Impacts of water conservancy and soil conservation measures on annual runoff in the Chaohe River Basin during 1961-2005

National Key Technology RD Program [2006BAD03A02]

东灵山森林生态系统若干水分问题的研究

东灵山地区年均降水量659.7mm，单次降水以雨量小、雨强低的降水为主。水汽压（年均17.7mb）、相对湿度（年均66％）的季节变化呈现生长季高、冬季低的趋势。年均蒸发量1019.5mm;气温、风速、日照时间和水压与月蒸发量和日蒸量相关显著;气温、日照时间和水压分别在11-6月、7－8月和9－10月为决定蒸发量的首要因子。枯枝落叶层、土壤层湿度主要受前十日降水量和坡向影响。 植物体含水量生长季节较高，冬季较低;含水量随径级的增大而降低。六个灌木树种的平均含水量大小顺序为：毛榛（48.62%）最高荆条（36.32%）最低;七个乔木树种水分含量为油松，56.14%;蒙椴，54.19%;华北落叶松，52.91%;五角枫，43.64%;辽东栎，41.87%;棘皮桦，41.13%;大叶白腊，37.79%。几种植被类型的储水量为：辽东栎林，82.08mm;华北落叶松林，47.35mm;混交林，34.60mm;油松林，31.33mm;灌丛，12.40mm。各树种叶片日最低水势的季节均值为：辽东栎，-16.1bar;五角枫，-15.8bar;大叶白腊，-15.1bar;糠椴，-13.4bar;棘皮桦，-12.3bar;蒙椴，-12.2bar。叶片水势的日间变化均呈一“V”形曲线;光照在叶片水势的日间变化中起着决定性作用。 96年各树种平均单株树干茎流量为辽东栎，30.3mm(4.19%);华北落叶松，16.1mm(2.22%);油松，8.9mm(1.23%);棘皮桦，2.9mm(0.40%)。两个生长季各林分冠层的水量平衡为：辽东栎林，树干流茎量101.87mm(9.18%)，穿透降水量823.08mm(74.15%)，截留量185.05mm(16.67%);华北落叶松林，树干径流量66.88mm(6.03%)，穿透降水量836.92mm(75.40%)，截留量206.20mm(18.58);混交林，树干径流量50.13(4.52%)，穿透降水量846.78mm(76.29%)，截留量212.20mm(19.12%);油松林，树干径流量33.90mm(3.05%)，穿透降水量934.88mm(84.22%)，截留量141.22mm(12.72%)。多元回归分析表明，树干流茎量S与降水量P和前24小时降水量P_1呈显著正相关关系;穿透降水量T与降水量P和最大雨强M正相关显著。附加截留量与降水时间成正比。 枯枝落叶层的生物量为：油松林，25.56t/hm~2;华北落叶松林20.01t/hm~2;辽东栎林，8.31t/hm~2;混交林，7.98t/hm~2。枯枝落叶层的平均实际持水量和有效持水量均以油松林最大，其次是华北落叶松林，而混交林和辽东栎林较低;枯枝落叶层的实际持水量和有效持水量的季节变化分别与前十日降水量P10成正相关和负相关关系。枯枝落叶层的截留量为油松林＞华北落叶松林＞辽东栎林＞混交林;油松林（145.632mm和90.800mm）混交林(61.816mm和54.504mm)。油松林、辽东栎林、混交林和华北落叶松林去除枯枝落叶层后，土壤入渗量比对照平均降低100mm以上;表层土壤含水量分别比对照土壤下降了6.26、18.26、15.06和15.07个百分点。地表径流量分别增加了，辽东栎林34.299mm(603%)和15.816mm(525%);油松林14.593mm(732%)和10.584mm(1321%);混交林12.004mm(181%)和7.275mm(364%);华北落叶松林3.555mm(118%)，3.275mm(229%)。96年生长季，各土壤流失量分别增加了：油松林172.751t/hm~2(124倍);辽东栎林836.500t/hm~2(119倍);混交林172.499t/hm~2(47倍);华北落叶松林11.557t/hm~2(11倍)。表层土壤容重分别增加了：油松林15.0%和20.6%，辽东栎林18.4%和28.2%，混交林11.5%和38.5%，华北落叶松林4.3%和17.1%。 0-60cm深度土壤容重平均值的大小顺序为：草地>灌丛>辽东栎林>油松林>混交林>华北落叶松林;而土壤孔隙度的大小顺序为华北落叶松林>混交林>油松林>辽东栎林>灌丛>草地。两个生长季为土壤实际储水量的均值：油松林，124.45mm，78.62mm;辽东栎林，131.23mm，87.72mm;混交林，180.41mm，113.90mm;华北落叶松林，165.53mm，127.95mm;灌丛，172.50mm，89.81mm;草地，152.92mm，89.59 mm分别比干旱年份97年高出45.83mm、43.51mm、51.63mm、37.58mm、82.69mm和63.33mm。两个生长季的地表径流量为草地，30.930mm(2.79%);灌丛，16.321mm(147%);油松林，2.911mm(0.26%);辽东栎林，8.703mm(0.78%);混交林，8.625mm(0.78%);华北落叶松林，4.447mm(0.40%)。油松林、混交林和华北落叶松林地表径流量与降水量P(mm)和最大雨强(mm/h)正相关显著;而辽东栎林、灌丛和草地的地表径流量则与降水量P(mm)、平均雨强Q(mm/hr)和最大雨强M(mm/hr)三者之间呈显著正相关关系。与草地相比(1220.093kg/hm~2，100％)，灌丛、辽东栎林、混交林、油松林和华北落叶松林96年生长季的土壤流失量分别降低了85.05%、94.26%、96.99%、98.86和99.14%。 降水量是影响小流域径流量时间变化的主要因素;南沟和马牙石沟96年的径流量分别是97年的8.19倍和7.87倍，而径流深(46.25mm，52.75mm)分别比97年(5.65mm,6.70mm)高出40.60mm和46.05mm。两个小流域由于面积的差异而使南沟两年的径流量分别比马牙石沟高出2773.136m~3(13.15%)和235.434m~3(8.79%)。96年和97年马牙石沟径流深比南沟高出6.5mm(14.05%)和1.05mm(18.58%)。在地处大陆性季风气候区的东灵山地区，用0.010m~3/min/km~2/hr能较好地分割小流域的洪峰和基流。在五次暴雨水文曲线中，马牙石沟的快速径流量分别比南沟高出25.00%到143.33%。五次洪水水文响应R的平均值南沟为0.218%，马牙石沟为0.404%;与海洋性气候地区相比，东灵山地区小流域的R值要低一到两个数量级。马牙石沟洪峰流量Qp的平均值为418.772L/min要比南沟(281.191L/min)大48.9%。东灵山地区小流域的洪水径流过程可分为三种类型。

基于GIS的区域土壤侵蚀模型设计

区域土壤侵蚀模型是国家和区域土壤侵蚀调查、水土保持宏观规划的支持工具。借鉴国外区域土壤侵蚀模型,以DEM栅格为空间单元,对区域土壤侵蚀的单元模型进行定量表达,包括降雨、植被截留、入渗,微地形填洼等,并利用GIS功能完成径流传递和汇集部分的计算,建立了区域土壤侵蚀模型。所建立模型在延河流域的试运算,结果接近现实,能反映土壤侵蚀时空分布趋势。模型的建立可为水土保持的宏观决策提供支持。

黄河中游地区年径流对土地利用变化时空响应分析

以黄河中游河龙区间为研究区,以水土流失综合治理及生态环境建设导致的土地利用/覆被变化为背景,采用非参数统计法,基于区内38个水文站20世纪50年代至2000年水文数据,分析流域年径流对土地利用/覆被变化响应的时空变异特征,估算影响因素贡献率。结果表明:其中29条流域年径流量呈显著减少趋势,变率为0.17~2.61 mm/a;28条流域年径流量具有显著跃变时间,无定河流域各水文站跃变时间多在1970—1973年间,其余则多为1978—1985年,最晚为1994年;在5%、50%和95%的发生频率上,跃变前后时段年径流量减少幅度以30%~60%普遍,最大分别为73.2%、63.5%和69.7%;河龙区间整体呈显著减少趋势,变率为0.79 mm/a,跃变时间发生在1979年,3个频率上的减少幅度分别为46.5%、42.4%和24.1%。估算的11条流域中有9条土地利用/覆被变化等人类活动对流域径流减少影响程度超过50%。水土保持措施面积的增加,尤其淤地坝等水利水保工程措施的持续修建,对区域地表径流变化具有明显影响。

径流曲线法在黄土区小流域地表径流预测中的初步应用

径流曲线法是目前国际上预测无径流观测资料地区降水地表产流的主要模型,由于气候、水文及下垫面的差异,在黄土高原地区的应用受到限制。利用黄土高原地区3个小流域的303场降雨径流资料,针对黄土高原降雨地表径流特点优化模型中的初损率λ,并提出降雨强度修正函数,将降雨强度因子引入径流曲线法。优化后的模型效率E达到0.812,实测径流深与预测径流深的线性回归决定系数R2达到0.822。改进后的SCS-CN模型可用于黄土区小流域降雨地表产流预报,对黄土高原无资料地区侵蚀产流预报、指导水土保持工程配置和设计具有重要的理论和工程实践意义。

森林流域单元水文模型的构建与应用

目前全球缺水、水污染、洪涝灾害以及水土流失仍然非常严重，尤其在我国北方地区。流域水文模型可用来进行不同需水管理的情景分析，为解决我国水问题提供科学依据。分布式水文模型是流域水文模型的发展方向，具有显著特点：1）应用前景广泛，不仅可以模拟流域水文过程，还可以协助模拟泥沙或污染物的运移过程，为水利工程设计、水土保持、环境保护等领域提供技术支持；2）能够预测流域土地利用或气候变化下的流域水文响应过程变化，为管理部门提供决策支持；3）模型所需要的参数全部具有物理意义，可通过实际测量确定，适合模拟实测系列较短或是无观测流域的水文过程；4）对于目前国际水文界的前沿问题—水文尺度转换提供了一种有效的解决途径。 然而分布式水文模型还不完善，如1)真实性问题。对一些水文过程和边界条件还不确定。2)尺度转换问题。目前很少考虑尺度对参数有效性的影响。3)检验问题。还无法判断对有些难以测量的水文状态变量的模拟正确与否。4)计算时间和数据存储的问题。有些分布式水文模型虽然具有很强的水文物理基础和完善的模型结构，但是计算时间过长和(或)数据存储过大，难以应用。上述问题的核心就是对分布式水文模型的核心—单元水文模型的研究不够，需要为进一步完善单元水文模型进行研究。 本文采用饱和入渗理论、Saint-Venant方程、Richards方程、Penman-Monteith方程等等构建了以有限差分法求解的适用于森林流域的单元水文模型，并通过实验室模拟试验和坡地径流场资料进行了验证，主要结论为： 通过不同坡度和不同雨强下的室内坡面产汇流实验模拟，表明：该模型模拟的坡面流和壤中流过程与实测过程基本一致，峰现时间、径流历时、峰值流量、出流总量模拟值与实测值的相对误差均较小，基本小于10%。模型的模拟精度较高，实用性较强，为深入研究壤中流机制和改进流域降雨-径流模型提供了理论依据。 通过坡地径流观测场实测资料的验证，表明：该模型模拟的坡面流过程精度较高，累计流量的精度更高于小时过程的精度，离差系数、效率系数、确定系数均较理想，具有应用价值，有助于改善分布式水文模型在森林流域的模拟效果。

基于GIS的区域水土流失生态风险评价

为了给区域尺度的水土流失治理、规划及评价提供科学的依据,将"风险评价"的概念引入水土保持学科之中,定义了区域水土流失生态风险评价的概念,提出了评价的方法与步骤,构建了区域水土流失生态风险评价模型框架,并以延河流域为例进行了应用。结果表明:延河中游及安塞县和宝塔区为优先治理区;证明区域水土流失生态风险评价可以为政府水土保持管理决策提供参考。

区域土壤侵蚀普查方法的初步讨论

区域土壤侵蚀调查制图和动态分析,是国家和省区编制土壤侵蚀宏观规划的数据基础,也是一个重大前沿性研究命题。在综述国内外区域土壤侵蚀调查制图、区域土壤侵蚀因子、土壤侵蚀尺度效应和土壤侵蚀模型等研究现状的基础上,对即将开展的全国土壤侵蚀普查工作提出以下建议:土壤侵蚀普查需要充分利用我国土壤侵蚀模型研究的最新成果,采用模拟计算方法实现对土壤侵蚀强度的定量估算;调查内容应包括区域土壤侵蚀因子、土壤侵蚀类型与强度、水土保持措施、典型区域抽样调查等;对土壤侵蚀尺度效应、区域土壤侵蚀模型应用示范和区域土壤侵蚀数据库建设方法等关键技术展开攻关研究。

不同复合措施的次降雨径流、产沙调控率和作物产量

针对单一径流调控措施难以得到较好水土保持效果的问题,本研究通过天然降雨径流、产沙的试验定位观测,对几种措施复合后的次降雨径流、产沙的调控率,及对作物产量的影响做了分析。研究表明:复合措施可以有效地对坡面径流、产沙进行调控,减少坡面径流量和产沙量90%以上,同时提高农作物的产量10%以上。复合措施因其优异的径流、产沙调控能力,增产明显,成本低廉,实施简便,成为一种性价比较高的坡面径流调控模式。

中国21世纪水土保持工作的思考

水土资源是人类生存的基本资源 ,是国民经济持续发展的基础。按照国家生态环境建设规划要求 ,2 1世纪水土保持工作任务繁重而艰巨。 2 1世纪水土保持的特点是内涵不断扩充 ,综合性日益突出 ,大量运用高新技术 ,产业进一步发展。建议提高水土流失治理的科技含量 ,培养和建立一支高水平、高素质的水土保持队伍 ,引进新的监测技术与管理手段 ,建立一批高水平的综合治理试验示范工程和基地

黄土丘陵沟壑区小流域坡耕地土壤抗冲性试验研究

通过对黄土丘陵沟壑区种植不同作物的坡耕地土壤抗冲性进行动态测定 ,探讨了坡耕地在作物不同生长时期和种植不同作物条件下的抗冲性特征及影响因素 ,为该区保持坡耕地水土、防止流失而合理配置农作物提供科学依据。

基于GIS实现的中国土壤侵蚀背景数据库若干技术问题

建立准确可靠、精确可用的中国土壤侵蚀背景数据库是进行全国或区域范围内土壤侵蚀定量评价及土壤侵蚀时空特征研究的基础工作,也是其重要的手段和途径。就小比例尺全国土壤侵蚀背景数据库的建立过程,探讨了该类数据库在ARC/INFO软件系统上实现的技术方法,以及数据精确程度的控制问题。

中国水土流失的概况及其综合治理

本文以翔实的数据说明了我国水土流失严重的现状 ,并从良化生态环境 ,坚持综合整治、搞好小流域治理、提高防洪综合能力、加大执法力度、增强保水保土意识等方面 ,提出了防治我国水土流失的具体途径。

我国区域土壤侵蚀与环境研究述评

区域土壤侵蚀与环境研究,是在比较大的中间尺度和较长的时间尺度上,对土壤侵蚀发生发展过程、土壤侵蚀因子、土壤侵蚀定量评价方法,以及土壤侵蚀治理对环境的影响进行研究的科学与技术体系。该领域的研究,即能直接为国家水土保持宏观决策提供支持,又能揭示土壤侵蚀的宏观规律,并于全球变化研究相联系。我国在该领域的研究主要概括四个方面,包括:①区域土壤侵蚀因子研究,是为认识土壤侵蚀环境特征和进行土壤侵蚀定量评价的基础,②区域土壤侵蚀评价研究,包括调查制图、定性评价和定量评价等,是该研究服务于水土保持实践的基本途径;③水土保持的环境效应研究,是从另外一个视角对土壤侵蚀环境与水土流失及其治理关系的认识。是确切评估水土保持效益,保证水土保持工作健康持续稳定发展的基础。今后应尽快开发区域水土流失定量评价模型,并在区域尺度上对环境效应的方式、范围、程度和发展趋势做出综合计价和分析预测。

芨芨草在黄土边坡治理中的应用效果

针对黄土高原铁路、公路、大坝及农田地埂边坡长期裸露的水土流失与生态环境问题,选择禾本科植物-芨芨草,进行了为期10年的引种、栽培、生理生态特性与水保等方面的综合开发利用研究。结果表明,芨芨草具有耐旱、耐盐碱、耐瘠薄、抗风沙和极强的固土护坡作用,采用的包衣穴播、分根栽植、基茎扦插3大栽培技术,使芨芨草植株在长期干旱裸露的边坡能快速形成密集的地上部分和发达的根系,固结土壤,防止地表径流冲刷土壤,保护了铁路、公路、大坝及农田地埂边坡的生态安全,为我国西部同类型区的边坡治理,提供了抗逆性较强的优良禾本科植物与配套的栽培技术体系。