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。

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 。

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。

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。

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。

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40年降水特征分析

本文采用黄河中游多沙粗沙区具有代表性的17个雨量站的近40年旬降水量资料,分析了其降水量变化的特点和分布规律。结果表明:多沙粗沙区降水量年内分布集中,季节差异大;区间降水分配不均匀,且可分为三种明显不同的类型。各区降水量近几年来都呈现出明显的减少趋势。

陕北多沙粗沙区乡村聚落土壤侵蚀及防治对策

通过定位观测和实地调查,对陕北多沙粗沙区已建乡村聚落的水力侵蚀,新建窑洞(房)过程中的弃土侵蚀及窑洞坍塌形成的侵蚀进行了研究。(1)观测期间(200406—200410),乡村聚落的平均水力侵蚀强度为5 434.3 t/km2,已达到强度级侵蚀,其中户间道路为7 348.0 t/km2,户间空地为6 873.2 t/km2,院落为2 081.7 t/km2;(2)新建1孔(间)窑洞或平房,平均弃土34.9 m3,相当于动土量的23.6%;延安以北丘陵区近20 a新建窑(房)平均每年弃土7.96×107m3,弃土年流失量约为5.17×106m3(7.76×106t/a);(3)在调查的102孔(间)塌窑所形成的松散堆积体中,平均每孔(间)窑(房)年流失泥沙46.3 m3。延安以北丘陵区因塌窑每年流失泥沙1.25×107m3(1.87×107t/a)。研究表明乡村聚落发展带来了较严重的土壤侵蚀,应加强研究与防治。

基于NDVI的多沙粗沙区植被覆盖度研究

以黄河中游多沙粗沙区皇甫川、孤山川、窟野河、秃尾河和佳芦河5条重点支流为研究对象,以1998年、2009年2期同一时相的TM影像为数据源,以归一化植被指数(NDVI)和植被覆盖度遥感定量模型为基础,提取2期植被覆盖等级,定量分析了该地区植被覆盖度的变化情况。结果表明:通过近10 a来的综合治理,2009年5条流域整体植被覆盖度提高,除皇甫川外,其他4条支流的中下游地区植被覆盖度明显提高。从植被覆盖的等级变化来说,1998年主要的植被覆盖度为0～10%和10%～30%这2个等级,2009年主要集中在10%～30%和30%～50%这2个等级,植被覆盖状况已向良好转变。

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。

黄河中游多沙粗沙区淤地坝对泥沙的分选作用

利用坝地钻探取样资料,对黄河中游多沙粗沙区坝地淤积泥沙粒径的空间变化进行了分析,结果表明:淤地坝对泥沙具有分选作用,坝前泥沙粒径小于坝尾泥沙粒径;泥沙颗粒越粗,这种分选作用越明显。从而认为,在粗泥沙产沙区淤地坝能够起到一定的淤粗排细作用。

黄河中游多沙粗沙区坡面薄层水流水动力学特性

通过人工模拟降雨试验对黄河中游多沙粗沙区沙黄土坡面薄层水流水动力学特性进行了试验研究,取得了以下结果:(1)不同坡度不同降雨强度条件下,坡面薄层水流流速随降雨历时的增加而增大,可用对数方程很好地描述,薄层水流流速与雨强和坡度呈正相关关系;(2)不同坡度不同降雨强度条件下,坡面薄层水流的平均水深随降雨强度的增加整体呈平稳增长趋势,其变化过程均可用幂函数方程描述,而平均水深与坡度呈负相关关系;(3)不同坡度不同降雨强度条件下,坡面流雷诺数随降雨历时的持续整体呈递增趋势,雨强对雷诺数的影响较坡度更为显著,薄层水流不属于传统意义上的层流,而是处于层流失稳状态;佛汝得数随降雨历时的变化范围基本上都大于1,且随着降雨历时的延长而稳步递增,坡度对佛汝得数的影响比雨强更为显著,试验中薄层水流基本处于急流状态;(4)不同坡度不同降雨强度条件下,坡面流阻力系数随降雨历时的持续皆呈递减趋势。

黄河中游多沙粗沙区土地利用格局变化分析

利用1977年的MSS,1997年和2006年的TM影像,获取3期多沙粗沙区土地利用变化的基础数据,选取土地利用类型动态度、动态转移矩阵、土地利用变化类型的多度和重要度指数,研究多沙粗沙区的土地利用格局变化特征。结果表明:1)居民点及工矿用地和林地面积均保持持续上升态势,耕地和未利用地呈下降趋势,草地呈先减少后增加的趋势,水域则呈先增加后减少的态势,与1977—1997年间相比,1997—2006年间土地利用类型间的相互转化有所增强;2)2期间土地利用流向基本一致,耕地和草地、草地和林地、草地和未利用地之间存在互动变化;3)耕地、草地、林地和未利用地是本区土地利用变化的主导类型和主要方向,耕地和草地间的互动变化主要发生在片沙丘陵区和梁峁丘陵区,草地和林地间的互动变化主要发生在风沙丘陵区和土石山区,草地和未利用地间的互动变化主要发生在风沙丘陵区。

黄河多沙粗沙区分布式土壤流失模型研究

以侵蚀动力学、地貌学、水文学、泥沙运动力学的理论为基础,以黄河多沙粗沙区岔巴沟流域为研究区域,以地理信息系统为平台,构建了黄河多沙粗沙区小流域分布式土壤流失数学模型,可用于计算小流域梁峁坡、沟坡和沟槽三部分的土壤流失量,并达到了产汇流模型与产输沙模型的紧密耦合;提出了当量糙率系数的概念,初步解决了定量表达水土保持工程对产汇流的影响,使模型具备了预测评价不同水土保持治理方案效益的功能;利用3S技术实现了土壤流失预测模拟信息系统的自动提取。通过对岔巴沟流域和杏子河流域土壤流失实测资料的验证表明,本模型能基本正确反映黄河多沙粗沙区流域土壤流失规律。

黄河中游粗沙区范围界定研究

黄河下游沉积泥沙主要来自黄河中游粗沙区，但至今粗沙区的范围及面积还未定论。笔者在理解粗泥沙特定内涵的基础上，提出了粗沙区、多沙区和多沙粗沙区的基本概念的内涵，确定划分粗沙区、多沙区和多沙粗沙区的指标，并进行了形态类型区划分和侵蚀产沙模型建设。在上述过程的基础上，进行了粗沙区范围界定，其结果是黄河中游粗沙区面积为９５５１５ｋｍ２，多沙粗沙区的面积为９４１２１ｋｍ２。

黄河中游多沙粗沙区亚区划分

黄河中游多沙粗沙区内部侵蚀环境存在着区域差异，为使治理方略的制定做到有的放矢，必须划分亚区。在阐明亚区划分的目的及原则后，首先按地面组成物质将多沙粗沙区划分为３ 个一级亚区：以易侵蚀岩为主的侵蚀亚区、沙盖黄土侵蚀亚区和黄土侵蚀亚区，再按土壤侵蚀强度进行二级亚区划分，共分出１４ 个二级亚区（ 小区） 。另外，还对各亚区的自然地理及侵蚀特征进行了简要说明。

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。

黄河多沙粗沙区产水产沙对中游来水来沙的贡献率

在分析黄河流域不同产水产沙区自然环境特征的基础上，论述了黄河多沙粗沙区界定的原则、指标，最后给出了多沙粗沙区面积；建立了流域各产水产沙区与中游来水来沙耦合关系的多元回归模型；计算了多沙粗沙区的产水产沙量对中游四站来水来沙的贡献率。即：多沙粗沙区的年产水量只占黄河四站总水量的１２．９％，年产沙量占四站总来沙量的６３．４％，其中四站的粗泥沙量约８７％是来自多沙粗沙区。今后加大多沙粗沙区的治理是减少四站来沙的关键，若多沙粗沙区治理１万ｋｍ２，即可减少四站全沙量的８％，粗沙量的１０％。

基于RS的黄河中游多沙粗沙区土地利用变化分析

据1975年的Landsat MSS、1986年和1997年的Landsat TM影像资料，运用遥感影像计算机自动分类方法获取土地利用信息，用GIS空间分析方法以及数理统计方法全面分析了黄河中游多沙粗沙区1975～1986年和1986～1997年两个时期内各土地利用类型的变化幅度、变化速度、数量变化的区域差异、变化方向以及变化方向的区域差异等。结果表明：后期土地利用类型间的相互转化有所增强；耕地、草地、林地和未利用地是本区土地利用变化的主导类型，耕地、草地与其它土地利用类型间的相互转化分布校广；后期耕地被居民地占用的面积和毁林开荒的面积比前期有所增加。