揭示水沙对关键环境因子的响应规律,以期为促进黄河流域水土保持综合治理提供理论基础。[方法]利用清水河流域场次洪量和输沙量数据,基于径流侵蚀功率理论和随机森林等方法系统分析了清水河流域场次洪水输沙特性及其关键影响因素。[结果]流域产洪输沙量呈现显著的空间分异特性,影响不同子流域洪水输沙过程的主要参量有所区别。随机森林结果表明在小量级洪水频发的区域主要影响因素为径流深、洪水历时与洪峰流量,而在中量级洪水频发的区域则分别为径流深、洪峰流量与平均流量。在侵蚀产沙的解释变量中引入表征径流过程的复合指标更能综合体现天然降水和流域下垫面属性对次洪过程侵蚀产沙的影响,其拟合精度相较于传统的径流-输沙关系更高。[结论]相比于传统的径流深、平均流量或者洪峰流量等单一径流参量指标,径流侵蚀功率更适宜描述次洪尺度水沙关系。

基于植被恢复的黄土高原典型流域次洪水沙特征分析

研究大规模植被恢复条件下岔巴沟流域次洪水沙变化,对揭示黄土高原土壤侵蚀演变规律和黄河水沙调控具有重要作用。基于101场洪水事件,结合NDVI和降雨数据,通过分析不同生态建设时期岔巴沟流域次洪水沙变化特征,选取2场典型洪水事件进行对比,揭示次洪输沙与径流侵蚀能量的关系。结果表明:时期Ⅱ的次洪平均径流量是时期I的1.86倍,但平均输沙量仅为0.52倍。在4个洪峰流量分级中,时期I的次洪平均输沙模数明显高于时期Ⅱ。与NO.2洪水事件相比,NO.100洪水事件的径流过程和输沙过程具有良好的同步性,洪水历时更长,洪峰流量、输沙峰值明显较低。时期I和Ⅱ的次洪输沙模数均随径流侵蚀功率的增加而增加,但时期Ⅱ的输沙模数整体低于时期I。研究结果表明大规模植被恢复对黄土高原典型流域次洪输沙的调控作用较径流更为显著。

不同草被格局坡面水土-养分流失动力过程试验研究

利用模拟降雨试验研究不同草被格局对坡面水土-养分流失过程及径流侵蚀动力的影响,分析水土-养分流失量与径流侵蚀功率、草被格局、盖度及坡面坡度等因素之间的关系。结果表明:径流侵蚀功率随着草被盖度的增大呈幂函数减小,且28°坡面的径流侵蚀功率大于相同条件下的21°坡面;在相同植被盖度、坡度和降雨条件下,径流侵蚀功率随草被覆盖格局不同而不同,表现为坡下聚集格局径流侵蚀功率>坡中>坡上;坡面水土-养分流失量随径流侵蚀功率的增加呈对数递增关系,径流侵蚀功率可作为坡面水土-养分流失过程的驱动力指标。

变化环境下黄土丘陵沟壑区次暴雨输沙模型参数

气候变化和人类活动加剧了水资源时空分布的变化,使流域暴雨洪水规律更为复杂,因此开展变化环境下的次暴雨计算产流输沙规律研究十分必要。本文以黄土丘陵沟壑区6个典型流域为研究对象,采用径流侵蚀功率、Mann-Kendall趋势检验和Pettitt突变点检验法分析6个典型流域1984—2014年的次暴雨资料的变化特征。结果表明:6个典型流域次洪流量和输沙量总体呈减少趋势;洪峰、沙峰、洪量以及输沙量突变年份集中在1998和2003年;径流侵蚀功率和输沙模数之间满足幂函数分布,幂指数参数b能够表征降雨和下垫面因素对流域产沙和输沙的影响,参数b受气候变化和人类活动影响较大。突变前后径流侵蚀功率和输沙模数关系显示:突变前参数b倾向于0.60,突变后参数b倾向于0.85;因此次暴雨输沙模型中参数b可以作为水土保持防治以及改善水土流失区域生态环境的参考指标。

砖红壤区降雨因子对产流产沙的影响

应用三种无量纲化的灰色关联法分析了12个降雨因子对于砖红壤区裸地和桉林地产流的影响,以及15个降雨径流因子对于产沙的影响。结果表明:无量纲处理方法不同将导致因子关联度排序出现变化;复合因子的关联度大多数都高于单因子;与PI30相比,在砖红壤区裸地中PI5更能代表降雨侵蚀力指标,而桉林地则是PI10;Qm′H在桉林地比通用的降雨侵蚀力更适于作为坡面降雨侵蚀模型的侵蚀动力因子。研究结果将有助于建立灰色关联法在土壤侵蚀研究中的标准化程序,为建立砖红壤区土壤侵蚀预报模型提供理论支持。

淤地坝对次洪事件侵蚀动力及输沙的调控作用

淤地坝对流域产沙的调控作用是黄土高原水土保持与治理研究中的焦点问题。该文以黄土高原岔巴沟三川口站的控制流域为例,采用一维沟道非平衡输沙模型,研究了单座淤地坝对次洪事件的水沙调控作用。结果发现:无坝和有坝情形的计算域出口径流侵蚀功率与输沙模数之间均为幂函数关系,但无坝情形下的幂函数关系不能推广到有坝情形,体现了淤地坝的调控作用,并且淤地坝淤积状态、洪水频率是淤地坝调控作用的重要影响因素。进一步研究发现,淤地坝存在拦沙失效淤积比例,对于特大洪水到一般洪水,失效淤积比例在88.3%~93.6%之间,而工程中的经验常数值仅适用于小洪水情形。