黄河中游多沙粗沙区土壤水蚀时空变化及动态驱动力分析

[目的]揭示黄河中游多沙粗沙区2000-2020年土壤水蚀时空演变特征,分析其动态驱动力。[方法]基于RUSLE模型,计算多沙粗沙区逐年土壤水蚀模数,分析2000年、2005年、2010年、2015年、2020年土壤水蚀强度变化特征,利用Sen+MK趋势分析法结合Hurst指数探究土壤水蚀模数时空变化特征,使用参数最优地理探测器中的因子探测与交互探测量化年平均降水、海拔、坡度、植被覆盖度、土地利用/覆盖类型、土壤类型6个因子对土壤水蚀空间分布的解释力。[结果](1)2000-2020年5期多沙粗沙区中度、强烈、极强烈、剧烈侵蚀面积分别下降48.09%,77.93%,83.01%,36.13%;微度和轻度侵蚀面积分别上升46.22%,0.33%。现阶段多沙粗沙区以微度和轻度侵蚀为主,二者面积占比分别为62.49%,42.07%。(2)多沙粗沙区土壤水蚀模数总体年际变化呈波动显著下降趋势,由2000年的2214.89 t/(km^(2)·a)降至2020年的1169.44 t/(km^(2)·a)。2000-2020年多沙粗沙区土壤水蚀模数空间变化趋势主要表现为下降状态,面积占比为76.13%,未来仍将以下降状态为主,面积占比为62.50%。(3)6个因子间的交互作用解释力均大于单因子,且主要表现为非线性增强和双因子增强;多沙粗沙区土壤水蚀2000-2005年由降水和土地利用/覆盖主导,2010-2020年由植被覆盖度和土地利用/覆盖主导。[结论]2000-2020年多沙粗沙区土壤水蚀状况不断好转;未来共有62.50%的区域土壤水蚀模数为持续下降与未来下降状态,但仍有20.44%的区域存在上升的潜在风险;退耕还林还草工程改变土地利用/覆盖格局,使得多沙粗沙区土壤水蚀驱动力呈动态变化;在今后多沙粗沙区土壤水蚀防治,优化土地利用/覆盖格局时需要充分考虑坡度因子。

基于多源数据融合产品的黄河中游多沙粗沙区耕地时空动态变化

[目的]黄河中游多沙粗沙区是我国典型的生态脆弱区,准确量化该区耕地时空动态变化对评估区域粮食安全、生态修复效益、水土流失状况及黄河下游安澜等都具有重要意义。[方法]基于5种30 m高分辨率土地利用/覆被数据集产品(CNLUCC、GLC_FCS30、CLCD、AGLC-2000-2015、GlobeLand30),运用耕地利用动态度、偏差系数、转移矩阵、空间一致性分析等方法对比分析多源产品耕地在多沙粗沙区的时空特征,形成30 m分辨率高精度融合数据集产品,并对其进行验证,在此基础上基于融合产品分析1990-2020年黄河中游多沙粗沙区耕地的数量、分布、结构特征。[结果]现有多源数据集产品之间耕地特征存在较大差异,而融合产品精度均优于单独使用5种现有产品。基于融合产品分析发现,1990-2020年耕地面积呈先增加后波动式降低的趋势,退耕还林(草)工程实施为分界线;1990-2020年耕地面积净减少3170.59 km^(2),减少17.63%,且>15°的坡耕地面积占比逐年减少;耕地的动态转移类型主要为草地,其次为人工地表。退耕还林(草)等生态工程的实施和城镇化建设是导致耕地减少的主要原因。[结论]综合分析多源产品的优劣,基于目标地类融合和解释多源数据探究的有效方法,以深入研究某区域的地类特征,从而获得更为精确的研究结论。

黄河中游多沙粗沙区水土流失治理面临的关键问题与发展对策

黄河中游多沙粗沙区是黄土高原乃至全国水土流失最为严重、生态环境最为脆弱的地区之一。根据黄河流域生态保护和高质量发展国家战略对水土保持的新需求,在总结黄河多沙粗沙区土壤侵蚀状况、水土流失治理现状与成效基础上,分析了目前水土流失治理面临的关键问题,提出了构建区域水土流失防治新格局、建立多沙粗沙区水土保持空间管控制度、加强水土保持重大基础科技问题及关键技术研究、创新生态治理与乡村振兴融合发展模式、加快推动水土保持体制机制创新等对策建议。

黄河流域多沙粗沙区植被覆盖变化与减水减沙效益分析

通过遥感手段和数字流域模型,研究了黄河流域多沙粗沙区近10来年的植被覆盖变化及其减水减沙效益。研究表明,多沙粗沙区90年代末期与80年代末期相比,植被覆盖度增加区域大约占50%,植被覆盖度没变化区域约占48%。植被覆盖度的变化导致了流域水沙条件的变化,90年代末期植被覆盖条件下,植被措施的减水减沙百分比不高;不同的降雨过程,植被措施的减水减沙效益有一定的差别;从不同降雨过程多年平均看,近10来年植被措施年均减水2.63亿m3,减沙1.13亿t,减水减沙比为2.75,即减1亿t沙的同时减水2.75亿m3,减水百分比为7.61,减沙百分比为10.56,减沙效益大于减水效益。

黄土高原多沙粗沙区侵蚀产沙的多维临界

黄土高原多沙粗沙区侵蚀产沙受到自然要素和人文要素的综合作用。从该地区侵蚀产沙的自然和人文影响要素识别入手,比较系统地揭示了各主要影响因子侵蚀产沙过程的单维临界响应及其发生的内在机理,在此基础上建立了侵蚀产沙要素交互作用的多维临界综合集成模型,并依据该模型定量计算出目前该地区自然和人文要素及各主要影响因素分别对侵蚀产沙的贡献,最后提出了该地区水土流失治理的调控目标和现有治理措施的调整思路。研究结果表明:(1)由于该地区自然和人文要素的交互作用,使得各影响因素侵蚀产沙的单维临界响应发生位移和变化,达到复合临界极值的多维临界点趋于降低或基本保持不变。(2)该地区的侵蚀强度在自然和人文要素的交互作用下仍在加剧。其中,可分离的自然因素作用占80%左右,人为因素作用占20%左右。就自然因素而言,降水对产沙强度的贡献最大约为61%;(3)该地区水土流失的治理速度抵不上人为破坏速度;(4)在多沙粗沙区人为因素产沙贡献中,农业结构的贡献最大。这意味着该地区生态环境治理与建设首先要把农业结构调整和优化置于第一位。

基于转移矩阵的准格尔旗土地利用变化分析

[目的]土地利用是影响水土流失变化的重要因子,通过分析准格尔旗土地利用类型动态变化情况,掌握该区各土地利用类型变化去向,为分析该区水土流失状况提供依据。[方法]采用土地利用转移矩阵方法研究准格尔旗土地利用变化特征。[结果]2014—2016年,准格尔旗各土地利用类型变化不显著,表现为林地、草地、水域及水利设施用地占地面积分别减少16.02,12.66和2.48km^2,居民点及工矿交通用地、其他土地、耕地的占地面积分别增加18.63,10.53和1.72km^2;该区水土流失面积增加70.8km^2。[结论]准格尔旗减少的林地和草地主要转变为居民点及工矿交通用地和其他土地。结合水土流失数据分析表明,该区域水土流失面积的增加与林地和草地面积减少,以及林地和草地植被覆盖度的变化有关。

黄河中游多沙粗沙区水土流失动态变化分析

以2011年和2014年黄河中游皇甫川、孤山川、窟野河、秃尾河4条支流涉及的准格尔旗和神木县两期高分辨率遥感影像为主要信息源,提取了流域内植被覆盖、土地利用、土壤侵蚀等信息,结合各支流水沙情况,分析黄河中游多沙粗沙生态环境状况。结果表明:该区植被覆盖度提高,由低和中低覆盖度为主转变为中低和中覆盖度为主;土地利用方式变化主要集中在林地、草地和其他土地,植被面积增大;土壤侵蚀强度减弱,水土流失面积减小;大力实施水土保持措施对减少径流泥沙起到积极作用,生态环境得到明显改善。

基于数字平台的黄河多沙粗沙区分布式水文模型研究——以黄河岔巴沟流域为例

本文以黄河无定河水系岔巴沟流域为例,针对其气候、植被以及下垫面条件等时空变化特征,在全流域1∶1万DEM基础上,建立了具有物理基础的分布式流域水文模型,模型由网格单元的超渗产流模型和汇流模型组成,提出了考虑流域水保措施的流域汇流计算。使用该模型对1970～1989年大中场次洪水进行模拟计算,结果表明:计算值与实测值基本吻合。

多沙粗沙区梯田对径流影响的初步分析

在分析梯田入渗规律及其对径流影响机理的基础上,分析了坡改梯对径流的影响,确定了黄土高原多沙粗沙区北、中、西南部的单位面积梯田对径流的影响量。结果表明:梯田对径流影响的最大值出现在北部,特别是较高质量梯田(1、2级)在丰水年份,值最大;中部是影响值最小的地区,这一特点除与该区地形地貌有关外,还与该地区降水量和降水强度较大、产生洪水过程多等因素有关;西南部的影响值处于中部和北部之间,主要是该区特定的地形地貌和降水量偏大,且年内分配相对不甚集中和高强度暴雨相对偏少等因素综合作用的结果。

黄河中游多沙粗沙区近期水沙动态变化分析

以黄河中游多沙粗沙区1956—2004年为基准期,2005—2010年为监测对比期,对该区近期的降水量、径流量、输沙量的变化特征进行了分析。结果表明:与多年均值相比,监测期年均降水量增加了3.9%,而年均径流量减少了48.2%,年均全沙输沙量和d≥0.05 mm、d≥0.1 mm的粗泥沙输沙量分别偏少了85.9%、90.8%和93.0%。近期该区降水量呈现微弱的增加趋势,而径流量和输沙量呈现减少趋势,原因主要是监测期内该区没有发生大范围和高强度暴雨,加之退耕还林还草和封禁措施的实施,区域生态环境已明显改善。

黄河中游多沙粗沙区区域界定

经过研究和比较，采用指标法界定了黄河中游多沙粗沙区的区域。全沙模数大于５ ０００ｔ／ ｋｍ２的地区为多沙区，粗泥沙模数大于１ ３００ｔ／ ｋｍ２ 的地区为粗沙区，既是多沙区又是粗沙区的地区即是多沙粗沙区。在经过内业分析、外业查勘和遥感图片对照修正后，确定多沙粗沙区面积为７ ．８６ 万ｋｍ２ 。

多沙粗沙区露天煤矿水土保持生态效应的监测评价

[目的]通过开展露天煤矿水土保持生态效应监测评价,判定水土保持措施防护效果及其可行性。[方法]以陕西省神榆矿区西湾露天煤矿为例,以实际监测数据为支撑,从调水效益、保土效益和植被恢复3个方面建立了评价指标体系。采用德尔菲法确定了指标权重,利用线性加权求和法建立综合评价模型,最终计算得出该项目不同建设时期水土保持生态效应值。[结果]生态效应值为运行期(0.683)>试运行期(0.344)>施工前期(0.213);工程实施以来,治理总面积349.72hm^2,治理前后,水土流失面积由426.71hm^2下降到376.63hm^2,植被覆盖度由20.20%上升到27.18%,拦蓄径流量增加了7530m^3,保土量增加了6.90×10^4t。[结论]陕西省神榆矿区西湾露天煤矿通过实施水土保持方案设计的水土保持工程、植物等措施防护体系,取得了良好的治理效果和生态效应。

坡面产沙理论模型

坡面产沙计算是水土流失预测模型的基础.本文基于泥沙运动力学的基本概念,在概化的坡面上考虑影响侵蚀产沙的主要因素及其水力学关系,推导出坡面产沙量的计算公式.通过与坡面产沙实验资料对比,说明提出的坡面产沙计算公式结构合理,待定参数确定后可以作为预测坡面产沙的计算模型.

窟野河流域暴雨侵蚀产沙研究

本文利用黄河中游多沙粗沙区窟野河流域的水沙资料，对该地区雨洪、泥沙特性及侵蚀产沙特点进行典型分析．提出了降雨分布均匀性系数的概念，并将其与前期影响雨量等定量指标一起引入暴雨侵蚀产沙过程的水沙传递关系中，建立了流域出口径流含沙量与流量、前期影响雨量和降雨空间分布均匀性系数的定量关系．此结果对多沙粗沙区流域次暴雨侵蚀产沙预报，以及多沙粗沙区的治理具有重要意义．

黄河粗泥沙集中来源区输沙模数研究

黄河粗泥沙集中来源区输沙模数是淤地坝拦沙库容规模设计最重要的参数。受人类活动影响,1970—2007年实测多年平均输沙模数明显偏小,必须对其还原修正后方可应用于工程设计。采用长短系列对比分析法分析黄河粗泥沙集中来源区各水文站长系列(1954—2007年)实测多年平均输沙模数较短系列(1954—1969年)变化情况,并对长系列输沙模数进行还原,得出还原后黄河粗泥沙集中来源区多年平均年输沙总量和年输沙模数分别为3.19亿t、1.7万t/(km2.a),介于短系列和长系列实测值之间,多年平均年还原量为0.64亿t。

黄河中游多沙粗沙区粗泥沙输沙模数区域分布及产沙量分析

通过对黄河中游多沙粗沙区中d≥0.05 mm和d≥0.10 mm不同粗泥沙年输沙模数级的区域分布及产沙量的分析,得出d≥0.05 mm粗泥沙年输沙模数大于等于2 500、5 000和10 000 t/km2的粗泥沙来源区面积分别为5.82万、1.97万和0.22万km2,对应区域产生的全沙量分别占黄河中游多沙粗沙区全沙量的80.0%、35.6%和5.9%;d≥0.10mm粗泥沙年输沙模数大于等于350、700、1 400和2 800 t/km2的粗泥沙来源区面积分别为5.80万、3.94万、1.88万和1.17万km2,对应区域产生的全沙量分别占黄河中游多沙粗沙区全沙量的79.8%、58.3%、34.5%和24.2%。研究不同输沙模数级的区域分布、面积及产沙量,为粗泥沙集中来源区界定提供支撑。

用边际分析法确定黄河中游粗泥沙集中来源区

为进一步寻找并治理对黄河下游主槽淤积危害最严重的粗泥沙集中来源区,根据1960年未建三门峡水库前自然水沙条件下下游河槽淤积物粒径组成,确定出黄河中游粗泥沙集中来源区界定中的粗泥沙界限为0.1 mm。利用边际分析法在黄河中游多沙粗沙区确定粗泥沙集中来源区面积为1.88万km2。该面积仅占黄河中游多沙粗沙区面积的23.9%,可产生的全沙、粒径大于0.05 mm和0.1 mm的泥沙分别占同期多沙粗沙区相应沙量的34.5%、47.6%和68.5%。由此看出,该区是名副其实的粗泥沙集中来源区。

多沙粗沙区综合治理规划与减沙作用

黄河中游多沙粗沙区是我国水土流失最严重和生态环境最脆弱的地区之一。通过分析黄河中游多沙粗沙区的环境条件,揭示了该地区水土流失状况、治理成效和存在的问题,论述了多沙粗沙区综合治理规划:近期(2020年以前)实施综合治理面积3.92万km2,建设淤地坝1.53万座,其中骨干坝0.42万座。分析了其减沙作用:采用多沙粗沙区1956—2000年实测多年平均输沙模数1.02万t/km2分析计算,到2020年拦沙工程年平均拦沙能力新增1.56亿t,在该地区建设大中型拦沙坝、开展综合治理措施是减少黄河泥沙的有效途径。

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60-80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。

韭园沟流域典型淤地坝淤粗排细作用研究

对韭园沟流域8座典型淤地坝坝内淤积物进行野外挖探坑观测取样,将坝内淤积物和马兰黄土颗粒级配进行对比,初步分析淤地坝的淤粗排细作用机理。在空间分布上,垂直分布,淤地坝坝内淤积物具有一定的沉积层理,即粉土层与黏土层相间分布;水平分布,同一沟道上游淤地坝较下游淤地坝淤积物粒径粗,单坝远坝处较近坝处淤积物粒径粗。工程结构上,有放水建筑物的淤地坝,控制面积决定了其淤粗排细效果;控制面积相近的淤地坝,有无放水建筑物决定了其淤粗排细效果;水毁坝也具有一定淤粗排细作用。