模拟降雨下前期含水量对黄绵土坡面产流产沙过程的影响

为探究不同前期土壤含水量条件下坡面产流产沙特征及产流产沙关系,以安塞黄绵土为研究对象,通过设置6个前期土壤含水量处理(5%,10%,15%,20%,25%,30%),采用室内人工模拟降雨试验来系统研究前期土壤含水量对坡面产流产沙过程的影响。每个含水量处理设置2个重复,坡面坡度为15°,设计雨强为90 mm/h,降雨历时为1 h。结果表明:(1)随着前期土壤含水量的升高,坡面初始产流时间幂函数减小,产流量线性增大。(2)坡面土壤流失量随前期土壤含水量增大呈幂函数增加,高含水量组(29.3%)土壤流失量分别是低含水量组(5.8%和10.6%)和中含水量组(15.3%,20.4%,25.1%)的86.1,8.9倍。当前期含水量接近饱和时,坡面侵蚀加剧,土壤流失量迅速增加。(3)不同前期土壤含水量条件下坡面产流量与产沙量呈幂函数关系,当产流速率超过1.4 L/min,产沙量迅速增加甚至翻倍,呈“水大沙多”的特点。前期土壤含水量通过影响入渗产流和改变径流泥沙关系双重作用来影响坡面产沙。因此,对黄绵土坡面而言,应注意防范连绵持久降雨后暴雨或特大暴雨所造成的水土流失问题,可采取耕作、植被覆盖等措施维持适当土壤含水量使土层不饱和来减少侵蚀。研究结果为黄土高原水土资源保护和管理提供科学依据。

场次暴雨条件下濂水流域水沙关系探究

为探究场次暴雨条件下流域的水沙关系,该研究以赣南濂水流域为对象,基于1965—2020年的水文气象数据和土地利用数据,运用聚类分析、判别分析和Spearman相关分析等,在场次暴雨条件下,分析不同洪水类型、不同时段下的水沙特征及水沙关系,并对水沙滞回关系进行探究。结果表明:流域120场暴雨洪水划分为3种类型,发生频率由高到低依次为:Ⅲ型(短历时、小径流、低洪峰)、Ⅰ型(长历时、中径流、中洪峰)、Ⅱ型(中历时、大径流、高洪峰)。整个研究期划分的5个时段中,1996-2005年、2006-2020年的输沙特征值增幅较大,且单位径流的输沙能力大幅上升。不同洪水类型下的各水沙环路曲线比例差异较大;在不同时段下,逆时针型、“8”字型曲线分别在1996-2005年、2006-2020年的比例最高,分别为43.0%、55.6%,这与流域内果园大面积开发导致的沙源位置及数量的改变有着密切关系。研究成果可为流域的水沙管理及调控提供科学依据。

缓坡面细沟发育过程及水沙关系的室内试验研究

为了明确细沟发育特征及对坡面产流产沙的作用,该文在固定坡度(10°)和2个雨强(1.5和2mm/min)条件下,采用室内纯净水模拟降雨试验的方法,研究了塿土和黄绵土的坡面细沟发育过程和水沙关系。研究结果表明,细沟主要由沿坡面方向呈线状平行分布的跌坎链相互连通演化而成,在雨强较小时塿土更易形成细沟,而黄绵土在雨强较大时才能形成细沟。含沙量与侵蚀速率的变化规律与坡面跌坎和细沟的形成具有同步关系,雨强的增大不会引起塿土含沙量和侵蚀速率的明显增加,但对黄绵土含沙量和侵蚀速率的变化有很大影响,在大雨强时黄绵土含沙量和侵蚀速率会迅速增加,并在坡面细沟形成后很快超过塿土。同时,细沟的存在并不会引起塿土含沙量和侵蚀速率的明显变化,但黄绵土对坡面细沟反应敏感,细沟一旦形成会导致其含沙量和侵蚀量的急剧增加。该研究为坡耕地细沟侵蚀的有效防治提供相应的理论指导。

黄河中游支流无定河流域水沙情势与变异特性

近年来,黄河中游支流无定河流域水沙情势发生了显著变化,径流量与输沙量都出现了急剧减少的现象,其年径流量与输沙量序列变异类型(尤其是趋势变异、均值跳跃变异及方差变异)的信息重叠问题尚没有有效的解决方案,导致很难给出较为准确的变异归因解释。为此,以无定河流域10个水文站的实测年径流量和输沙量序列为研究对象,采用经验模态分解、STARS法和迭代累积平方和(ICSS)法对年输沙量序列进行趋势变异、均值跳跃变异和方差变异检验,识别无定河流域年输沙量序列变异的类型构成。同时,采用双累积曲线探讨无定河流域的水沙关系变化,并结合流域实际,分析变异类型产生的原因。结果表明:无定河流域年输沙量序列的变异类型均为复合类型,且复杂多变,其中趋势变异主要为先减后增型,均值跳跃变异为向上向下型和下沉型,方差变异主要为振幅缩减型;归因分析结果显示,无定河流域的淤地坝建设驱动年输沙量序列的下沉型均值跳跃变异,与其他水土保持措施一起驱动序列的趋势变异和方差变异;年降水量及沙尘暴频率因变化较小,仅在趋势变异上有微弱影响;淤地坝施工期间强降水引发的水土流失和淤地坝拦沙后清水下泄引发的河道冲刷驱动年输沙量序列均值向上的跳跃性变化,而淤地坝群淤积库容随时间的衰减则应该是驱动年输沙量序列趋势变异的关键因子。

十大孔兑暴雨洪水产输沙关系初探——以西柳沟为例

黄河上游十大孔兑暴雨洪水引发的水土流失及洪涝泥沙灾害是当地的主要环境问题。利用实测水沙资料,建立该地区洪水过程产沙量与降雨径流指标、流量与含沙量的经验关系,并探讨了这些关系的成因。结果表明:一次洪水过程的产沙量可以表示为降雨强度或径流深的幂函数,幂指数大于1;一次洪水过程流量和含沙量呈逆时针绳套曲线关系,含沙量可以表示为流量的幂函数,幂指数小于1。掌握该地区的水沙关系和规律,可为模拟该地区降雨径流产输沙过程,控制和预防流域水土流失和洪水泥沙灾害提供一定的基础。

一种新的流域水沙关系模型及其在年际时间尺度的应用

根据陕西子洲试验站9个流域和山西离石试验站3个流域的观测数据,研究了黄土丘陵沟壑区次暴雨径流和产沙的关系。结果表明:在研究区,当流量超过某一临界值后,含沙量保持稳定,且次洪平均含沙量主要取决于大流量时段,故对于较大的洪水事件,其平均含沙量也趋于稳定,次暴雨和次暴雨过程两个时间尺度的水沙关系表现出很好的相似性。因此可用正比关系式来拟合较大洪水次暴雨径流深和产沙模数之间的关系。由于极端事件对研究区水土流失的重要性,使得该模型有很好的实用性。模型在年际时间尺度上的应用结果表明,对仅在次暴雨期间产流的地区,该模型可以很好地预测年产沙量,而对于常年流水的流域,在丰水年根据汛期径流量该模型也有较好的计算精度。

西柳沟暴雨洪水输沙分析

以西柳沟流域为研究范围,分析2016年8月17日暴雨、洪水和泥沙特点,并以1989年之前为基准年,对降雨产流产沙关系进行对比分析,建立了径流输沙与不同雨量级累计雨量的关系,分析了泥沙来源。结果表明:大暴雨的产洪产沙作用远大于一般暴雨,流域下垫面的变化对产沙有重要影响,在相同降雨条件下,本次降雨形成的洪峰和沙峰及沙量明显偏小,其中流域林草植被覆盖率的变化起重要作用,淤地坝的拦截作用减少了进入中下游的泥沙,削弱了洪水的输沙作用,控制站的输沙量约20%来自沙漠补给。

孔兑流域产沙关系浅析

十大孔兑的洪水泥沙对孔兑下游安全极其不利,同时造成黄河干流严重淤堵。研究孔兑产沙关系及其变化对于流域治理规划、合理评价径流泥沙变化趋势具有重要意义。利用实测水文泥沙资料,结合十大孔兑流域综合治理的发展,以流域治理前和治理后相对稳定期为对比年份,以日降雨量大于10,25mm的累计降雨量和年输沙量为参数,建立了有水文资料的毛不浪、西流沟和罕台川3条孔兑不同时期降雨—产沙的关系,说明了下垫面变化对产沙关系的巨大影响。分析表明,在降雨量相近的情况下,近期输沙量较基准期减少约90%,多年平均有效降雨条件下,3孔兑的减沙比93%~98%。研究表明孔兑大规模治理、植被恢复和淤地坝建设,对孔兑输沙量锐减发挥了重要作用。研究成果可对评估孔兑流域综合治理措施的效果提供重要依据。

黄土地区小流域次暴雨侵蚀产沙研究

通过坡面模拟降雨实验，分析了黄土地区坡面降雨径流产沙过程的主要影响因素，建立了坡面径流含沙量与坡面流量、前期土壤含水量、土壤干容重之间的定量关系。应用实测资料分析了黄土地区暴雨径流侵蚀产沙特点，建立了考虑流域前期土壤含水量和径流涨落段的含沙量与流量之间的水沙传递关系，建立了小流域次暴雨侵蚀产沙模型。经用实测资料计算检验，此模型对小流域次暴雨侵蚀产沙过程及产沙总量的计算结果都具有较高的精度。

乌兰木伦河流域产流产沙模型研究

根据黄河中游多沙粗沙区的地貌特征及降雨特性，以窟野河上游乌兰木伦河流域为研究对象，提出了考虑降雨时空分布不均的流域产流模型，建立了次暴雨径流产沙概念模型，经实测资料检验精度良好。该模型可用于较精确的估算多沙粗沙区次降雨条件下的流域产沙量及其在时程上的变化，对黄河中游水土保持治理规划。

草被覆盖对坡面水沙关系的影响分析

研究自然修复草被坡面的侵蚀产沙过程对认识生态修复措施的减水减沙作用和黄河水沙锐减原因具有重要意义。采取野外标准径流小区冲刷模拟试验的方法,研究不同立地类型下的坡面产流产沙过程和水沙搭配关系,结果表明:1与裸坡相比,自然修复草被坡面的减水减沙效益分别达到88.0%和99.9%,人工草被坡面的减水减沙效益分别达到47%和97.6%;2自然修复草被措施对坡面水沙关系影响明显,自然修复草被小区呈现水少沙少现象,水沙搭配关系与裸坡和人工草被坡面明显不同;3对于自然修复草被来说,土壤入渗率的显著提高是其发挥减水减沙作用的重要原因。

流域降雨侵蚀产沙过程水沙传递关系研究

利用窟野河王道恒塔站以上流域２０多次径流含沙量大于３００ｋｇ／ｍ３的降雨径流泥沙资料，初步分析了流域降雨空间分布及前期影响雨量对流域产沙的影响，并建立了流域降雨侵蚀产沙过程的水沙传递关系。研究结果表明：降雨空间分布及前期影响雨量对水沙传递关系的影响是显著的，此项研究对提高流域降雨侵蚀产沙预测预报精度和可靠性具有重要的意义。

坡度对黄土坡面产流产沙过程及水沙关系的影响

为了探究次降雨条件下坡度对黄土坡面侵蚀及水沙关系的影响,在室内进行模拟降雨试验,结合能量理论对黄土坡面水沙关系进行了研究。结果表明:(1)在次降雨条件下,坡面产沙强度随产流时间的变化趋势较产流强度更为复杂,并且两者随着产流时间的变化趋势存在不同步性;(2)坡面总产流量与总产沙量随坡度的变化均呈二次函数关系,并且在20°~25°存在量变的临界值;(3)坡面产流强度与产沙强度呈正相关关系,方程系数a随坡度呈现增大后减小的趋势;(4)累积产流量与累积产沙量之间呈正相关关系,相关系数c的绝对值与坡度成正比;(5)坡面平均径流能量随坡度的变化呈上升—下降的趋势,在坡面侵蚀过程中,平均径流能量与平均产沙强度之间的关系可用线性方程描述,两者呈正相关关系,平均径流能量可以合理预测黄土坡面的输沙能力。该研究可为完善黄土区的土壤侵蚀机理提供理论依据。

黄河主要产沙区雨沙关系及泥沙变化特征

针对黄河中游雨沙关系分析中普遍存在的研究区选择、基准期判定和降雨因子优选等问题,以黄河主要产沙区(河龙区间+北洛河、泾河中上游)为研究区域,以1957-1969年为基准期,对21个降雨因子与来沙量的关系及其相关程度的主要影响因素(站网密度、面雨量计算方法、特异点处理等)进行分析的基础上,选取7-8月降雨量为降雨因子,建立了雨沙关系式并应用于分析泥沙变化原因。2000-2015年降雨量对来沙量减少的影响程度由1957-1979年的85.3%减少到23.2%。人为活动对来沙量减少的影响程度由1957-1979年的14.7%提高到76.8%,说明20世纪90年代后期以退耕还林还草(GFG)为主体的大规模坡面治理工程和以淤地坝为主体的沟道治理工程,大幅度提高了人为活动对来沙量减少的影响程度。

坡沟侵蚀水沙搭配关系的阶段性特征研究

坡沟系统是侵蚀产沙规律研究和水土保持生态治理的基本单元,研究坡沟系统侵蚀水沙搭配关系的时段特征,对于因地制宜适时布设水土保持措施具有重要意义。采取人工降雨模拟试验方法,分析了3种不同雨强下坡沟系统土壤侵蚀的产流产沙过程和侵蚀过程中水沙搭配关系的阶段性特征。结果表明:一定的下垫面条件下,在坡沟系统土壤侵蚀过程中存在雨强临界点,小于临界雨强时,产流产沙量随雨强的增大而急剧增大,雨强越大,侵蚀发育阶段进展越快,超过临界雨强时产流产沙量随雨强的增大和侵蚀发育的演进均有所减弱;雨量和雨强均为影响侵蚀产沙过程的重要因素,试验条件下,雨强对产流速率和产沙速率的作用系数分别是累计降雨量对其作用系数的2.1倍和2.2倍,说明雨强对产流产沙的影响更大;准浅沟侵蚀阶段的坡沟侵蚀水沙搭配关系明显不同于面蚀和细沟侵蚀阶段,同一径流量下,准浅沟侵蚀阶段的产沙量明显增大。

黄土丘陵区覆沙坡面产流产沙过程及水沙关系

通过室内放水冲刷试验,对4种覆沙条件和3种径流坡长条件下的产流产沙过程及水沙关系特征进行了研究。结果表明:覆沙坡面的初始产流时间相比于黄土坡面明显延长,初始产流时间随着覆沙厚度的增加而增大,且产流量和产沙量峰值出现的时间存在不同步性。不同坡面的产流率在试验初期较小,随着产流历时的延长逐渐增大并且趋于稳定。黄土坡面的产沙率随产流历时的延长变化趋势较为平稳,覆沙坡面的产沙率波动范围较大。不同坡面的累积产沙量均随着累积产流量的增加而逐渐增大,并且两者之间呈幂函数关系。由于沙层具有一定的蓄水功能,导致覆沙坡面的侵蚀过程明显不同于黄土坡面,覆沙厚度是影响坡面侵蚀特征的重要因子,该研究为进一步揭示复合坡面的侵蚀特征提供科学依据。

黄土丘陵沟壑区典型流域土地利用变化对水沙关系的影响

以黄土丘陵沟壑区内相邻的2条支沟(桥子东沟和桥子西沟)为研究对象,基于遥感影像获得土地利用数据,利用水文站1986-2004年观测的次降雨-径流-泥沙过程资料,研究了小流域土地利用变化(主要以增加水土保持措施为主)对径流输沙的影响。结果表明:在黄土丘陵沟壑区,增加土地利用/土地覆被能够有效地减少小流域的径流量、产沙量;在次降雨量、降雨强度较小,土地利用变化不明显的情况下,两流域次降雨水沙关系差异不显著,在次降雨量、降雨强度较大和土地利用变化明显时,两流域次降雨水沙关系差异显著,坡耕地改梯田的农田水利建设可能是导致水沙变化的主要原因。

砒砂岩地区降雨与植被耦合关系对侵蚀产沙的影响

研究降雨—植被耦合关系对侵蚀产沙的影响,为侵蚀治理提供数据支持。基于TRMM降雨数据和MODIS 250 m NDVI,分析降雨和植被的年内分布模式和匹配关系,并构建降雨—植被耦合指数RV,用于反映侵蚀产沙状况。进一步利用年降雨量、NDVI以及其分布参数(峰度系数和偏斜度)与输沙量进行相关分析和多元回归分析。结果显示:降雨的集中、偏斜程度和波动性要比植被更为明显;RV与实际输沙量的相关系数为0.84,可以很好地反映侵蚀产沙的相对大小;年输沙量与降雨的分布参数相关性最高,达到0.94和0.87,对提高回归模型的拟合程度影响也最大;考虑降雨量、NDVI及其分布参数的模型的拟合程度最好,Ra2达到0.9232。因此,降雨与植被的年内匹配模式对侵蚀产沙具有重要影响。

东北典型黑土区流域水沙关系季节动态特征及原因分析(英文)

以位于东北典型黑土区的黑龙江省乌裕尔河流域中上游为研究区,利用依安站31年的日水沙观测资料,对流域水沙的季节性动态特征进行了分析,对影响水沙关系的自然及人为因素进行了探讨。观测数据表明,7-9月的径流量占全年的64.7%,对本区的产流起主导作用;径流平均含沙量在4月融雪期和6月底到7月中旬明显高于其他时段,含沙量的季节变化与径流的变化明显不同。为描述各影响因素对含沙量变化的贡献,本文通过将含沙量的季节变化与其影响因素的变化进行关联,提出了一种从多因素联合影响中分离出单因素影响的思路,分析表明:冻融作用对裸地的径流含沙量影响剧烈,明显增加土壤侵蚀;在地表有无植被及耕作措施情况下,降雨侵蚀力的增加都将增加径流含沙量;植被的出现可以削弱降雨侵蚀力增大时的增沙效应,但7月降雨侵蚀力的增沙作用超过了作物覆盖的减沙作用。所提方法可方便地用于缺少对比观测实验地区的土地利用和管理措施水保效用评价。

砾石对关中塿土工程堆积体产流产沙的影响

为研究砾石对关中平原地区工程堆积体边坡径流产沙规律,采用室内人工模拟降雨试验方法,以关中塿土土质(无砾石)堆积体边坡为对照,研究1.0、1.5、2.0和2.5 mm·min^-1雨强下10%、20%和30%砾石质量分数工程堆积体边坡径流产沙特征及水沙关系。结果表明:①径流率、流速与砾石质量分数相关性均不显著(P> 0.05),与雨强显著相关(P <0.05)。②1.0~2.5 mm·min^-1雨强时,次降雨产沙量随砾石质量分数增加呈显著的幂函数形式减小;各砾石质量分数堆积体产沙量较土质堆积体分别减少17.1%~67.5%、13.8%~81.1%和25.5%~92.0%。③雨强<2.5 mm·min^-1时,水沙累积曲线由极显著线性特征转变为极显著幂函数形式(P <0.01)。结果可为关中地区工程堆积体水土流失预测和防治提供理论依据。