黄河流域水土保持科研进展及成效

从新时期黄河治理国家战略对水土保持工作的需求出发,回顾了黄河流域水土保持科研进展,包括水土流失规律研究、淤地坝拦沙减蚀作用研究、土壤侵蚀预测预报技术研究、水土保持减水减沙效益分析、水土流失治理技术研究、水土保持科研平台建设等。同时,对近年来取得的重大科研成果进行了系统总结,包括黄河多沙粗沙区分布式土壤流失模型、粗泥沙集中来源区界定与水沙变化、黄河流域砒砂岩区辨识与抗蚀促生关键技术及应用等。对黄河流域水土保持科研进展及成效进行了梳理,以期为保障黄河长治久安、推动黄河流域生态保护与高质量发展提供参考。

GPM与TRMM降雨数据在黄河流域适用性分析

GPM(Global Precipitation Measurement)是继TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)之后的新一代全球卫星降水测量计划。GPM扩展了TRMM传感载荷,提升了降水观测能力。以GPM和TRMM重合期(2014年3月—2015年4月)数据为对象,利用黄河流域内76个气象站点的降雨实测数据,探讨了两种卫星降水数据在黄河流域的适用性,并分析了流域内两种卫星降水数据误差的时空分布。结果表明:年尺度上,GPM与TRMM卫星数据与实测降水量的决定系数分别为0.78,0.86,总体一致性较好,但分别存在2.46%与2.19%的相对高估。季节尺度上,春、秋两季数据精度高,夏季卫星降水数据相对于实测降水量存在较大的绝对误差,冬季则相对误差较大。月尺度上,除7月、8月外卫星降水数据均大于实测降水量,相对误差最大值出现在12月,绝对误差最大值出现在9月。单站点验证结果表明GPM与TRMM卫星降水数据在流域北部的陶乐、惠农、临河等区域数据精度偏低,而在广大的流域中南部区域卫星降水数据与实测降水量有较高的一致性。

2000-2016年黄河源区植被NDVI变化趋势及影响因素

NDVI是研究区域植被变化的重要表征性指数。基于2000—2016年的MODIS NDVI遥感数据和同时期地面气象数据,采用非参数检验方法曼—肯德尔法(Mann-Kendall)检验法、斜率变化趋势分析法、复直线回归分析法等多种时间与空间分析方法,研究了黄河源区生长季植被覆盖时空变化及其与气候因子的相关性,探索黄河源区植被与气候变化的时空耦合关系,分析了气候因素及人类活动对植被覆盖的影响。结果表明:黄河源区NDVI在2000—2016年期间没有特别明显的突变年份;源区70.4%的区域植被NDVI是增加的,增长率大部分处于0～0.004/a。复直线回归分析显示气象因素对源区植被生长变化起到主要的促进作用,99%的区域NDVI气候因素贡献值为正值。人类活动促使植被NDVI增加的区域占总面积的比例是55%,说明人类活动等因素对黄河源区的生态环境产生一定的积极影响,但仍有接近50%的区域人类活动使NDVI减少,高寒草地的退化的趋势没有得到有效遏制。

黄土丘陵沟壑区多尺度地貌单元输沙能力及水沙关系

以黄土丘陵沟壑区裴家峁沟为原型观测流域,利用流域内相互嵌套的全坡面径流场、水文站网等观测设施,定量研究黄土丘陵沟壑区不同空间尺度地貌单元水沙关系和输沙能力特征。结果表明:1)坡面尺度地貌单元的径流深和输沙模数在多年平均时间尺度上均大于流域尺度地貌单元。当地貌单元空间尺度达到流域尺度时,多年平均径流深随着流域尺度增加而增加,输沙模数与流域面积之间存在着负相关关系。但在次降雨条件下,不同空间尺度地貌单元径流深和输沙模数峰值可能出现在全坡面、桥沟一支沟、桥沟或裴家峁沟。2)不同空间尺度地貌单元水流输沙能力随着空间尺度的增大而减少,相对于裴家峁沟,全坡面径流场、桥沟一支沟和桥沟的单位水流功率含沙量分别是裴家峁沟的186、77和58倍。3)不同空间尺度地貌单元径流量与输沙模数的水沙关系表现出较好的线性关系,且径流量与输沙模数关系随着空间尺度增加更为密切,但随着空间尺度增加,径流量和输沙模数的水沙关系曲线斜率急剧减小。研究成果可为水土流失空间尺度效应及尺度转换的研究提供科学依据。

人工降雨下草被对黄土丘陵沟壑区坡面径流的调控及临界阈值

黄土丘陵沟壑区降雨集中且多为暴雨,暴雨所形成的坡面径流是造成黄土丘陵严重水土流失的主要原因,而草地植被对坡面径流有良好的抑制作用,草地植被能够通过改变坡面下垫面条件、土壤入渗率来阻延坡面径流的产生,因此揭示草地植被对坡面产流过程的作用及调控机理对于控制该地区的水土流失具有重大意义。该研究以黄土丘陵沟壑区典型草地坡面为研究对象,通过野外人工降雨,探究坡面降雨-产流过程对不同草被覆盖度的响应规律。结果表明,(1)坡面流达到稳定产流时间随着草地植被覆盖度的增大所需时间更长;稳定产流时间随着降雨强度的增大而减小。(2)在60 mm·h^−1的降雨强度时,草地植被覆盖度的阈值为75.38%;在90 mm·h^−1的降雨强度时,草地植被覆盖度的阈值为90.54%;而对于120 mm·h^−1的特大降雨强度时,草地植被覆盖对于径流的影响不显著。(3)坡面流的雷诺数和弗劳德数分别为40.07-695.22和0.33-1.56,阻力系数为1.42-43.53。降雨强度越大,草地植被覆盖度对这些参数的影响逐渐减弱。黄土丘陵的降雨特点多为暴雨,草被对坡面径流的调控作用在强暴雨下不是特别显著,应当辅以林木、灌木措施,才能更有效地控制水土流失。若是只考虑草地植被对坡面的调控作用,90%左右的草地植被覆盖度能够最大效率的应对黄土丘陵沟壑区的降雨状况。

无人机高分辨率遥感影像分类方法研究

无人机遥感技术的发展,能够为信息领域实时地提供极其丰富的空间信息,如何处理和应用无人机获得高分辨率影像是当今研究热点。面向对象的分类方法相比与传统基于像元的分类方法能使分类精度和信噪比得到显著改善。论文利用高分辨率无人机影像,分别以面向对象法和基于像元法分别影像进行信息提取,并以混淆矩阵和KAPPA系数来评价它们分类效果。证明了在高分辨率遥感影像分类中,面向对象的遥感影像分类方法与传统遥感影像分类方法相比能获得更好的分类效果。但是,建立更加完善的精度评价体系以及如何在不同的尺度和区域选取合适的分类方法,还要开展更多的研究和验证工作。

河南省淤地坝建设与运用情况调查与分析

淤地坝是豫西山地重要的水土保持工程措施。根据对河南省淤地坝情况的调查和统计,至2019年,河南省共有淤地坝821座,总库容11895.51万m^3,控制流域面积1392.47 km^2,设计拦沙总库容为5570.09万m^3,已淤积库容2777.52万m^3,总淤积比为49.87%。淤地坝的蓄水灌溉功能成为重要的应用方向,全省具有灌溉功能的淤地坝数量为100座。根据实际调查,分析了目前河南省淤地坝建设和管理方面存在的主要问题,提出了相应的意见和建议。

基于淤地坝沉积信息的流域土壤侵蚀模数估算

准确客观评估土壤侵蚀模数是评价流域水土保持措施效益的基础。以小理河流域为调查区域,利用流域内的21座闷葫芦坝和194座排水不畅淤地坝的泥沙沉积信息,测算了闷葫芦坝和排水不畅淤地坝的淤积量,计算了每个淤地坝坝控流域的土壤侵蚀模数,分析了影响土壤侵蚀模数的因素,建立了土壤侵蚀模数与暴雨量之间的关系。结果表明:闷葫芦坝和排水不畅淤地坝拦沙模数(土壤侵蚀模数)的空间分布和暴雨空间分布具有显著的同步性,土壤侵蚀模数与暴雨量之间呈显著的线性关系。利用土壤侵蚀模数与暴雨量之间的关系式,推算2017年"7·26"暴雨下小理河流域平均侵蚀模数为16 503 t/km2。

基于AMSR2微波植被指数与地表温度的旱情分析

基于微波数据全天时、全天候、不受云层影响等优点,选取了2012年7月—2016年12月的AMSR2微波数据中的10,18,36.5GHz水平垂直极化亮温数据反演微波穿透指数MVI与微波极化差异指数MPDI_(18),MPDI_(36.5),构建了微波植被指数与光学地表温度的微波旱情指数TMVDI,TMPVDI_(18),TMPVDI_(36.5),并与光学旱情指数TVDI进行了对比,分析了微波旱情指数在黄河流域旱情监测中的适用性。结果表明:微波旱情指数时空变化趋势与光学旱情指数基本保持一致;微波旱情指数在黄河流域旱情监测中具有很好的适用性,在大部分地区微波旱情指数反演效果优于光学旱情指数;光学、微波旱情指数与降雨因素的相关分析也表明微波旱情指数与降雨的相关关系整体优于光学旱情指数与降雨的相关关系,且微波旱情指数与降雨相关关系较好的区域集中在黄河流域南部地区。

黄土丘陵沟壑区典型治理小流域水沙输移的尺度效应

近年来,水土流失的尺度特征及尺度效应一直是土壤侵蚀研究的前沿。文中通过对黄土丘陵沟壑区第一副区不同空间尺度互为嵌套的小流域(5.97km^2的王茂沟小流域和70.1km^2韭园沟小流域)监测数据的分析,比较了流域治理措施实施后不同空间尺度小流域产流产沙过程及其对降雨事件的响应,揭示该流域淤地坝建设等措施对小流域泥沙输移特征的影响及其尺度效应。研究结果表明:两个尺度小流域径流对降雨响应过程均十分迅速,且退水后几乎没有基流,这同南方丘陵区小流域不同;王茂沟和韭园沟小流域径流量迅速增大,达到峰值后逐渐回退,大致在降雨停止6小时后完全消退;源头小流域(王茂沟)地表径流系数相较更大尺度小流域(韭园沟)略低,土壤流失量则相反;治理后的韭园沟小流域高含沙水流现象减少。重力侵蚀仍是源头区域发生高含沙径流的潜在影响因素,小流域尺度水土流失防治应重点治理源头区域。

西柳沟流域近期水沙变化归因分析

根据1960～2010年实测水文资料和水土保持治理实地调查资料,以1989年作为流域治理前后的分界年,对黄河内蒙古段西柳沟流域水沙变化对下垫面治理的响应进行了归因分析。首次提出＂降雨产流产沙力＂的概念,发现流域产流产沙量与降雨产流产沙力关系最为密切。通过构建基准期降雨产流产沙力经验模型,进行流域水沙变化＂水文法＂分析;采用＂指标法＂计算了流域梯田、林地、草地、坝地和封禁治理等水土保持措施的减水减沙量。计算结果表明：1）西柳沟流域1990～2010年因水土保持综合治理等人类活动年均减水303万m^3,因降雨影响年均减水369万m^3,人类活动与降雨影响权重之比为45%：55%。1990～2010年因水土保持综合治理等人类活动年均减沙121万t,因降雨影响年均减沙209万t,人类活动与降雨影响权重之比为37%：63%。2）截至2012年西柳沟流域水土保持措施年均减水337.3万m^3,年均减沙106.6万t;在各项措施中林地的减水减沙贡献率均为最大,分别达到73.2%和66.2%。3）西柳沟流域水土保持综合治理应以工程措施为主,突出生态建设,实施分区治理。坝系建设应该是今后治理的重中之重。