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.

涪江流域日输沙率的时间尺度变化效应

[目的]解析日输沙率与关键环境因子之间的尺度依赖关系,探索有效的预测方法,以应对由于泥沙输运机制的复杂性和水文过程的非线性所带来的预测挑战。[方法]采用集合经验模态分解与自适应噪声(CEEMDAN)方法,分析了西南地区涪江流域4个水文站点控制区域2013—2018年的日输沙率与5个潜在影响变量(流量、降水量、平均气温、潜在蒸散发量和NDVI)间多时间尺度变异特征,识别不同时间尺度下日输沙率与相关变量相互作用关系,在此基础上,对日输沙率作出预测。[结果]CEEMDAN方法成功将日输沙率及其潜在影响变量分解为10-11本征模态函数(IMF)和残差项,揭示出日输沙率在3~730天不同时间尺度上的显著变化。分解后的日输沙率与流量、降水量在各个时间尺度上均显示出显著的相关性增强,而气温、潜在蒸散发量和NDVI主要与长时间尺度的日输沙率显著相关。通过逐步多元线性回归预测日输沙率,模型的预测性能显著,R2值在所有站点均超过0.55。[结论]CEEMDAN方法能够有效揭示输沙率及其影响变量之间的尺度依赖性,为理解河流输沙动态提供了新的视角。

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。

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 。

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。

黄土坡面径流侵蚀产沙动力过程模拟与研究

通过室内模拟冲刷试验系统研究了3°-30°坡度范围内坡面径流的侵蚀动力及产沙特征，分析了坡面径流能耗与径流侵蚀产沙之间的关系。结果表明，坡面径流平均流速随坡度和流量的增加而增大，流速与坡度和流量之间存在指数函数关系，坡度对流速的影响大于流量。在3°-21°坡度范围内，坡面径流单宽能耗随坡度的增加而增加，当坡度超过21°时，径流能耗随坡度的增加而降低。坡度对侵蚀产沙的影响也有类似的现象，在3°-21°坡度范围内，坡面径流平均单宽输沙率随坡度的增加而增大，当坡度达到临界极值21°和24°后，坡面径流平均输沙率随坡度增加而减小；在整个试验坡度范围内，径流平均单宽输沙率随流量的增大而增大；流量对坡面径流平均单宽输沙率的影响大于坡度。坡面径流平均单宽输沙率和单宽径流能耗之间存在明显的线性关系，其临界单宽径流能耗随坡度的增加而增加，土壤可蚀性参数随坡度的变化在10．368～30．366的范围变化，试验的土壤可蚀性的平均值为14．61。

黄土高原坡沟系统侵蚀产沙过程的REE示踪研究

利用室内概化的坡沟系统模型,结合REE示踪技术,采用放水冲刷试验,对黄土高原坡沟系统侵蚀产沙过程进行了深入研究。结果表明,坡沟系统的坡面侵蚀速率大于沟坡的侵蚀速率,即坡面侵蚀较沟坡侵蚀剧烈;在本研究设计的流量范围内存在一个临界流量Q=12 L/min,当冲刷流量小于该值时,起始侵蚀率随流量的增大而增大,当冲刷流量大于该值时,起始侵蚀率随冲刷流量的增大而减小;相同流量下,随着冲刷历时的延长,其侵蚀率呈波动变化趋势,陆续达到最大,然后又逐渐减小,而且随着流量的增大,La元素示踪带和Eu元素示踪带侵蚀率达到最大的时间越来越短。

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。

黄河流域近百年产沙情势变化

基于实测降雨、水文、坝库拦沙、灌溉引沙和河道冲淤等数据,分析了1919-2016年黄河潼关以上流域实际产沙量、产沙强度和不同时期下垫面在多年平均降雨情况下的产沙能力变化。结果表明,20世纪30年代以后,流域产沙能力逐渐增大,至50~70年代达到顶峰;80~90年代以后,流域产沙逐渐减少,其中2010-2016年流域产沙强度只有1919-1939年的23%。1919-2016年流域年均产沙量为13.7亿t。在多年平均降雨和1919-1953年下垫面情况下,潼关年均来沙量应约为14.6亿t;至1956-1975年,该值达到16.6亿t。

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。

降雨移动方向对坡面侵蚀泥沙浓度的影响

为了探讨降雨移动方向对坡面下游出口处侵蚀泥沙浓度特性的影响,及其产沙产流量相对比值关系,本文主要通过室内小尺度坡面人工降雨物理模型试验展开研究.结果表明:降雨向上移动时,连续降雨过程各侵蚀泥沙浓度过程曲线形态相似,而降雨向下移动时,首场与后几场工况的泥沙浓度曲线差异鲜明;针对首场后的降雨工况,降雨向上移动泥沙浓度过程曲线均出现1个峰值,峰值泥沙浓度为6～90g/L,而降雨向下移动时均出现2个峰值,相应值为11～68g/L,且后者在弱雨强工况下标准差最小;2类移动工况的等效侵蚀泥沙浓度在不同雨强下随产沙峰值增加的增幅均表现为:弱雨强>中雨强>强雨强.总体上,相同条件(降雨强度、降雨历时、坡面土壤特性等)下,降雨向下移动时坡面侵蚀程度比降雨向上移动时大.

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。

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。

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。

细沟水蚀动态过程的稳定性稀土元素示踪研究

本文利用稳定性稀土元素(RareEarthElement)REE示踪法探讨了坡面水蚀动态过程的试验方法,根据细沟侵蚀沿坡长的产沙特点,给出了元素的施放方法、施放深度和浓度的数学表述及计算方法,并进行了室内细沟侵蚀模拟实验。试验采用3个流量(2、4、8L min)5种坡度(5°、10°、15°、20°、25°),3次重复。试验采用8m土槽,分区段施用10种不同的稀土元素进行示踪,每个施放区长0 8m,宽0 1m,不同坡段根据侵蚀特点采用不同的施放深度。给出了根据收集到的侵蚀土壤样本中不同稀土元素的含量及总的土壤侵蚀量计算坡面不同部位的侵蚀产沙量的方法,由试验数据计算了不同水动力条件下的土壤侵蚀量沿细沟的分布,并分析了坡度和流量对坡面侵蚀量随坡长变化的影响。结果表明,REE示踪法可以示踪细沟土壤侵蚀的动态过程,且可保证一定的精度要求。由示踪方法得到的细沟土壤侵蚀量,在一定坡度和流量下,产沙量随着沟长的增加而增加,但增加的幅度越来越小,且渐趋于一个稳定值。侵蚀产沙量随着坡度和流量的增加而增加,但坡度较流量对产沙变化的影响更大。

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。

泥石流预报中前期降水量与始发日降水量的权重关系--以云南省蒋家沟为例

利用云南省蒋家沟1995—1997年43场泥石流数据和降水资料,详细分析了泥石流暴发的前期降水与始发日降水的权重关系。研究发现,前期降水和始发日降水是泥石流启动的主要因素。依据它们之间不同的权重关系,将蒋家沟泥石流分为前期降水型、强降水型和特殊型3种形式。不同权重降水下的泥石流输沙与降水量之间均呈现出较好的相关性。从泥石流出现的规模和数量看,前期降水型泥石流是该地区的主要类型。

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。

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。