宁夏黄土丘陵沟壑区产流产沙特征及其影响因素量化

土壤侵蚀是造成土地退化最严重的生态环境问题之一,而水土保持措施是防治土壤侵蚀的重要举措。目前,量化水土保持措施、降雨特征和坡度对黄土丘陵沟壑区径流量和泥沙量的直接和间接影响仍具有挑战性。在调查2015~2019年宁夏黄土丘陵沟壑区犁尖沟小流域19个径流小区25次典型侵蚀性降雨事件中的径流量和泥沙量基础上,利用结构方程模型分析降雨特征、水土保持措施和坡度对径流和土壤流失的直接和间接作用,同时采用冗余分析方法定量化各影响因素对减流效益和减沙效益的贡献率。结果表明:①20°坡度减流效益最好,陡坡则具有更好的减沙效益;不同水土保持措施中,人工灌木林地的减流效益和减沙效益较高。②降雨特征、水土保持措施和坡度对径流和泥沙没有间接影响,最大30 min雨强对径流和泥沙的直接影响最大,直接路径系数分别为0.77和0.46。③降雨特征是影响径流、泥沙和减流效益的主导因素;与降雨特征相比,水土保持措施和坡度是控制减沙效益的主要因素。④全球变暖引起的极端侵蚀性降雨事件导致径流和土壤流失加剧;水土保持措施对于防止径流和土壤流失是非常必要的;在陡坡上,实施以灌木为主的植被组合有望实现更大的减流效益和减沙效益。

宁夏南部黄土丘陵区坡面水土保持植物效果研究

以宁夏南部黄土丘陵区坡面水土保持植物措施为研究对象,采用双累积曲线及分离评判法计算分析封育草地、人工草地、人工灌木林、人工乔木林和农业种植在各坡度上的减流减沙效果。研究成果显示,低坡度农地种植马铃薯的减流减沙效益优于天然草地,人工草地和人工灌木林的减流减沙效益相近。人工灌木林地在15°~20°坡度的减沙效益最佳,坡度大于20°后,人工灌木林比人工草地的效益突出。人工灌木林与人工乔木林在20°坡度的减流减沙效果接近,当降水持续增多时,灌木林的产流产沙量略少于乔木林,有更好的水土保持效益。该研究成果可为海原县及宁夏南部黄土丘陵区坡面上的水土保持植物配置和农业种植提供技术参考。

黄土丘陵沟壑区水土保持人工林减蚀效应研究

根据黄土高原绥德、延安、离石、安塞等地的径流小区观测资料 ,以降雨指标大于坡耕地侵蚀性降雨标准为条件 ,即PI30 >3 2 0mm2 ·min- 1 和I30 >0 2 8mm·min- 1 ,分析了不同次降雨条件下人工林地相对于坡耕地的减水减沙效益 ,及整地工程对林地减蚀作用的影响 ,建立了不同降雨条件下不同盖度林地减水减沙效益的关系式 (V =0～ 10 0 ;PI30 =3 2 0～ 10 0mm2 ·min- 1 ) :R% =16 0 4 2 6 - 2 8 90 6 4 4 (1 V) - 37.4 4 2log(PI30 ·V) ,r =0 .835 , n =88S% =16 1 95 3- 31 0 3189(1 V) - 30 .985log(PI30 ·V) ,r=0 .6 82 , n

流域系统径流侵蚀链内泥沙输移的空间尺度效应

尺度问题在地貌过程及水文模拟研究中具有重要意义,以黄土高原丘陵沟壑区岔巴沟小流域为例,基于毛沟-支沟-干沟尺度序列典型水文站的实测径流泥沙数据,分析流域系统基于事件的径流侵蚀链内泥沙输移的空间尺度效应。结果表明:1)基于侵蚀链毛沟-支沟-干沟不同空间尺度的平均输沙模数、平均含沙量、最大含沙量分别依次为3 912、3 285、3 522 t/km2,497、524、679 kg/m3,639、634、800 kg/m3,且在流域系统中均保持空间上的不变性;2)与单一力学指标相比,引入洪峰流量项的水流功率、单位面积径流能量及水流能量等复合能量指标能更好地描述侵蚀链不同尺度内及尺度间水沙关系;3)侵蚀链的输沙量主要取决于径流量,而洪峰流量能更好地解释侵蚀链内不同尺度径流输沙的差异,在侵蚀输沙的预测变量中引入表征径流变率的指标会提高中小型产沙事件泥沙预报的可靠性;单位洪峰流量(增加1 m3/s)引起的输沙增量是单位径流量(增加1 m3)增沙作用的875倍以上,欲消除侵蚀链内上下游径流输沙的空间尺度效应,则需将对应的洪峰流量比调控至5‰以下,或将对应的径流能量比调控至600以下;4)侵蚀链内上游含沙水流对下游的泥沙输移影响有限,随流域面积增大,含沙水流的空间尺度效应降低,输沙模数>300 t/km2的大型侵蚀产沙事件尤为明显。分析结果突出了流域系统径流侵蚀的过程特性和洪水调控可能引起的巨大减沙潜力。因此,针对高含沙水流,侵蚀链内泥沙调控及其水土保持措施的效益评估和功能评价亦应基于过程。研究结果可为全面揭示径流调控系统的水土保持意义、推动水土保持措施效益的精细化评估提供理论依据和科学支撑。

黄土堆积体植物篱减沙效益与泥沙颗粒分形特征研究

为探究植物篱措施对工程堆积体边坡的减流减沙效益及其对侵蚀泥沙颗粒分形维数的影响,以堆积体未防护边坡为对照,以不同放水流量对不同坡度堆积体植物篱防护边坡进行了放水冲刷试验。结果表明:与对照相比,植物篱边坡初始产流时间滞后100~500 s,其产流率、产沙率整体均较小,产流率在时间尺度上表现为间歇性波动上升;植物篱减流效率在4%~60%之间,减沙效率范围在15%~50%之间,减流减沙效率均随坡度和放水流量的增加呈幂函数形式减小;各处理侵蚀泥沙颗粒中粉粒均占主导地位,黏粒次之,砂粒含量最少。与对照小区相比,植物篱防护边坡侵蚀泥沙砂粒体积分数降低,黏粒和粉粒体积分数升高;黏粒富集率增加,砂粒富集率减小,泥沙颗粒分形维数增大。分形维数与黏粒和砂粒体积分数之间均呈极显著线性相关,侵蚀泥沙颗粒分形维数主要由黏粒体积分数决定。

布设植物篱条件下工程堆积体坡面产流产沙过程研究

为了探究植物篱措施对工程堆积体坡面产流产沙过程和减流减沙效益的影响,采用35,45,55L/min 3个流量,对24°,28°,32°3个坡度的堆积体边坡(20m×5m标准小区)进行模拟放水冲刷试验。结果表明:植物篱坡面的初始产流时间和产流强度较对照坡面(裸坡)均有不同程度减小,产流强度在时间尺度上表现为间歇性波动上升;植物篱坡面产沙率先增大后减小,产沙率整体低于对照坡面,且二者差值随时间逐渐缩小;小流量条件下产沙较稳定,大流量条件下产沙率变化较大;产沙量与产流量之间有良好的线性关系;植物篱措施的平均减沙效益随坡度增大而减弱,平均减流效益随坡度增加而增大,减沙效益仅与坡度有显著相关性。减流效益与减沙效益的关系较复杂,但降低工程堆积体坡面坡度仍是防治水土流失的关键,对于植物篱措施减流减沙的局限性,应通过提升植物篱的布设参数来改善。

中国北方地区水土保持措施减沙水代价分析

水土保持措施是减少河流泥沙的主要措施。水土保持措施在减少土壤侵蚀的同时也会减少地表径流和地表水资源量。根据目前我国北方地区水土保持对径流量和泥沙量的研究结果,比较分析了在坡面和沟道上梯田、造林、种草和坝地等水土保持措施减沙水代价,并对不同流域尺度水土保持综合措施减沙水代价进行了综合分析。研究表明,同一区域不同水土保持各单项措施减沙水代价不同;同一措施和综合措施减沙水代价存在明显的区域分异,通过选择减沙水代价较小的水土保持措施的类型和区域配置,可以在减少相同泥沙量的同时,相对增加河流水资源量。

香根草植物篱对三峡库区坡地紫色土侵蚀的影响

紫色土坡地是三峡库区水土流失的主要来源,严重影响着三峡工程的运行安全。植物篱是三峡库区坡地的重要水土保持措施之一,具有明显的减流减沙效益,然而植物篱地上及地下部分对坡面侵蚀的影响尚不明确。为此,该研究通过设置2个坡度(15°和25°)、2个降雨强度(60和120mm/h)和3个坡面条件(裸坡对照、植物篱和仅有植物篱根系),开展人工降雨试验,分析各试验条件下初始产流时间、径流量和侵蚀量的变化特征。结果表明:植物篱、地下部分和地上部分的平均减沙效益分别为75.59%、29.45%、46.13%,是对应的平均减流效益的4.79、4.60、4.92倍;地上部分和地下部分延缓初始产流时间、减流和减沙平均贡献率分别为48.28%和51.72%、62.25%和37.75%、60.44%和39.56%,表明植物篱对减沙作用更明显,且地上部分对产流产沙的影响大于其地下部分。以上结果加深了香根草植物篱对坡地侵蚀过程影响的理解,可为三峡库区紫色土坡地水土流失防治提供科学依据。

小流域综合治理的防洪减沙效应研究

以北庄小流域各观测站的实测水文资料为依据 ,对小流域综合治理的产流产沙及防洪减沙效应进行了系统分析和研究。就单场降雨而言 ,在产流方式上 ,未治理流域以蓄满产流为主 ,治理流域以超渗产流为主 ;小流域暴雨径流量 W与降雨量 P和前期影响雨量 Pa 相关 ,即 W =0 .0 0 0 4 7P1 .794 P0 .786 a ,小流域洪峰流量 Qm=0 .3 797A0 .6 86 7W0 .584 2 ,用此二式计算综合治理的防洪效益为 16.7%～ 3 7.5 % ,削减洪峰效益为 9.1%～ 2 8.6%。就单场降雨产沙分析而言 ,综合治理后日平均含沙量随降雨时间的延后而减小 ,日平均含沙量 Qs与日平均流量 Q呈正相关 ,即 QS=- 0 .0 4 3 6+ 19.2 97Q ,由此式计算治理 10年后减沙效益达 90 %以上。就一般年份即汛期雨量 <90 0 mm的年份而言 ,减水减沙效益明显。

草被地上和地下部分拦蓄径流和减少泥沙的效益分析

研究草被地上和地下部分拦蓄径流和减少泥沙效益对科学评价草被防止土壤侵蚀的作用有重要科学意义。采用模拟降雨试验,分析了草被地上和地下部分拦蓄径流和减少泥沙的效益。结果表明,草被与森林植被一样,能有效防止土壤侵蚀。当草地地面覆盖达90%时,草被拦蓄径流效益达90%以上,而基本上无侵蚀发生。草被地上部分(茎枝+枯落物)拦蓄径流效益为23.7%,其中茎枝部分拦蓄径流效益为9.0%和枯落物层拦蓄径流效益为14.7%,减少泥沙效益为44.6%;草被地下部分土壤体拦蓄径流效益为72.7%,拦蓄泥沙效益为55.4%。

官厅水库上游典型植物措施特性及在侵蚀性降雨下的水沙效应分析

为了研究官厅水库上游地区水土保持典型植物措施的减水减沙效益,选取5个标准样地,通过分析该地区侵蚀性降雨特性和植物多样性程度,研究不同典型植物措施的减水减沙效益随雨量、雨强和时间的变化,并评估不同植被盖度对径流深、产沙量的影响,得出在官厅水库上游布设水土保持典型植物措施的有效方法。结果表明：1）草坡盖度越高减水减沙效益越好,在大暴雨和特大暴雨条件下时效果明显,但盖度在45%~60%的草坡即可以达到水土保持典型植物措施的有效盖度,因此这一盖度适宜在北京山区范围内推广。灌草结合可在减少径流和泥沙方面达到较好效果,在官厅水库上游布设较草坡安全。2）合理的植被群落配置可以增强该群落自身对不良环境的抵抗力,其中多样性程度是关键,可促进坡面植被的盖度和稳定性保持在一定水平。保证植物盖度的同时,多样性程度越高,其退化速度越慢,从而可以保证植物的盖度和正常生理活动,减少径流和泥沙的产生。在进行水土保持植物措施的布设时,需要考虑到植物种类的多样性,将盖度与多样性指数、丰富度指数、均匀度指数作为布设措施时需要考虑的因素,并逐年进行补植。该研究为比较相应措施的水土保持效益打下基础,从而为北京山区生态安全的研究提供一定理论基础。

南方红壤区林下土壤侵蚀控制措施水土保持效益研究

通过在长汀水土保持科教园建立标准径流小区,2007-2010年连续观测3种不同措施下林地的产流和产沙情况,研究南方红壤区降雨量在不同时间尺度上的变化特征,并评估不同治理措施的水土保持效益。研究结果表明:(1)研究区降雨充沛,年内分配不均,主要集中在汛期4-8月,汛期降雨量占到年均降雨量的67.2%,是年内径流泥沙损失最多的时期,其中,6月份的降雨量显著高于其他月份,占全年降雨量的27.3%,应注重进行水土保持;(2)林地施肥改良、封育、人工补植3种控制措施的年均减流率分别为47.9%,47.5%,44.2%,年均减沙率分别为71.4%,67.8%,62.3%,减沙效益比减流效益高30.8%,3种控制措施均具有较好的减流减沙效益,但以林地施肥改良措施的减流减沙效益最好;(3)不同控制措施的年际水土保持效益逐年增加。

人工草地在黄土高原水土保持中的减水减沙效益与有效盖度

根据黄土高原绥德、延安 、离石、安塞等地的草地径流小区资料，分析不同次降雨条件下，人工草地的减水减沙效益和水土保持有效盖度。结果表明，当降雨指标小于坡耕地侵蚀性降雨标准时，草地并不发挥水土保持作用，减水减沙效益为零，当降雨指标大于坡耕地侵蚀性标准时，其减水减沙效益随着降雨指标的增大而减小。在土壤相对稳定的情况下，要使土壤侵蚀模数小于某一定值， 降雨、地形和植被覆盖因子三者之间存在着一定的相互制约关系，即草地的盖度随着降雨和坡度的增大而增大，当盖度达到一定程度时，降雨与坡度对其的制约影响减弱。建立草地的减水减沙效益指标体系，及草地水土保持临界有效盖度与降雨坡度的关系式，并结合降雨频率的分析，得出草地抵抗不同年暴雨的临界有效盖度。

黄河中游水保措施对入黄干支流泥沙特性的影响:Ⅱ.减沙效益分析

应用文献［１］关于不同地貌类型及不同水保措施条件下黄河干支流中泥沙粒径分布的研究结果，可以对相应条件下的减沙效益进行有效的分析。利用文献［１］模型，本文不仅探讨了在给定地貌类型条件下各类水保措施实施前后流域汇入黄河干支流的泥沙总量的变化，而且还在扣除降雨变化的影响之后，预测了各类组合条件下非均匀泥沙中减沙效果最佳的粒径级和相应粒径级泥沙的减沙量，预测结果得到了黄河干支流各站所有实测资料的验证。文中还简要讨论了人类活动（主要是开矿）对减沙效益的影响。

梯田、林地、草地减水减沙效益指标初探

通过对各地坡面径流场试验资料的系统整理，结合梯田、林地、草地的减水减沙机理，引入径流、泥沙水平和措施质量概念，分析得出了不同质量的梯田、林地、草地在不同的径流、泥沙水平年份的减水减沙效益指标，形成了一套较为完善的梯田、林地、草地减水减沙效益指标体系。

玉米茎秆汁液对土壤的减水减沙效益及其机理

为研究土壤改良剂玉米茎秆汁液对中国西部地区水土流失的影响和机理,该文通过室内土壤理化性质测定和人工模拟降雨试验,研究了地表施加玉米茎秆汁液对土壤团聚体的平均重量直径、土壤有机质质量分数和土壤减水减沙效益的影响。试验以未施加任何玉米茎秆汁液的黄土坡面为对照,设计单位面积玉米茎秆汁液施加量1 041.7 m L/m2,施加汁液体积分数25%和50%,降雨强度为50 mm/h,研究玉米茎秆汁液施加对土壤减水减沙的影响。结果表明,玉米茎秆汁液的施加可以增加土壤有机质的含量,提高土壤团聚体的平均重量直径,降低产流产沙速率。对照、体积分数25%和50%汁液施加下的土壤团聚体平均重量直径分别为0.18、0.46和0.51 mm,土壤有机质质量分数分别为5.70%、6.75%和7.17%。较对照,体积分数25%和50%汁液施加下,土壤的减水效益分别为45.81%和48.34%,减沙效益分别为65.00%和75.47%。玉米茎秆汁液的减水减沙效益随时间的推移而降低,月均减水、减沙效益降低量约为1.25%和1.41%,研究中施加体积分数25%和50%汁液的土壤减水减沙效益约可持续3和4.5 a。综上,玉米茎秆汁液作为土壤改良剂在施加量为1 041.7 m L/m2时,茎秆汁液与水的体积比为1:1时,效果较好。该研究可以为将玉米茎秆汁液作为土壤改良剂用于土壤侵蚀的防治提供施放参考。

聚丙烯酰胺(PAM)对扰动红壤侵蚀产沙过程的影响

为了研究聚丙烯酰胺(PAM)对防治扰动红壤水土流失的影响,采用室内人工模拟降雨试验,探讨了不同坡度、雨强与土壤处理下扰动红壤坡面产流与产沙变化过程。试验结果表明,630T型PAM减流效果好于630S型PAM效果,其减流效益在雨强越大的情况下效益越显著;630S型PAM2g/m2减沙效益最显著,平均含沙量比对照减少93.22%～99.65%,侵蚀总量减少93.83%～99.96%;但从经济角度来看,630T型PAM1g/m2最佳,其平均含沙量比对照减少83.59%～99.69%,侵蚀总量减少89.23%～99.78%。

泾河流域来沙系数变化与响应分析

对泾河流域水沙搭配关系、来沙系数及其变化、来沙系数与降雨之间关系、来沙系数与水利水土保持措施年均减沙效益之间关系及其响应等进行了分析。结果表明:泾河张家山水文站年最大洪水的水沙搭配关系为高含沙水流;进入20世纪90年代以后,全流域的水沙搭配关系更不协调。流域3个主要水文站自1988年以来年平均来沙系数均有明显增大的趋势;流域最大洪峰来沙系数和最大日平均来沙系数均与流域最大1日降雨量呈反比例幂函数变化关系;来沙系数随着降雨的增大而减小。流域治理后年均减沙效益和年平均来沙系数关系具有明显的分区规律;两个区单位减沙效益的年平均来沙系数几乎相等;年平均来沙系数对流域水土保持综合治理的响应非常明显。但流域水土保持综合治理对单位减沙效益的年平均来沙系数影响不大。

黄河下游典型引黄灌区节水改造综合效益评价

为了研究位山引黄灌区实施续建配套与节水改造工程后取得的综合经济效益,采用实测资料分析与理论探讨相结合的方法,在总结位山引黄灌区续建配套与节水改造工程实践情况的基础上,对位山引黄灌区续建配套与节水改造工程综合效益进行了分析评价。结果表明:位山引黄灌区节水改造工程节水效益明显,减沙效益巨大,促进了农业生产,改善了生态环境,带动了科技进步,推动了城市化建设。

官厅水库上游水土保持措施的减水减沙效益

采用北京延庆上辛庄径流试验站的裸地鱼鳞坑、侧柏鱼鳞坑、裸地水平条、板栗水平条、板栗树盘和休闲地坡面径流试验小区2001—2006年58次降雨的径流泥沙资料,分析北京山区官厅水库上游常用水土保持措施的减水减沙效益和水土保持措施因子值。研究结果表明:裸地鱼鳞坑、侧柏鱼鳞坑、裸地水平条、板栗水平条、板栗树盘的多年平均减水效益超过60%,减沙效益超过90%;鱼鳞坑、水平条和树盘的多年平均工程措施因子值分别为0.08、0.09和0.10,侧柏和板栗的多年平均生物措施因子值分别为0.41和0.48,且降雨量对水土保持措施的减水减沙效益以及水土保持措施因子值都存在明显影响。研究结果可为官厅水库上游地区土壤侵蚀防治效益定量评价和水土资源管理提供重要参考。