Spatiotemporal Evolution of Runoff and Sediment of the Taohe River and Its Driving Analysis

In order to explore the spatial and temporal changes of runoff and sediment in the Taohe River and its driving mechanism,Spearman correlation coefficient method,Mann-Kendell mutation test method and ordered clustering method were used to analyze the changes of runoff and sediment discharge and their driving factors in four hydrological stations along the Taohe River from 1957 to 2016.The results showed that the correlation between runoff and sediment of the four hydrological stations along the Taohe River was significant,and the correlation coefficient was 0.728-0.984.The runoff and sediment transport in the interval showed an increasing and decreasing trend.The decrease rate of runoff was 133.82%-216.17%higher than that of Xiabagou station,and the decrease rate of sediment transport was 250.49%-4766.33%higher than that of Xiabagou station.The mutation year of the Taohe River runoff occurred in 1986,and the maximum decrease was 35%.The water-sediment relationship curves of different periods showed that the sediment discharge of the four stations changed abruptly around 1990,and the maximum reduction before and after the mutation was up to 73%,and the sediment discharge in the river channel decreased significantly.The research showed that human activities were the main driving factors for the change of water-sediment relationship in the Taohe River.

Trace Elements Loss Characteristics in Runoff Discharge from Tobacco-Growing Red Soil in Sichuan Province of China

Trace elements are found in small concentrations in soil, yet plants require them for physiological functions. The runoff process leads to soil fertility loss by shifting soil particles and elements, and deposits them to a different position. However, there is a lack of information about the amount of trace elements that flow in tobacco-growing red soil during the natural rainy seasons due to runoff. In this study, runoff discharge was collected from two different soil mulching conditions (straw and no straw) at 15?, in Miyi county of Sichuan province, to evaluate the characteristics of trace elements in runoff discharge. The runoff discharge was filtered to separate water (runoff) from sediment. The concentrations of the elements were analyzed in samples obtained from 9 erosive rainfall events, with 3 replications for every sample. The considered trace elements were Zinc (Zn), Copper (Cu), and Molybdenum (Mo). In addition, the total amount of each element loss per unit area (total loss) was also calculated statistically. The results revealed different concentrations and total losses for the selected trace elements. The total loss in runoff ranged from 10.82 to 194.05 mg/ha, 0.62 to 18.91 mg/ha, and 0.32 to 2.37 mg/ha for Zn, Cu, and Mo, respectively. The total loss in sediment ranged from 54.65 to 12036.34 mg/ha, 44.74 to 5285.30 mg/ha, and 1.78 to 399.82 mg/ha for Zn, Cu, and Mo, respectively. Rainfall intensity, runoff depth, and sediment yield showed distinct positive correlations with the trace elements losses. The loss reduced with the addition of straw in the experimental area. Since each trace element showed distinct characteristics in the runoff and sediment, it is crucial to assess the loss of trace elements in runoff discharge from different agronomic practices. In turn, various sustainable practices of preventing soil fertility loss will be identified.

Can the Grain-for-Green Program Really Ensure a Low Sediment Load on the Chinese Loess Plateau?

The Chinese Loess Plateau is the most seriously eroded area in the world and contributes the vast majority of the sediment that goes into the Yellow River.Since the 1950s,progressive soil and water conservation measures have been implemented—in particular,large-scale ecological restoration has been ongoing since 1999—resulting in a significant reduction of the sediment load.However,the mechanism of the sediment transport dynamics is not fully understood due to multiple and complicated influencing factors including climate change and human activities(e.g.,ecological restoration).A challenging question,then,arises:Is the current low sediment level a“new normal”in this era and in the future?To address this question,we selected a typical loess hilly region where considerable ecological restoration has been implemented,and which is regarded as the site of the first and most representative Grainfor-Green program in the Loess Plateau.We investigated the evolution of discharge–sediment relationships in the past decades(1960–2010)and their association with the soil and water conservation measures in this area.The results showed that there was a distinct change in the regression parameters of the commonly used annual discharge–sediment regression equation—a continuously increasing trend of parameter b and a decreasing trend of parameter a,accompanying the ecological restoration.The increase in exponent b(i.e.,a steeper slope)implies a potential lower sediment load resulting from low discharge and a potential higher sediment load resulting from large discharge.This finding may question the new normal of a low sediment level and implies the potential risk of a large sediment load during extremely wet years.

A Simulating Experiment in the Process of Soil Erosion on Bare Land in Mt.Tanakami

In order to understand the process of surface erosion and acquire basic data of conditions on hillslope without vegetation, a sprinkling experiment is conducted on a bare slope in Mt.Tanakami in the central part of Japan. Based on the measurements of runoff, mean soil erosion depth, and sediment yield, etc., the results suggest the following characteristics in the process of surface erosion in the experimental area. (1) The occurrence of sediment discharge is interrupted; (2) Surface runoff is a saturated overland flow; (3) The mean soil erosion depth is thick compared with other areas in Mt.Tanakami; (4) Sediment discharge process is detachment-limited.

基于径流侵蚀功率的长江典型流域能沙关系模型及改进

基于径流侵蚀功率概念建立流域能沙关系模型,可为长江流域泥沙变化精准模拟与水土保持规划提供技术支撑。该研究以长江典型流域及其典型小流域为研究对象,通过收集1965—2018年金沙江流域、嘉陵江流域和湘江流域3个典型流域逐日水沙数据以及万安和李子口2个典型小流域2014—2020年场次降水径流泥沙数据,采用径流侵蚀功率、径流量和降雨侵蚀力对比分析不同时空尺度水沙(径流量和输沙量)、雨沙(降雨侵蚀力和输沙量)和能沙(径流侵蚀功率和输沙量)关系的优劣性,解析能沙关系优越性,并识别能沙关系非一致性变化,从而改进能沙关系模型提高流域输沙量模拟精度。结果表明:1)长江流域3个典型流域及2个典型小流域,在绝大部分情况下能沙关系的表现总是优于水沙关系和雨沙关系,在场次、月和年尺度修正的决定系数最大值分别可达到0.94、0.87和0.54。2)对于不同时间尺度,其流量序列中任意2个流量乘积与输沙量的相关性较高时,第一个流量Q_(1)分位点总是接近1且第二个流量Q_(2)分位点在0.5附近或者高于0.5。基于径流侵蚀功率可以较为准确地计算不同时空尺度流域输沙量,具有明显适用性。3)随着时间升尺度,水沙、雨沙和能沙关系逐渐变差,3个典型流域径流侵蚀功率和输沙量在一些月份上均存在显著变化趋势和显著突变点(P<0.05)。特别是在年尺度上,输沙量均为显著减少趋势(P<0.05),其能沙关系均表现出非一致性变化。4)水库建设和植被增加是导致流域能沙关系变差的重要原因,其均与输沙量呈现极显著负相关(P<0.001)。通过考虑水库指数和NDVI改进能沙关系模型的年决定系数(R^(2))可提高27.28%~97.62%。研究成果可支撑开发新的流域泥沙预报模型,服务长江流域生态保护与高质量发展。

黄土高原林区植被变化对水沙演变的影响——以仕望川流域为例

[目的]研究林区植被变化对水沙演变的影响,可以为黄河流域生态环境建设政策的制定与调整提供科学依据。[方法]基于仕望川流域控制水文站大村站1959—2018年的径流量与输沙量数据以及流域内的降水数据,分析了其60年水文变化特征。结合1985—2018年的NDVI数据以及五期土地利用数据,分析讨论了流域水沙变化的植被下垫面驱动效应。[结果]仕望川流域近60年来的径流量和输沙量呈显著减少的趋势(p<0.01),突变年分别在1988年和1983年,而流域内土地利用情况和降水在60年间并无明显的变化趋势,流域内生长季NDVI在2000年前变化不明显,但在2000年后有显著提升趋势。[结论]2000年以前,各种水土保持治理措施的实施是流域径流量与输沙量减少的主要原因;进入21世纪后,流域内植被质量的提升使径流量与输沙量进一步减少。

黄河上游宁蒙河段平滩流量变化与水沙过程的响应关系

平滩流量是表征河道排洪输沙能力的重要指标,开展宁蒙河段平滩流量变化机理的研究对于治理黄河意义重大,本文采用实测资料分析的方法,研究了黄河上游宁蒙河段平滩流量变化特征及其与汛期水沙过程的定量关系。研究结果表明:黄河上游宁蒙河段沿程六站平滩流量由1960年代中期的3600~5800 m^(3)/s减小到目前的1900~4000 m^(3)/s。2000年前宁蒙河段三湖河口平滩流量与汛期水沙过程关系点群与2000年后两者关系点群存在明显分区,说明2000年后宁蒙河段河床演变机理发生了变化,遵循不同规律。建立的宁蒙河段三湖河口平滩流量与汛期水沙过程的定量关系式表明,宁蒙河段平滩流量随着汛期平均水量的减小(增大)而减小(增大),随着汛期平均来沙系数的减小(增大)而增大(减小),随着汛期水流过程参数的增大(减小)而增大(减小)。

水库运用对金沙江下游水沙变化的影响

大型水库运用后,金沙江下游水沙时空分布发生重大变化。本文基于金沙江下游干支流水沙观测资料,分析了下游流域水沙时空分布特性。1954-2021年,金沙江下游径流主要来源为金沙江中游及雅砻江,两者年均径流量为1150.73亿m^(3),占总来水量的80.75%;年输沙量主要来自下游区间,其年均来沙量为9943.17万t,占总输沙量的48.12%。运用Mann-Kendall突变检验、R/S分析以及双累积曲线法,分析水库运用对金沙江下游水沙变化趋势的影响。结果表明:1954-2021年金沙江下游水库运用对年径流量变化趋势无明显影响,而对流域年输沙量影响显著。金沙江下游出口水沙关系在1998、2010及2012年发生突变,主要原因为雅砻江、金沙江中游、下游干流上大型水库的拦沙运用,导致下游出口含沙量由1.82 kg/m^(3)逐步降低为1.31、0.86、0.01 kg/m^(3)。利用金沙江下游干支流水沙关系及沙量平衡原理,分别计算局部区间水库拦沙对流域总减沙量的贡献度。1998-2009年二滩水电站建成运行,金沙江下游出口总减沙率为35.16%,雅砻江水库拦沙对下游总减沙贡献度为32.88%;2010-2012年金安桥等中游水电站运行后,下游出口总减沙率为51.43%,金沙江中游、雅砻江、三堆子至白鹤滩区间和白鹤滩至向家坝区间对下游总减沙贡献度分别为21.54%、23.10%、30.67%、24.69%;2013-2021年金沙江下游梯级水库运行后,下游出口总减沙率为99.37%,4个区间对来沙量减少的贡献度分别为19.64%、14.72%、12.34%、53.30%。

沂河流域临沂段水沙特性分析

基于沂河流域临沂水文站1951—2023年径流量和1954—2023年输沙量时间序列资料,采用M-K检验法、水文统计法、双累积曲线法等对临沂水文站水沙特性进行了年际、年代、年内趋势分析和相关分析。结果表明:沂河径流量、输沙量总体呈下降趋势,输沙量减少更为显著;年代平均径流呈现“降—升—降—升”趋势,年代平均输沙呈现“降—升—降—升—降”趋势,年代输沙较年代径流波动有所滞后;径流量、输沙量主要集中在7月、8月,分别占全年总量的63%、90%;水沙关系演变有4个转折点,分别为1960年、1980年、1998年和2020年。气候因素、水利工程、水土保持工程建设及“两山”理念、美丽幸福河湖建设、山水林田湖草沙保护和修复工程等流域综合治理等措施,使水沙关系波动中趋于稳定。通过沂河水沙特性分析,对沂河防汛抗旱、水利工程建设、水量调度管理、水资源合理配置、水生态保护修复等工作提供一定参考。

百年尺度黄河上中游水沙变化趋势分析

根据黄河有实测资料以来的水文泥沙定位观测数据,利用非线性统计方法分析了1919—2012年黄河潼关以上河段水沙系列变化趋势。20世纪80年代中期以来水沙变化特点表明,黄河年径流量、年输沙量自20世纪80年代中期以来总体呈不断减少之趋势,而上中游水沙关系则早于20世纪60年代末已发生突变,1986年发生的突变属上中游同时发生的第2次突变。从百年尺度看,黄河水沙变化在1960年以前主要受到气候等自然因素影响,径流泥沙系列随降雨丰歉而出现相应的丰枯变化,之后黄河水沙变化受气候等自然因素和人类活动因素的双重影响,尽管不同时段降雨有丰歉变化,但径流量、输沙量都持续减少;近百年内年输沙量趋势度的绝对值明显大于年径流量趋势度的绝对值,中游的年径流量、年输沙量的趋势度的绝对值明显大于上游的;近30年是黄河水沙百年尺度中最枯的时段,其变化的突出特点表现在来水来沙量不断显著减少,水沙变化程度在空间上分布不均,泥沙主要减于中游而径流主要减于上游,水沙年内分配趋于均匀,来沙系数趋于降低,水沙搭配关系趋好。

1950-2011年黄河干流水沙关系变化研究

采用黄河干流主要控制水文站唐乃亥、兰州、头道拐、龙门、潼关、花园口、高村、艾山和利津站的实测径流量和输沙量资料,借助Mann-Kendall趋势检验法、双累积曲线法和Pearson相关分析等方法,探讨50余年来黄河流域不同时段、不同河段水沙关系的变化特征。结果表明:唐乃亥站径流量和输沙量无长期变化趋势,黄河干流自兰州以下各站年径流量和年输沙量均表现出显著下降趋势。借助花园口站实测径流量与输沙量双累积曲线知,2000-2011年无降水影响时的累积减沙量为61.602亿t。径流量和输沙量呈正相关关系,沿程各站相关系数r∈(0.512,0.664),不同年代水沙关联性有较大差别。黄河上中下游之间径流量、输沙量均呈现显著正相关,其相关系数分别为r∈(0.725,0.904)、r∈(0.887,0.918)。不同年代中游来水来沙量对下游径流量和输沙量的贡献率存在较大差异,在2000-2009年达到最小值。

湘西山地不同植被类型的水土保持效益研究

根据 6种不同植被径观测流场资料分析发现 :1荒山的坡面年产流量比 5种有林地的坡面年产流量要大11.37% ;不同林分类型坡面年产流量相差 83.19% ;2荒山坡面年产沙量、输沙率比有林地坡面要大 2 38%～381%、335 %～ 779% ;天然次生林的坡面年产沙量、输沙率为经济林的 5 4 .35 %、6 5 .4 5 % ,林分保土效益大于保水效益 335倍 ;3林地土壤侵蚀模数逐渐减少 ,造林 5年后 ,可使造林前的中度流失降低到轻度流失 ;4坡耕地土壤侵蚀模数为 5 5 80 t/ (km2 · a) ,比荒山的土壤侵蚀模数还要大 110 t/ (km2 · a)

地表糙度对径流和产沙影响的室内试验研究

该文通过室内人工模拟降雨的方法,分析了连续降雨过程条件下,不同糙度地表的径流量和产沙量的变化。研究结果表明:人工锄耕的地表,延缓径流的作用较为明显,但这一作用仅发生在降雨初期;随着降雨的进行,不同糙度地表的径流变化规律基本一致,先增加,随后趋于稳定的趋势,但径流总量没有明显变化。同样,人工锄耕的地表,延缓地表的产沙作用强于糙度小的地表,产沙率15°坡面要高于5°坡面,随着降雨的进行,在雨强1.0mm/min条件下,这一变化更为明显,最终产沙总量变化不大。地表糙度对侵蚀的影响,不仅与降雨持续时间相关,同时与坡度密切相关,并初步证实黄土区地表糙度对侵蚀的影响存在着一定的临界条件。这为揭示地表糙度的本质特征提供了一定的理论依据,同时也可服务于黄土高原坡耕地水土流失的治理和退耕还林(草)工程的实施。

基于小波多尺度变换的渭河水沙演变规律研究

关中平原地区是推动陕西省经济社会发展的引擎,其生产总值占陕西省的70%以上,但是水资源短缺、时空分布不均、河流含沙量高等问题严重制约其经济社会的发展。运用小波变换、滑动t检验、累积距平以及Yamamoto、Mann-Kendall等方法系统分析了1935~2011年渭河水沙序列演变规律。研究结果显示:77 a间除20世纪70年代、80年代外,其它年代渭河华县站水沙变化波动下降的匹配趋势均一致,其中径流量减流速度大于输沙量减沙速度;渭河水沙序列周期变化不一,径流量变化的主周期依次为38 a、14 a、4 a,输沙量变化的主周期依次为15 a、49 a、43 a、4 a;除输沙量49 a变化周期外,其他水沙变化周期大致相近;由于渭河输沙量变化所受气候及人类活动的影响远较径流量复杂,加之水沙异源,所以渭河华县站输沙量周期变化及突变点分布情况比径流量变化复杂,且其第一主周期变化呈现独特的变化态势。

降水和水土保持对黄土区流域水沙关系的影响

流域水沙关系对降水量变化和水土保持的响应可为水土保持效益评价提供科学依据。根据黄土丘陵沟壑区第三副区典型小流域桥子东沟和桥子西沟1987—2010年的水文泥沙数据,用Mann-Kendall法检验流域年降水量和水沙变化趋势,采用双累积曲线法分析径流量和输沙量之间的关系,探讨降水量变化和水土保持措施对流域水沙关系的影响。结果显示,年降水量和水沙变化趋势基本一致,降水量是流域产流和输沙的主要影响因素。桥子东沟在1987—2006年和桥子西沟在1987—2010年时期的年单位径流输沙量没有发生显著变化,表明降水量变化、坡面工程措施和植被措施对流域水沙关系没有显著影响;桥子东沟在2007—2010年期间的年单位径流输沙量显著减小,表明流域水沙关系发生显著改变,这是由于2006年建设的淤地坝通过拦蓄径流泥沙和减少下游沟道侵蚀,导致流域减沙比例大于减水比例。

黄土丘陵沟壑区坡面水保措施及植被对流域尺度水沙关系的影响

根据黄土高原高含沙水流的特点,认为次暴雨的产沙模数和径流深可用线性正比关系式来表示,关系式中比例系数表示流域单位径流深的输沙能力、次暴雨过程中流量超过临界值后的稳定含沙量以及流域历次洪水的平均含沙量。在此模型基础上,以黄土丘陵沟壑区的王家沟的两个毗邻地貌相似的两条沟为研究区,其中一条沟为经治理而另一条则未治理。探讨各种坡面水土保持措施及植被对流域水沙关系的影响。结果表明,治理流域和非治理流域具有相同的水沙关系,被治理沟的植被等坡面措施在流域尺度上仅通过减水来减沙。这主要是因为植被等坡面措施不能显著改变沟道的输沙能力,且由于植被不能很好地控制沟谷侵蚀和重力侵蚀,使得水流进入沟道后又会获取充足的泥沙补充,达到和治理前相同的径流输沙能力。因此可以认为,在仅有植被和其它坡面治理措施的情况下,治理流域的减沙率可用减水率来估计。本文的实际计算表明,在多年平均尺度、年际尺度和次暴雨尺度这一方法都有较好的精度。

黄河源水沙变化及与气温变化的关系

利用黄河源4个水文站黄河沿、吉迈、玛曲和唐乃亥的长系列水文资料和10个代表性气象站的气象资料,分析源区近56年来年径流量、年输沙量、气温和降水的变化规律,以及探讨水沙变化与气温变化的关系.结果表明：4个水文站1955-1990年的年径流量和年输沙量均呈增加的趋势,但唐乃亥站1991-2011年的年径流和年输沙量相对于1956-1990年分别减少15.9％和28.5％.除河南和同德之外,其他8个气象站1953-2011年的气温呈现持续明显上升的趋势,上升线性速率为0.31 ～0.41℃/（10a）.黄河源区气温升高具有一致性趋势,但降水量变化没有一致性规律.降雨量与气温的关系在1953-1990年较弱,1991-2011年这种相关关系逐步增强.年径流量和年输沙量与气温升高的关系是气温降低或升高对应于年径流量和年输沙量增加或减少.

黄河口径流、泥沙、海岸线变化及其发展趋势

本项目研究了黄河口近半个世纪径流量与输沙量的变化，廿世纪五十年代至九十年代水、沙量呈明显递减，预测今后廿年黄河口多年平均径流量不会超过１５０～２００ ｘ １０８ｍ３，多年平均输沙量不超过 ５～ ７ ｘ １０８ｔ。在研究黄河三角洲海岸线历史变化的基础上，结合预测的水、沙量，用地貌模拟法预测了今后廿年黄河三角洲０ｍ海岸线的基本走向。

气候变化对渭河上游径流量和输沙量的影响

利用渭河上游北道水文站的径流量和输沙量资料和渭河上游流域16个气象站的气象资料,分析了1951—2000年期间气候变化对渭河上游径流量和输沙量的影响。结果表明:渭河上游径流量变化总体呈下降趋势,跃变点发生在1967年,20世纪60年代径流量最大,90年代以后径流量最小。径流量的变化主要取决于流域降水量的变化。葫芦河支流流域的降水量对径流量变化的影响最为敏感,其次是榜沙河支流流域的降水量。输沙量的多少主要取决于上游降水量的多少和大雨的次数,其次是风速大小和大风次数的多少。

近50年海南三大河入海水沙通量特征及变化

利用海南岛南渡江、昌化江、万泉河1957-1987年和2006-2008年的河口水文资料,分析了这三条河流不同月份、不同季节入海径流量和输沙量的分布特征和不同年份的年际变化特征。结果表明,海南三大河入海水、沙通量在夏、秋台风季节(7-10月)最大,峰值多出现在9月或10月,三条河流水沙通量总体呈现洪水多沙、枯水少沙的特点,南渡江入海径流最为丰沛,而昌化江为输沙最强河流。近50年来,海南三大河入海水沙通量总体呈下降趋势,20世纪80年代以前水沙通量围绕平均值波动较大,20世纪80年代以后明显偏低;流域降水变化可能是促使三条河流入海径流量变化的主要原因,而输沙量的变化除了流域降水变化的因素以外,流域坡降、下垫面性质以及人类活动的影响也起到了较大的作用。