Simulation of Runoff and Sediment Yield for a Himalayan Watershed Using SWAT Model

Watershed is considered to be the ideal unit for management of the natural resources. Extraction of water-shed parameters using Remote Sensing and Geographical Information System (GIS) and use of mathematical models is the current trend for hydrologic evaluation of watersheds. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) having an interface with ArcView GIS software (AVSWAT2000/X) was selected for the estimation of runoff and sediment yield from an area of Suni to Kasol, an intermediate watershed of Satluj river, located in Western Himalayan region. The model was calibrated for the years 1993 & 1994 and validated with the observed runoff and sediment yield for the years 1995, 1996 and 1997. The performance of the model was evaluated using statistical and graphical methods to assess the capability of the model in simulating the run-off and sediment yield from the study area. The coefficient of determination (R2) for the daily and monthly runoff was obtained as 0.53 and 0.90 respectively for the calibration period and 0.33 and 0.62 respectively for the validation period. The R2 value in estimating the daily and monthly sediment yield during calibration was computed as 0.33 and 0.38 respectively. The R2 for daily and monthly sediment yield values for 1995 to 1997 was observed to be 0.26 and 0.47.

秸秆覆盖对干态和湿态土壤产流过程的影响

秸秆覆盖是影响地表产流的重要因子,又是防治水土流失最有效的措施之一。利用人工模拟降雨研究秸秆覆盖对坡耕地干湿态土壤产流过程的影响。试验地位于江西省余江县中国科学院红壤生态实验站,土壤类型为红砂岩发育的红壤,试验小区长12 m、宽3 m,坡度为9%;人工模拟降雨历时1 h,降雨强度为60 mm/h;试验设置5个秸秆覆盖度（0%,15%,30%,60%和90%）和2种土壤前期含水量（干态和湿态）。结果表明,覆盖度为0%时,干态土壤径流系数在降雨30 min后达到稳定,覆盖度为15%,30%,60%和90%时,径流系数随着降雨时间推移都呈现逐步增加的趋势,1 h模拟降雨时段内没有达到稳定,其中,后30 min径流系数是前30 min径流系数的3.3倍。湿态土壤径流系数在模拟降雨开始后10~15 min内达到稳定,1 h模拟降雨时段内后30 min径流系数比前30 min径流系数增加不明显。5种秸秆覆盖度湿态土壤平均径流系数为0.76,干态土壤平均径流系数为0.26,湿态土壤平均径流系数是干态土壤的2.9倍。干态土壤径流系数对秸秆覆盖度敏感,湿态土壤对秸秆覆盖度不敏感。从经济实用和保水效果来看,15%~30%的秸秆覆盖是该区水土保持最佳的选择。

坡长对侵蚀产沙过程影响的模拟研究

通过室内模拟降雨试验探讨了坡长对侵蚀产沙过程的影响规律。实验结果表明 ,坡长是影响径流、侵蚀产沙的重要因素 ,径流量与坡长呈线性关系 ,侵蚀量与坡长基本呈指数关系。累积径流量与累积侵蚀产沙量均与降雨历时呈明显的直线关系 ,其斜率随坡长的增加而增大。坡长对侵蚀形态的演化也有重要作用 ,在试验条件下 ,0 .72 mm/ min雨强下 2 .5 ,5 ,7.5 ,10 m坡长小区均未发生细沟侵蚀 ;雨强增至 1.14mm / min时 ,10 m小区发生了细沟侵蚀 ;雨强大于 1.14mm / min时 ,7.5 m以上的小区均有细沟侵蚀发生。细沟发育时 ,坡面径流、侵蚀产沙量猛增 。

弃渣型泥石流输沙速率模型试验研究

近年来,弃渣型泥石流灾害时有发生。为了探索弃渣型泥石流输沙速率,以陕西省小秦岭金矿区的大西岔沟为研究背景,对大西岔沟泥石流的孕灾条件和成灾特征进行了详细的野外调查,发现该区域地形陡峻,弃渣总储量丰富,具备良好的泥石流孕灾条件。同时,泥石流在沿程运动和演化过程中,将具有明显的沿程放大和链生特征。结合野外调查资料,理论推导了弃渣型泥石流输沙速率的计算方法,并根据相似准则设计了水槽模型试验,对计算理论中的冲刷系数进行了率定。试验数据表明冲刷系数的取值范围在3.2×10^(-5)~7.1×10^(-5)m·s/kg之间。这些率定参数将用于后续的小流域泥石流产汇流过程研究之中,同时也为该区域其他相关研究以及泥石流监测预警提供科学参考。

流域侵蚀产沙过程随尺度变化规律研究

寻求不同尺度下侵蚀产沙过程的变化规律和普遍规律,是进行尺度转换的基础。本文以岔巴沟流域及其团山沟径流场实测水文数据为基础,探讨了不同尺度下流域径流过程、侵蚀产沙过程、水沙关系随尺度的变化规律。通过对峁坡、全坡面、毛沟、支沟、干沟的径流和泥沙分析表明,全坡面将流域径流过程、侵蚀产沙过程、水沙关系有机的区分开为坡面和沟道两种类型的变化过程,而全坡面又对毛沟的径流和泥沙起主导作用。

黄土高原沟道降雨产流产沙过程变化的统计分析

根据子洲团山沟、蛇家沟、刘家沟、岔巴沟等４个不同等级沟道１９６３～１９６９年３０多次降雨的产流产沙实测资料，统计分析了黄土高原沟道降雨产流产沙过程变化的基本特征。

基于自动监测径流场的秸秆覆盖坡耕地产流产沙过程

设计了一个可用于坡面侵蚀过程研究的自动监测径流场,该径流场主要由6个径流小区和1套模拟降雨装置组成。采用德国UGT径流测量装置,实现地表径流的自动采样和记录。用设计的径流场对秸秆覆盖坡耕地的产流产沙过程进行了研究,结果表明相对于裸露地表,秸秆覆盖能明显降低各径流小区的产流率和产沙率,延缓产流增加趋势,减少产沙总量达54.5%-63.8%。因此,增加坡耕地土壤表面的秸秆覆盖量可有效避免产流在短时间内急剧增加,并能减少对土表的冲刷作用。

典型草原大型露天煤矿排土场边坡水蚀控制效果

以典型草原区大型露天煤矿排土场边坡不同治理措施为研究对象,利用标准径流场定位观测设施对不同治理措施植被生长-枯萎期间的次降雨产流产沙过程进行了连续观测,研究结果表明:在边坡植被恢复初期,由于实施治理措施对边坡的强烈扰动,不合理的治理措施导致边坡的土壤侵蚀量大于裸地;当植被盖度大于>35%时,不同治理措施的拦沙、蓄水、入渗能力明显强于裸地;降雨强度与降雨量是边坡产流产沙的主控因子,随着降雨强度和降雨量的增加而增加;裸露边坡的土壤侵蚀模数最大,为14 183 t/(km2·a),生态袋一字型布设措施的土壤侵蚀模数最小,为5 179 t/(km2·a);生态袋一字型布设措施的土壤侵蚀模数是裸露边坡的36.5%,是沙地柏+绣线菊灌丛(植被恢复4 a)的81.5%。可见,排土场边坡是一种极强烈侵蚀的人工再塑地貌,对其采用合理的生物措施+工程措施的治理措施要优于单纯的生物措施,是控制矿区排土场边坡土壤侵蚀的最有效途径之一。

长江中游低丘黄壤坡面地表产流产沙规律初探

通过野外人工模拟降雨试验,得出湖北省象鼻嘴小流域内2个板栗林梯地、2个花生农地(梯地、坡地各1个)径流小区在同等雨强条件下的产流产沙过程变化特征。结果显示:在水热状况、土壤、小地形等条件较一致的前提下,4个径流小区的初损雨量、历时表现为板栗梯地1>板栗梯地2>花生梯地>花生坡地;结合各径流小区产流产沙强度及累计过程线分析得出,梯地的水土保持效果明显优于坡地,坡地的产流产沙过程更为复杂;林地在拦蓄径流、增加入渗方面要明显优于农地;板栗梯地1,2的水沙流失特征差异显示出植被盖度、物种多样性等对地表产流产沙过程也有较大影响;各场雨的累计产流、产沙量与降雨历时之间符合Y=ax2+bx+c的多项式相关方程。

草本植被覆盖对坡面降雨径流侵蚀影响的试验研究

通过野外人工模拟降雨试验,研究了草本植被覆盖对坡面降雨径流侵蚀的影响,并从径流侵蚀功率和降雨侵蚀力两个方面对比分析了草本植被对坡面侵蚀动力的调控效果,结果表明草本植被覆盖深刻影响降雨侵蚀动力,并最终对坡面径流侵蚀量产生较大的影响。植被覆盖度为0%～60%时,产流产沙量随植被覆盖度的增加迅速降低,植被覆盖度>80%时,覆盖度的增加不能引起产流、产沙量的大幅度下降,植被水沙调控作用趋于稳定,确定本研究的临界植被覆盖度为60%～80%;以径流深和洪峰流量模数表示的坡面径流侵蚀功率以及降雨侵蚀力等侵蚀动力指标均与侵蚀产沙量呈正相关关系,但径流侵蚀功率与产沙量具有更强的相关性,说明径流侵蚀功率能更好地模拟侵蚀动力;以径流侵蚀功率/侵蚀量表示植被覆盖度对侵蚀结果的影响,反映了临界植被覆盖度的存在,可以作为评价植被侵蚀动力调控效应的一个指标。

晋西黄土高原小流域地貌演化特征与水沙过程的动态监测

长期以来,我国在黄土高原重点产沙区,小、中、大流域的水文特征进行了动态监测,取得了大量的宝贵资料,这些信息对于有关部门和广大科研人员研究土壤侵蚀规律,以及为水土保持治理决策与措施配置提供科学依据起到重要作用。但由于已往研究手段的限制,以地貌特征(包括以土地利用方式)变化的动态检测缺乏系统研究。以地貌形态特征、土地利用方式的变化的动态检测,对于有关部门更加全面的认识地表剥蚀过程、人类活动的影响,提供了水沙检测替代不了的作用,是相关研究的重要内容之一。随着航天遥感、计算机软件技术的不断提高,将三维动态的地貌、土地利用方式与土壤侵蚀的过程相结合是交叉学科的重要研究方向。根据5期晋西王家沟小流域(从1959～1999)大比尺航片,在高程数字化模型(DEM)、正射影像图(DOM)制作的基础上,开展了40年来,以地貌特征并结合小流域水沙变化为目标的动态检测,为地貌演化、地表剥蚀过程研究提供了基础信息。

模拟降雨条件下人工草地产流产沙过程研究

运用人工模拟降雨研究了裸地及不同盖度沙打旺草地产流产沙过程。结果表明：裸地产流产沙过程可用指数函数ｙ＝ｅ^（ａ＋ｂｘ）型式描述；不同盖度的沙打旺草地产流产沙过程均可用幂函数ｙ＝ａｘ~ｂ来描述，且随着盖度由大向小变化，方程参数ａ值减小，ｂ值增大。

工程建设弃土弃渣水土流失过程试验研究

弃土弃渣是工程建设产生的最主要地面组成物质之一。采用野外放水冲刷试验方法,对黄河班多水电站工程区弃土弃渣水土流失过程进行了研究。(1)不同供水流量下,产流率随供水过程的动态变化整体呈增长趋势,可用幂函数方程描述,开始产流后的5 min内产流过程的变化幅度较大,随后较为平缓,并趋于基本稳定;(2)不同供水流量下,产沙率随供水历时的增长而减少,可用对数相关方程描述,小流量下变化过程波动较小,大流量下变化幅度较大;(3)不同供水流量下,含沙量随着供水历时的增长而减少,可用对数相关方程描述。各流量下的变化趋势基本一致;(4)次产流深、次产沙模数皆随供水流量的增大而增加,增加趋势基本相同,皆可用对数相关方程描述。平均含沙量随供水流量的增大先增加后减小,临界值为7.17 L/min,可用抛物线相关方程描述;(5)次产沙模数随次产流深的增大而增加,表现为很好的正相关关系,可用对数相关方程来描述。

不同次降雨条件对黄土区主要地类水沙动态过程的影响及其机理研究

通过野外人工模拟降雨试验,对不同次降雨条件下黄土丘陵区主要地类坡面水沙过程进行对比研究,分析降雨因素与产流产沙过程的关系,并对林草植被的水土保持机理做了有益探讨。结果表明,降雨因素是影响径流和产沙的主要动力因素之一,在不同降雨条件下,各地类小区产流产沙过程线均表现出较为强烈的波动趋势,产沙过程较产流过程波动更为剧烈,在植被覆度较低的黄土丘陵区,降雨强度是产流产沙的主控因子。不同地类的产流量和产沙量的变化,随着降雨强度的增强而增加,随着植物被覆度的增加,由于林草植被措施具有蓄水固土作用,减沙效益显著,降雨的影响相对降低。因此将陡坡耕地退耕还林还草是解决水土流失、恢复黄土高原良性生态环境的必由之路。

模拟暴雨条件下珠江上游不同地被产流产沙过程研究

利用人工模拟降雨,以裸地为对照,对珠江上游耕地、退耕地、滇石栎、圣诞树、云南松五种地被进行产流产沙试验研究。结果表明,6种不同地被产流产沙过程都遵循二次函数方程分布,产沙量大小依次为裸地>耕地>退耕地>圣诞树>滇石栎>云南松。枯枝落叶层具有良好的土壤保持功能。裸地和耕地是该地区侵蚀产沙的主要来源,退耕还林还草、建立生态防护林体系是保持水土和减少泥沙的有效措施。

广西猫儿山小流域场降雨产流过程及特征分析

场降雨条件下小流域的产流过程是水文学研究的热点问题之一。在广西猫儿山代表性林区,利用三角形量水堰,对地表产流过程及其特征进行了系统的研究。结果表明:林外降雨、地表径流和河川径流曲线波动基本一致;洪水产流曲线陡峭,随降雨变化洪水起伏较大,但洪水回落较慢,历时时间较长。河川径流洪峰最大流量与最大雨强几乎同时出现,洪峰的滞后效应不明显;河川径流对大气降水的响应有迟缓型、敏感型和平稳型的特点。河川径流与林外降雨量及前48h降雨量呈极显著相关。

天然降雨条件下横垄与顺垄坡面产流产沙过程

试验以天然降雨为侵蚀动力,采用标准径流小区法,对比研究了连续型降雨与间歇型降雨条件下横垄与顺垄玉米径流形成和泥沙迁移规律。结果表明:连续型降雨产流过程形态呈"W"或倒"V"形,产沙形态呈"W"或"M"形;顺垄产流与产沙时间长度一致,产流总量和产沙总量分别是横垄的1.66~5.80倍和5.02~5.52倍;顺垄与横垄产流产沙峰值差异显著,仅横垄与雨强存在错峰现象,延后1min。间歇型降雨产流形态为倒"V"形,产沙形态呈倒"V"或"M"形;顺垄产流和产沙总量分别是横垄的1.83倍和2.32倍;首次产流量占总量的70%以上,产沙量占总量的94%~100%,且横垄和顺垄与雨强均存在错峰现象,顺垄产流和产沙量较雨强延后1~4min,横垄延后1min;除首次产流外,其余产流产沙过程时间较短均无错峰现象。天然降雨条件下,横垄与顺垄产流产沙过程较为复杂,研究结果可为区域坡地水土流失防治及水土资源管理利用提供理论依据。

一维坡面土壤侵蚀数学模型研究

依据水沙运动过程的力学机理,将坡面水文模型和侵蚀产沙模型嵌套,构建了一维坡面侵蚀产沙数学模型,模型的水文模块涵盖了植被截留、蒸散发、入渗、地下水和地表水运动过程,侵蚀产沙模块则模拟了雨滴溅蚀、坡面流侵蚀以及坡面径流的输沙过程。利用径流小区径流和泥沙实测资料对模型进行检验,结果表明:水文模块的模拟精度较高,侵蚀产沙模块也能合理地计算坡面产沙量,整体效果较好。

雨强和坡度对嵌套砾石红壤坡面产流产沙的影响

采用人工模拟降雨的方法研究了嵌套砾石红壤坡面的产流产沙特征,分析了雨强(60,120mm/h)和坡度(10°,15°,20°,25°)条件下嵌套砾石和无砾石红壤坡面的产流和产沙过程差异。结果表明:(1)产流开始时间T_(嵌套砾石)<T_(无砾石),60mm/h雨强条件下嵌套砾石较无砾石坡面在10°,15°,20°,25°坡度分别延迟4.20,2.95,2.23,1.03min;(2)坡度相同时,嵌套砾石坡面较无砾石坡面产流率明显减少,但雨强的增大会掩盖嵌套砾石对坡面产流率减小的影响;(3)嵌套砾石红壤坡面在60mm/h雨强、坡度10°条件下平均产流率最小,在120mm/h雨强、25°坡面下平均产流率是前者的4.5倍;无砾石红壤坡面在120mm/h雨强、坡度25°条件下平均产流率最大,为最小平均产流率的4.8倍;(4)各坡面产沙强度、次降雨产沙量随雨强和坡度增大而增大,60mm/h雨强、坡度10°和25°时,嵌套砾石坡面平均产沙强度为无砾石坡面的6.0%和28.4%;120mm/h雨强时,此两个坡度的嵌套砾石坡面为无砾石坡面平均产沙强度的33.9%和25.3%。

基于降雨-径流试验的高寒草甸产流机制研究

对黄河源区高寒草甸产流机制进行研究,为河源区生态环境保护、水资源科学规划管理提供基础水文理论认知。基于野外降雨-径流试验,通过回归分析构建考虑坡度和覆被因子的暴雨和中小雨产流计算模式,精度良好,能够反映暴雨和中小雨2种降雨模式下高寒草甸产流的一般特征。试验结果表明,因草甸土-植体系蓄容能力较强,高寒草甸区地表产流主要发生在暴雨模式下,中小雨模式下的地表产流量一般很小。模式应用表明,草甸发生退化后,暴雨和中小雨入渗均有减少,暴雨模式下退化草甸比高覆草甸入渗减少约12%,中小雨模式下减少约3%。