产沙模数与流域面积关系研究进展

流域面积是综合地表一切要素的黑箱变量,而产沙模数是流域产沙强度的重要体现。自20世纪50年代以来,有关产沙模数随流域面积变化的研究受到了国内外学者的广泛关注。本文对多年来有关该方面的研究成果进行总结、提炼,在此基础上,把产沙模数与流域面积的变化关系划分为5种类型,即负相关关系,正相关关系,先增加后减小的非线性关系,先减小后增加的非线性关系以及无显著关系等,继而对每种类型出现的原因给出了合理的解释;在此基础上,指出产沙模数随流域面积变化的本质原因,即产沙模数随流域面积的变化是对流域内各种因素及因素间相互作用的响应,产沙模数与流域面积之间没有内在的联系,产沙模数随流域面积的增加可以出现任何变化。

海河流域产沙模数尺度效应的空间分异

基于流域完整性、地形的相似性,将整个海河流域分为9个分区,分析了各分区产沙模数的尺度效应。结果表明,在双对数坐标系上,产沙模数与流域面积的关系呈现出3种类型:①线性负相关,即产沙模数随流域面积的增大而减小;②无显著相关,即产沙模数随流域面积的增大基本保持不变;③线性正相关,即产沙模数随流域面积的增大而增大。从地形、分区的位置以及土地利用状况方面对所有分区产沙模数的尺度效应进行分析,并对1000 km2标准面积下产沙模数进行校正。基于校正后的数据,利用ArcGIS的Kriging空间插值法,绘制了校正后的产沙模数图。校正结果显示,流域侵蚀模数的空间分布总体表现为自西向东逐渐减小的趋势,这与流域地形的总体变化趋势是一致的。流域西部以山地为主,因而侵蚀强度大,产沙模数高;东部以平原为主,是泥沙的淤积区域,因而产沙模数低。最后,对图中产沙模数的高值区域,从气候、植被和侵蚀作用力3个方面进行了成因分析。

东北黑土区融雪径流对流域产沙的贡献及因素分析

[目的]揭示流域融雪期径流产沙特征及对全年总产沙的贡献,阐明东北黑土区影响融雪期产沙贡献的主控因素,并进而为东北黑土区流域综合治理提供科技支撑。[方法]基于东北地区203个气象站点数据以及15个流域水文站点径流泥沙资料,通过提取流域降水、地形、气候、土壤和土地利用等因子,采用多因素相关分析的方法,开展融雪期产沙贡献影响因素研究。[结果]东北黑土区不同流域年均降雪量占年均降水量的比例为3.7%~23.9%,空间分布差异较大,呈东南多、西北少的分布特点。融雪期径流深占全年径流深比例为13.7%~32.5%,融雪期产沙量对全年产沙量的贡献3.8%~23.47%,融雪期产沙模数占全年产沙模数的3.1%~35.9%,且它们空间分布规律性差。年均降水量、降雪量占降水量比例、融雪期径流深占全年径流深比例3个因素与融雪期产沙贡献在0.05的水平上呈显著相关。降雪量占降水量比例对流域融雪期产沙量和产沙模数的贡献率分别为25.41%和30.22%。最大高程对流域融雪产沙量和产沙模数的贡献率分别为24.36%和20.38%。[结论]东北区融雪期产沙对流域全年产沙有较大贡献,且受多重因素影响,未来应加强融雪期的侵蚀产沙观测研究。

中国东北地区侵蚀产沙尺度效应的空间分异

对中国东北地区侵蚀产沙尺度效应的空间变化进行了探讨。基于气候、下垫面的一致性和流域的完整性,对整个研究区域进行了分区研究。结果表明,尺度效应同时受到地形、坡度、土地利用和地表覆盖物质等因素的影响,不同分区因素因素组合不同,其产沙模数随流域面积的变化趋势亦不相同,可以分为三类:(1)产沙模数随流域面积增大而增大;(2)产沙模数随流域面积的增大基本保持不变;(3)产沙模数随流域面积的增大而减小。基于各分区尺度效应,进行了不同标准面积下产沙模数图的校正,并使用空间插值方法,编制不同标准面积下产沙模数图。

不同水土保持措施对黄土高原小流域年径流和产沙的影响——以平凉纸坊沟为例

【目的】为兼顾黄土高原土壤侵蚀控制和供水安全,研究不同水土保持措施对黄土高原小流域径流和产沙影响,以寻找节水、高效的流域综合管理技术。【方法】利用甘肃平凉纸坊沟典型小流域1955—2003年的水上保持措施与径流和输沙等监测数据,建立年径流系数和产沙模数与土地利用的线性关系,定量评价不同水土保持措施对径流和产沙的影响。【结果】1955—2003年,年降水量呈不显著降低趋势,年径流深和产沙模数显著减少;小流域降水产流能力随植被破坏而提高,随植被恢复而大幅降低;修建梯田和淤地坝等工程措施可增加小流域的径流拦蓄能力,但会因工程老化而逐渐降低甚至消失;小流域单位径流深的侵蚀与携沙能力随林草面积增加而下降很大,但工程治理后未能明显降低;拟合小流域年径流深随年降水量和土地利用及年产沙模数随年径流深和土地利用的线性关系,发现林地和梯坝地可消减年径流,其中林地消减强度为梯坝地的1.48倍;径流主要来自草地与坡耕地和其他2个地类,其中草地径流率是坡耕地和其他的1.8倍;林地和草地可降低产沙模数,其中林地作用是草地的2.5倍;产沙来自梯坝地与坡耕地和其他2个地类,尤其梯坝地贡献为坡耕地和其他的2倍;将流域面积10%的坡耕地和其他地类转为林地、草地和梯坝地后,年径流变化量分别为-9.6,+4.2和-8.1 mm,产沙模数变化量分别为-6 367.0,-2 532.4和+300.5 t·km-2a-1。【结论】植被措施的治理效果寿命长于工程措施。林地减沙效果好,但耗水最多;草地减沙效果和用水效率虽低于林地,却能维持甚至促进小流域产流;梯坝地减少径流作用稍低于林地,其拦截泥沙能力会逐渐降低甚至丧失,且用水效率最低。综合来看,干旱缺水地区要满足节水、高效的水土保持治理要求,应以恢复草地为主,既能持久减沙,又能增加或维持产流,且生态用水减沙效率较高。

长江流域侵蚀产沙尺度效应的区域分异

以长江流域水文站点的观测数据为依据,基于一定的分区原则,将整个长江流域分成了8个区域,对所有分区产沙模数的尺度效应进行了深入分析。研究表明,所有分区产沙模数的尺度效应可以概括为三类:产沙模数随流域面积的增大而减小,或先减小后基本保持不变的,主要包括长江中下游干流沿岸区域,岷江主体区域,洞庭湖流域和鄱阳湖流域;产沙模数随流域面积的增大基本保持不变的,包括嘉陵江主体区域和汉江流域;产沙模数随流域面积增大而增大,或先增大后基本保持不变的,包括长江上游干流沿岸的非泥石流区域和乌江流域。不同流域尺度效应的差异主要与流域土地利用方式有关。基于各分区校正方程,将所有站点进行了标准面积为100 km2,1 000 km2,10 000 km2的尺度校正,结果表明,当校正面积为100 km2,侵蚀最强烈的区域主要是岷江流域,其次是鄱阳湖和洞庭湖流域,校正面积为1 000 km2和10 000 km2,产沙模数图变化不显著,但明显区别于校正面积为100km2下的产沙模数图。侵蚀最强烈的区域主要是嘉陵江流域,其次是长江上游干流沿岸的部分区域和汉江流域的部分区域。不同校正面积下产沙模数图的变化,显示了不同流域侵蚀来源的差异。

黄土丘陵沟壑区不同土地利用方式下小流域侵蚀产沙特征

为进一步优化和合理配置水土保持措施,以黄土丘陵沟壑区3个不同土地利用方式下的坝控小流域为例,基于人工探槽取样、淤积层次甄别及与产流降雨事件的对应关系,结合1∶10000早期地形图与全站仪测量,拟合库容曲线来估算淤地坝泥沙淤积量,进而反演坝控流域的产沙模数变化特征。结果表明:(1)延河马家沟3个不同土地利用方式下的洞儿沟、阎桥和芦渠坝控小流域,自建坝至2016年的多年平均淤积量分别为2748.80,4634.31,3141.17 t;(2)洞儿沟、阎桥和芦渠流域多年平均产沙模数分别为2432.56,3131.29,1794.95 t/(km^(2)·a),依次属于轻度、中度和轻度侵蚀;不同土地利用方式下坝控小流域的最小产沙降雨量均>20 mm以上;(3)不同的土地利用方式对小流域侵蚀产沙影响显著,人类活动明显的阎桥流域多年平均产沙模数大于以林草地为主的洞儿沟流域,而以林地和梯田为主的芦渠流域多年平均产沙模数最小。由此可见,在黄土丘陵沟壑区合理配置不同的水土保持措施,是减少小流域侵蚀产沙的有效途径。

黄河中游河龙区间侵蚀产沙对景观特征的非线性响应

为明确退耕还林(草)工程期间景观特征变化对侵蚀产沙过程的非线性影响机制,以2006—2016年黄河流域河龙区间33个水文站控制子流域为研究对象,采用增强回归树方法分析了河龙区间子流域产沙模数时空差异的景观驱动因子,定量评价了各景观特征与产沙模数的非线性关系。结果表明,林地和耕地面积比例对产沙模数变异贡献最大,分别贡献22.0%和16.9%的变异;林地面积的增加和耕地面积的减少可以减少产沙模数,但当林地面积>15%,耕地面积<20%时,对产沙模数的影响减弱;增加林地和草地的植被覆盖度对水土流失的减缓作用也存在阈值,草地和林地植被覆盖度的阈值分别为0.5和0.3,当超过该阈值后,其对侵蚀产沙过程的减缓作用趋于弱化;适当减少边界密度数量有利于控制流域土壤侵蚀,当边界密度<60 m/100 hm^(2)时,边界密度对产沙模数影响不大,当超过阈值后,产沙模数随着边界密度的增加急剧增大。当边界密度维持在60 m/100 hm^(2)之内时,可以达到适宜的水土流失防治效果。研究结果揭示了河龙区间流域尺度上景观因子对侵蚀产沙过程的阈值效应,可以为黄河流域植被合理恢复提供重要参考。

黄土高原小流域产沙性降雨标准分析

为确定黄土高原小流域的产沙性降雨标准,提高小流域尺度降雨侵蚀力计算和侵蚀产沙预报精度,采用降雨量与产沙累积比例拟合的方法,拟定黄土高原20个小流域的产沙性降雨雨量标准,并探讨其对小流域下垫面特征的响应。结果表明:1)研究小流域产沙性降雨雨量标准变化范围为7. 48~33. 51 mm;2)黄土丘陵沟壑区非治理、黄土丘陵沟壑区和黄土高塬沟壑区治理以及黄土高塬沟壑区林区小流域的产沙性降雨标准分别为7. 5~14. 0,14. 0~16. 8以及33. 5 mm;3)治理小流域的产沙性降雨标准均大于与其对比的非治理小流域;4)小流域的产沙性降雨标准随着下垫面特征的改变发生动态变化,治理程度越高,产沙性降雨标准越大。黄土高原不同小流域产沙性降雨标准差异较大,小流域水土流失治理是影响产沙性降雨标准的主要因素。本研究可以为小流域降雨侵蚀力计算和侵蚀产沙预报提供参考,并为小流域水土保持效益评价提供依据。

^(137)Cs、HCHs测定岩溶洼地沉积物年代及流域产沙强度

以青木关岩溶槽谷区内代表性耕地型与林地型洼地小流域为研究对象,从洼地沉积物入手,探明各洼地沉积物剖面^(137)Cs比活度、六六六(HCHs)、有机质、黏粒含量及容重的深度分布特征;运用^(137)Cs示踪法,辅以HCHs进行沉积物断代,追溯流域近60年来的土壤侵蚀量演变特征及探讨其驱动因素。结果表明:(1)炮台院子耕地型洼地沉积物剖面^(137)Cs、HCHs仅有个别层位检出,无法利用^(137)Cs、HCHs深度分布进行沉积物断代,反映了发育的落水洞对其沉积物剖面影响大。(2)龙洞槽耕地型和劳动村林地型洼地小流域1963—1983,1984—2019年产沙模数分别为231.78,82.04 t/(km^(2)·a)和68.79,39.46 t/(km^(2)·a),表明流域生态环境得到明显改善。与1963—1983年时段相比,该地区1984—2019年时段年平均降水量无明显变化,2个小流域产沙模数均显著减小,表明近60年流域产沙强度主要受土地利用方式、水土保持措施等人类活动控制。(3)龙洞槽洼地剖面^(137)Cs、HCHs峰值,表层泥沙^(137)Cs、HCHs数值和不同时期流域产沙模数均明显大于劳动村洼地,主要是由2个洼地分别控制的耕地型与林地型小流域在人类活动影响下产沙强度的差异所致。另外,^(137)Cs和HCHs相结合的示踪方法可较好地用于评估西南岩溶流域产沙量的时间变化。

黄甫川和浑河两流域产输沙规律

黄甫川、浑河是黄河中游河口镇至龙门区间的一级支流，水土流失严重、类型多样，其主要产沙地层为砒砂岩、黄土和风积沙。黄甫川流域各产沙地层产沙模数分别为：砒砂岩２３ ０００ｔ／ （ｋｍ２·ａ） 、黄土１７ ０００ｔ／（ｋｍ２·ａ）、风积沙１４００ｔ／（ｋｍ２·ａ） 。浑河流域黄土产沙模数为５ ２００ ～７５００ｔ／（ｋｍ２·ａ）。小流域沟间地和沟谷地产沙分别占总产沙量的２０ ％ ～３０ ％ 和７０ ％ ～８０ ％ ，泥沙输移比约等于１ 。

黄土高塬沟壑区土壤侵蚀特征分析

黄土高塬沟壑区侵蚀十分严重,是黄河泥沙主要源区,厘清该区域土壤侵蚀特征与治理重点是区域高质量发展的关键。以黄土高塬沟壑区砚瓦川流域为研究区,收集整理1976—2019年实测径流及泥沙资料,采用产流模数及产沙模数等指标体系,系统分析了黄土高塬沟壑区流域侵蚀产沙强度及能力变化。结果表明:砚瓦川流域1976—2019年产流模数与产沙模数均呈下降趋势,二者具有较好的一致性。多年平均产流模数与产沙模数分别为22991 m^(3)/km^(2)和1889 t/km^(2),产流及产沙变化规律一致,二者均于1997年发生突变。相较于突变年份之前,年均产流强度和产沙强度分别减少23.9%和75.8%,表征产流及产沙能力的产流系数和产沙系数则分别降低24.0%和73.0%。1976—2019年,流域的产流量及产沙量呈下降趋势。河流年均含沙量64.5 kg/m^(3),由突变前的98.3 kg/m^(3)减少至突变后的33.6 kg/m^(3),减少了67.0%。黄土高塬沟壑区侵蚀产沙多来自场次降雨,年内最大3 d侵蚀产沙占年总产沙量的50%。突变前,年产流模数与年降雨量的相关关系最优;突变后,年产流模数与日降雨量高于50 mm的年累计降雨量的关系最为密切。研究中进一步明晰了黄土高塬沟壑区水沙过程及其与降雨关系的变化,可为极端事件频发下黄土高塬沟壑区水土保持治理策略的转变提供一定参考。

西江干流广东段近期输沙变化趋势研究

对西江干流广东段(省界至思贤窖)自20世纪50、60年代至今来水、来沙变化趋势进行研究,发现2000年后西江干流梧州站、高要站及三角洲马口站多年平均输沙量仅为50、60年代建站到2000年的30%左右。通过收集西江干流2004、2005、2010、2014、2020年的河道地形资料,分析河道演变及河砂储量情况,结合目前河床下切对两岸堤防造成的危害,提出西江干流河沙全面禁采建议,以期对水利部门在西江干流河砂管理以及堤防等水利工程建设管理上起到一定参考意义。

皇甫川特拉沟小流域近期泥沙减少成因分析

受降雨变化及人类活动等因素影响,近期皇甫川流域水沙发生显著变化。通过分析皇甫川典型小流域特拉沟2007—2016年水土流失原型动态监测资料,揭示了特拉沟小流域存在降雨强度显著减小、产水产沙年际变化大、沟道坝系工程及植被对泥沙减少作用显著等特征,建立了基于降雨侵蚀力和小流域产沙模数的二次曲线相关关系,其适用于分析比较不同降雨条件下特拉沟小流域产沙状况。研究结果表明,特拉沟小流域2007—2016年年均输沙量与1954—1999年均值相比减少167.7万t,其中:降雨强度减小、汛期降雨量减少引起的年均产沙减少量约为24.98万t,占总减少量的14.9%;淤地坝拦沙减蚀作用年均拦减泥沙约75.72万t,占总减少量的45.2%;坡面治理措施年均产沙减少量约67.0万t,占总减少量的39.9%。

黄土高原的高含沙水流侵蚀研究

高含沙水流是黄土高原地区普遍存在的自然现象。在一定意义上，它是侵蚀的产物，但它一旦形成之后，便作为一种强大的侵蚀和搬运营力，在侵蚀过程中发挥了重要作用。进入高含沙水流范畴之后，能耗减小，挟沙能力增大，因而具有较强的侵蚀搬运能力，使坡面侵蚀发育迅速地由片状侵蚀、细沟侵蚀发育到冲沟阶段。高含沙水流搬运与重力侵蚀之间存在着很强的耦合关系，这是黄土高原高强度侵蚀产沙过程形成的重要因素。黄河中游若干支流的泥沙输移比很高，接近于１，这一特征也可以较好地用高含沙水流的作用来解释。由于高含沙水流具有特殊的侵蚀产沙特征。

黄土高原水土保持减沙效益的尺度效应初步分析

收集了黄土高原64个不同大小流域的水土保持措施减沙效益的资料和研究成果,利用这些资料分析了随着流域尺度的变化黄土高原水土保持措施减沙效益的变化。统计分析结果显示,水土保持措施减沙模数随流域面积没有明显的变化趋势,单位治理面积减沙比与流域面积之间也不存在明显关系。

长江三峡香溪—莲沱段水土流失的研究

长江三峡香溪—莲沱段的水土流失可分为水蚀与重力侵蚀两类。据诸多自然地理因素的定量指标与产沙模数的关系,建立了产沙模数的经验公式[即式(1)],用式(1)计算出区内产沙量。据历史记载资料与地质地貌调查,探讨了区内新滩与链子崖的巨型崩塌-滑坡的成因与发展。在此基础上,研究了区内水土流失对自然环境及三峡工程的影响。

福建崩岗沟侵蚀机理探讨

流冲刷引起切沟下切而形成的临空面导致沟壁顶部裂隙系统的递级发展是崩岗沟发育的前提．疏松深厚的花岗岩风化壳为足以引发重力侵蚀的临空面的形成提供物质基础，频繁的高强度暴雨则是崩岗沟侵蚀的主要外部动力．根据野外观测，崩岗沟头的重力崩塌可分为错断式板状崩坍、滑移崩坍、倾倒崩坍、拉裂崩坍和剥落等方式．福建省大多数崩岗沟的发育主要是因为近百年坡地自然植被遭破坏，径流直接冲刷坡地，由小沟逐渐演变而来．根据研究，崩岗沟发育的坡地，年土壤侵蚀模数可达２００００～３５０００ｔ／ｋｍ２，远远大于片蚀（３０００～５０００ｔ／ｋｍ２·ａ）和浅沟蚀（５０００～７０００ｔ／ｋｍ２·ａ）．控制沟头崩积体再侵蚀是治理崩岗沟的关键环节．

黄土高原地区侵蚀产沙的尺度效应研究初探

以黄河流域水文站的观测数据为基础,对黄土高原地区产沙模数的尺度效应进行了分区研究.研究表明,不同分区的黄土、风沙、基岩的空间分布与组合关系不同、地形(坡度)不同,其产沙模数随流域面积变化的趋势也不相同,可以分为单调减小、单调增大、先增大而后减小、先减小而后增大等类型.在对数据进行双对数转换后,对上述尺度效应关系进行了线性和二次函数的拟合,并分别针对这两种函数形式给出了校正方程.依据所建立的校正方程,将所有分区内各站点的产沙模数进行了1000km2标准面积的校正以消除尺度的影响.在此基础上使用Kriging插值法制作了消除尺度影响后的产沙模数图,并将其与未进行尺度校正的产沙模数图进行了分析比较.结果表明,经尺度校正后,重点侵蚀区域的位置大致相同,但面积显著增大.这主要是因为,位于重点侵蚀区河流下游的站点经校正后,其产沙模数有所增大.

塘库沉积的137Cs法断代测定三峡库区小流域产沙量

本文以三峡库区重庆忠县黄冲子小流域和工农沟小流域为研究区域,依据塘库修建时间（1955年）、退耕还林工程启动时间（2000年）和^137CsCs示踪技术,确定了小流域不同时期产沙量及产沙模数,并分析比较了不同小流域的塘库沉积物^137CsCs含量和产沙模数。研究结果表明,黄冲子小流域和工农沟小流域1955-1963年、1963-2000年、2001-2014年的产沙模数均呈下降趋势,库区小流域生态环境得到明显改善;黄冲子小流域不同时期产沙模数均大于工农沟小流域,工农沟塘库沉积物1963年^137CsCs峰值和表层泥沙^137CsCs浓度均小于黄冲子塘库,主要与小流域的土地利用类型以及侵蚀方式有关。在以后的研究中,应该加强库区小流域沟道侵蚀产沙量的定量估算,为长江经济带生态环境建设提供参考依据。