Scale effects of eroded sediment transport in Wujiang River Basin, Guizhou Province, China

In recent years, research on spatial scale and scale transformation of eroded sediment transport has become a forefront field in current soil erosion research, but there are very few studies on the scale effect problem in Karst regions of China. Here we quantitatively extracted five main factors influencing soil erosion, namely rainfall erosivity, soil erodibility, vegetative cover and management, soil and water conservation, and slope length and steepness. Regression relations were built between these factors and also the sediment transport modulus and drainage area, so as to initially analyze and discuss scale effects on sediment transport in the Wujiang River Basin(WRB). The size and extent of soil erosion influencing factors in the WRB were gauged from: Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model(ASTER GDEM), precipitation data, land use, soil type and Normalized Difference Vegetation Index(NDVI) data from Global Inventory Modeling and Mapping Studies(GIMMS) or Advanced Very High Resolution Radiometer(AVHRR), and observed data from hydrometric stations. We find that scaling effects exist between the sediment transport modulus and the drainage area. Scaling effects are expressed after logarithmic transformation by a quadratic function regression relationship where the sediment transport modulus increases before decreasing, alongside changes in the drainage area. Among the five factors influencing soil erosion, slope length and steepness increases first and then decreases, alongside changes in the drainage area, and are the main factors determining the relationship between sediment transport modulus and drainage area. To eliminate the influence of scale effects on our results, we mapped the sediment yield modulus of the entire WRB, adopting a 1 000 km^2 standard area with a smaller fitting error for all sub-basins, and using the common Kriging interpolation method.

黄土丘陵沟壑区坡面水沙尺度传递效应及其影响因素分析

[目的]探究坡面水沙运动过程中的尺度效应,阐明黄土高原丘陵沟壑区水沙运动尺度效应影响机制,进而为水沙传递机理研究及黄河流域水沙综合治理提供科学支撑。[方法]基于黄河子洲径流试验站4个径流场径流泥沙资料,通过对比分析次降雨事件下不同坡长产流产沙过程,揭示了坡面产流产沙的尺度传递效应。提出尺度传递效率概念,用来表征上下层级间水沙传递关系,进而探究了径流泥沙传递效率的影响因素。[结果](1)不同降雨类型特征因素对坡面产流产沙的影响不同,降雨历时主要影响坡面产流产沙能力,平均雨强主要影响坡面产流产沙起始时间;(2)次降雨事件下,不同坡长的径流传递是较为理想的平衡传递机制,且随坡长增加,径流的传递能力呈减小趋势。而在40~60 m坡长条件下,泥沙的传递表现为非平衡传递过程,随坡长增加,泥沙的传递能力呈先增大后减小的变化趋势;(3)不同尺度坡面水沙传递效率的影响因素不同,径流深、平均雨强及雨后表层土壤含水率是影响水沙尺度效率传递的主要因素。[结论]黄土丘陵沟壑区坡面产流产沙能力受降雨特性及坡长的影响,水沙沿程传递存在明显的折损或增益的尺度效应,水沙传递效率受雨强、径流及土壤湿度等多重因素的调控。

河段挟沙力计算方法及其在黄河下游的应用

黄河下游河床形态沿程变化很大,且实测水文断面分布不均匀,采用断面数据计算得到的挟沙力仅能反映特定水文断面的挟沙能力。因此提出了一种河段水流挟沙力的计算方法,可反映整个河段的挟沙力调整情况。采用提出的方法,计算了1986—2020年黄河下游游荡段、过渡段、弯曲段的河段挟沙力,分析了其时空变化特点。结果表明:游荡段、过渡段、弯曲段的挟沙力范围分别为0.52~24.00 kg/m^(3)、1.03~17.74 kg/m^(3)、0.94~18.34 kg/m^(3)。在时间上,呈现出小浪底水库运用前年际变化较大,水库运用后显著减小的特点,河段挟沙力较水库运用前减小69%以上;在空间上,呈现出小浪底水库运用前沿程减小32%、水库运用后沿程增大29%的变化规律。

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。

河工动床模型试验的含沙量比尺

本文在评述目前关于含沙量比尺确定方法的基础上,指出前人采用sλ确定的含沙量比尺,不能满足水流挟沙相似条件。剖析所找的原因是相似分析时,采用了不能同时适用于原型和模型且简化成指数等于1的半经验水流挟沙力公式,推导过程中又引入系数比尺等于1的假定,并以不考虑紊动扩散作用影响的λω作为泥沙悬移相似条件。选用容重适中的模型沙所开展的试验论证结果表明,含沙量比尺的大小对河床变形相似有直接影响,该比尺小于1时河床变形与原型偏差较大,该比尺与淤积物干容重比尺相近时,模型同原型才较为相似。此外,文中还认为,目前确定含沙量比尺的办法最好是通过分别确定原型和模型水流挟沙力的途径来实现。

不同权重的前期和始发日降雨量与泥石流产沙规模的分析——特大型泥石流灾害发生的思考

通过对特大型泥石流灾害发生的思考,详细分析了蒋家沟1995-1997年43场泥石流暴发的不同权重的前期和始发日降雨量与泥石流产沙规模的关系。分析结果表明:泥石流的产沙规模与不同权重降雨的入渗范围、深度的土体极限应力状态(C、φ、PW)有关。根据不同权重的前期和始发日降雨量与泥石流产沙规模的关系,可以将泥石流分为:土力型(A)和迳流型(B)两大类型。土力型(A)泥石流有24场占总样本的55.81%,而其产沙量却占样本总产沙量的85%。迳流型(B)泥石流有19场占总样本的44.19%,但该类泥石流的产沙量只占样本总产沙量的15%。

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。

坡面水力侵蚀比尺模拟试验设计与验证

针对黄土高原坡面水力侵蚀调控实体模拟试验中存在验证不充分的问题,利用黄土高原小流域水力侵蚀调控实体模拟试验理论与技术,设计黄土坡面水力侵蚀比尺模拟试验,并对其进行验证。结果表明:在正态条件下,满足几何、降雨强度、入渗、径流运动、输沙、床面变形等相似条件下所建造的坡面模型;在试验条件下,虽然与模型原型流型有所偏离,但降雨、径流流态、平均流速、阻力系数、汇流过程、产沙、输沙及床面变形是基本相似的。表明该方法可以作为坡面治理水土流失、优化治理方案,寻求水土资源高效利用措施的工具。

黄河口海洋动力输沙能力与流路安排研究

从不同时间尺度分析了黄河入海口的海洋动力输沙能力,阐述了黄河入海流路选择与海洋动力输沙能力的关系。结果表明:黄河口海洋动力输沙能力与流路安排紧密相关,黄河河口海洋动力输沙能力应从宏观、中观、微观三重特性上去把握,三者是相互对立统一的辩证关系。在黄河下游改道入海口选择时,应考虑渤海或黄海的近岸输沙能力;进行黄河三角洲的流路规划时,应分析各流路多年平均海洋输沙量;在确定清水沟流路组合方案时,应分析海洋动力的微观输沙能力。

潮汐汊道形态动力过程研究综述

潮汐汊道是潮流作用占优势的沉积环境之一。潮汐汊道系统的口门水道往往是天然航道,在海港建设上具有重要性。从动力地貌学的观点来看,口门水道形态特征和演化研究涉及多种关键的海岸动力过程,因而具有重要的理论意义。均衡态下的潮汐汊道的口门过水断面面积与纳潮量之间存在着幂函数关系,当用传统的O′Brien方法来确定幂函数曲线时,指数n的值变化范围较大,这是由于参与统计分析的部分汊道系统未达到均衡态而造成的;而应用沉积动力学方法,所获的n值稳定在1.15左右,能更好地代表均衡态断面面积。在断面形状上,小型潮汐汊道可以形成宽浅水道中镶嵌次级水道的形态,以适应沉积物输运和堆积过程,提高汊道系统的稳定性。因此,小型潮汐汊道具有不同于大型潮汐汊道的时间—流速不对称特征。这些研究结果在小型汊道的开发和整治工程上具有应用价值。由于口门断面形态是与口门水道和潮流三角洲的整体特征及其动态相联系的,因此,今后的研究重点应是水动力条件、沉积物输运和堆积过程、水道形态之间的反馈关系,以及与纳潮海湾充填同步的潮流三角洲的生长过程,从而使水道地貌演化能够被定量地模拟。

宝中集输管道结垢原因及垢沉积规律研究

通过对宝中一号计量转油站集输管道结垢现状调查、垢样分析、各单井采出水分析等基础试验,分析研究了结垢原因。在此基础上开展了垢的生成速度、垢的沉积速度等试验,总结了集输管道结垢规律。为采取物理防垢措施提供了技术基础。

长江上游蒋家沟泥石流输沙年际变化与降水旋回特征关系

根据小江流域1956～2002年的降水资料，运用Mann—Kendall（M—K）非参数检验法和自相关函数，发现1990代降水呈现显著增加的趋势，其降水年均值比前期年均值增加96．5mm（16．2％）。并结合37a气候变化下的蒋家沟高频率暴雨泥石流输沙量时序观测资料，分析了降雨变化与泥石流输沙量的关系，结果显示1990年代泥石流输沙量有显著增加的趋势，1990年代的年均输沙量比前期（1965～1989年）的年均输沙量多91×10^4m^3／a。反映了暴雨泥石流输沙年际变率对降水年际变化的旧应关系。本文已经初步揭示暴雨泥石流灾害活动年际变化的基本规律，并且为未来暴雨泥石流中、短期时间尺度的预测研究提供一条新路。

风沙与水沙运动多重时间尺度与深度积分模式

针对风沙与水沙动力学研究的共性,提出风沙与水沙运动统一深度积分模式;在此基础上,将水沙运动过程多重时间尺度理论扩展至风沙运动,比较研究风沙与水沙运动向平衡状态调整的时间尺度特征.数值算例与风洞实验结果对比表明,积分平均模型能够基本准确地捕捉风沙运动的输沙率变化等基本特征;风沙与水沙运动的积分时间尺度比较分析表明,风沙运动与水沙运动类似,推移质运动能够很快地调整到平衡状态,而悬移质运动调整到平衡状态则需要相对较长的过程,在湍流悬移质实验和数值模拟研究中应考虑恢复平衡过程的影响.

水沙过程对道人矶-杨林岩顺直分汊河段洲滩演变影响初步研究

基于实测资料分析,对道人矶-杨林岩顺直分汊段的洲滩演变特征进行了研究,并进一步探索了其与水沙过程的响应关系。结果表明,洲滩演变特征与水沙过程的时间尺度特征相对应:年际间特大洪水易切割边滩,年内主流线摆动导致洲滩冲淤交替,数天、月的次生流输沙造成局部倒套和串沟形成;洲滩变形特征响应于洪季特征流量级的持续时间,蓄水后大于35 000 m3/s流量级持续时间的减少是近年来丁家洲边滩洪季冲刷幅度较小,年际间微淤的原因,大于等于25 000 m3/s流量级持续时间达4个多月且变化不大是南阳洲中水位以上部位剧烈冲刷的原因;洲滩的几何要素与断面平均含沙量具有较好的增减对应关系,但滞后于含沙量的变化;蓄水后在中小水小沙组合条件下,丁家洲边滩将呈现微淤演变趋势,而南阳洲呈现冲刷演变的趋势,其中洲长变形速度最大,洲宽其次,洲面积变形最慢。

流域输沙函数应用的尺度限制

阐述了在流域产沙预测模型研究中,将试验水平范围的输沙函数的运用范围扩大,产生了数据来源的不确定性或错误的原因在于:模型不完善、重要过程的省略、初始条件的缺乏、初始条件的敏感度、异质性问题、外部动力等。数据来源的不确定性在小尺度、短时间内是能够控制的。大尺度的异质性是使得输沙函数不能仅仅建立在数量化的基础上,而应是系统历史的函数。因此,大尺度的流域产沙模型必须建立在突变量的发现及其相应的动力特征基础上,而不应是试验模型按比例放大。

大凌河流域不同空间尺度典型流域泥沙输移比及其影响因素研究

本文在详细分析了遥感影像、降水收集以及土地利用资料的基础上,以大凌河流域为例,探讨了东北黑土地区域不同空间尺度典型流域的土壤流失量变化特征,并对流域产沙与土壤侵蚀之间的作用关系进行定量的分析。研究表明:小尺度和中尺度流域的S_(DR)全年均值为0.32和0.048;大中尺度流域的SDR主要受主河道比降SLP和流域面积A的影响;SDR在山区流域随主河道比降SLP的增大而逐渐降低,在丘陵漫岗区与流域面积A表现出幂函数递减关系。本文的相关理论和成果可为研究流域实施水土流失治理关键性技术措施并制定水土保持规划提供一定的理论支持和决策依据。

土地利用/覆被变化下流域泥沙输移的分形特征及尺度转换

基于由WEPP模型提取的甘肃天水罗玉沟和吕二沟小流域单元侵蚀产沙及泥沙输移资料,采用分形维数理论,对流域泥沙输移比的空间分异规律、泥沙输移比的影响因子以及泥沙输移的尺度转换进行研究。结果表明:年均泥沙输移比有相当大的变幅,不同流域尺度上的泥沙输移比为0.03～1.00,对于一定尺度的流域,泥沙输移比是一个比较稳定的值;小流域泥沙输移过程具有分形特征;根据研究区流域泥沙输移比的分形特征,综合其他地区的研究结果,建立了小流域泥沙输移比尺度转换模型,同时建立了研究区适用尺度范围更广的流域泥沙输移比尺度转换模型。

从大型实验室波浪泥沙输运实验得到的启示

展示了一些用于测量波浪输沙过程的基本特征的大型实验的关键结果。这些实验是在Delft水力研究所的大型振荡水槽中进行,还有一些是在阿伯丁振荡流隧道中进行,这一系列实验覆盖了各种水流与泥沙条件。在紊流区和层流区的结果都在这里进行介绍,揭示出在每个实验中的一些重要机理。论述的重点是在波浪输沙中的内部不稳定性。

DEM格网尺度对AnnAGNPS预测山地小流域径流和物质输出的影响

为了解流域地形空间参数和其它参数的精度对农业非点源污染模型AnnAGNPS预测准确性的影响,利用三峡库区黑河小流域观测资料校准了AnnAGNPS模型,分析了1.5～12.5m格网尺度DEM对地形参数和模型负载输出的影响.结果表明,1.5～12.5m格网尺度DEM对流域径流量、洪峰流量、总N输出影响不显著,但对泥沙、总P、有机碳输出影响显著.三峡库区类似小流域宜采用5m格网尺度DEM,AnnAGNPS模型较不适合于尺度较小、坡度较大的小流域泥沙负载预测.

明渠湍流泥沙运动的大涡数值模拟

基于大涡模拟思想建立了水流泥沙运动的三维数学模型,探讨了不同子网格应力模型在明渠湍流泥沙运动模拟中的适用性,所选用的子网格应力模型包括标准Smagorinsky模型、剪应力改进型Smagorinsky模型和RNG模型;探讨了泥沙重力作用项数值离散格式对计算结果的影响;并对近底泥沙浓度分布规律进行了研究.研究表明:在采用修正迎风格式对泥沙重力作用项进行数值离散时,能较合理地预报泥沙浓度的分布;所选用的三类子网格应力模型均适用于明渠湍流泥沙运动的模拟,并能合理地预报时均流速及悬移质含沙量的垂线分布规律;达到统计平衡状态时,泥沙主要集中于近床面附近,且近底泥沙浓度在平面上呈现"条带"分布特征.