Modeling on Runoff and Sediment Yield in Small Watersheds

The prediction and estimate of water and soil loss is fundamental important for understanding the effect of the spatial heterogeneity of underlying surfaces and preventing ecological environment deterioration. In this paper, a dynamic model of runoff and sediment yield in small watersheds is established. The proposed model includes three components: runoff generation caused by rainfall, soil erosion on hillslopes by overland flow, and runoff concentration and sediment transport on watersheds. Applying the proposed model, the runoff and sediment yield processes in a typical catchment on the loess plateau was estimated, which exhibited a good agreement between predicted results and observation.

Impacts of socio-economic factors on sediment yield in the Upper Yangtze River

In recent years, the role of human activities in changing sediment yield has become more apparent for the construction of hydraulic engineering and water conservation projections in the Upper Yangtze River, but it has not been evaluated at the macro scale. Taking Sichuan Province and Chongqing City as an example, this paper studies the relationship between socio-economic factors and sediment yield in the Upper Yangtze River based on section data in 1989 and 2007. The results show that sediment yield is significantly correlated with population density and cultivated area, in which the former appears to be more closely related to sediment yield. Moreover, in the relation of sediment yield vs. population density, a critical value of population density exists, below which the sediment yield increases with the increase of population density and over which the sediment yield increases with the decrease of population density. The phenomenon essentially reflects the influence of natural factors, such as topography, precipitation and soil property, and some human activities on sediment yield. The region with a higher population density than critical value is located in the east of the study area and is characterized by plains, hills and low mountains, whereas the opposite is located in the west and characterized by middle and high mountains. In the eastern region, more people live on the lands with a low slope where regional soil erosion is slight; therefore, sediment yield is negatively related with population density. In contrast, in the western region, the population tends to aggregate in the areas with abundant soil and water resources which usually lead to a higher intensity of natural erosion, and in turn, high-intensity agricultural practices in these areas may further strengthen local soil erosion. It is also found that population tends to move from the areas with bad environment and high sediment yield to the areas with more comfortable environment and less sediment yield. The natural factors have greater influence on sediment yield of western region than that of eastern region. Generally, the natural factors play a dominant role on sediment yield in the Upper Yangtze River.

典型黄土坡面天然草地产流产沙规律试验

通过野外模拟降雨试验,研究黄土区天然草坡的产流、产沙规律。试验设2个地类(草地和裸地)、3个降雨强度水平和3个坡度水平。结果表明:坡面初始产流时间与降雨强度呈负相关关系,与裸地相比,草地在降雨强度较大时(>2.0 mm/min)加快坡面产流,在中(1.0~2.0 mm/min)、小等级降雨强度(<1.0 mm/min)下则延缓产流;降雨强度较大时,裸地大坡度的产流强度随时间呈对数函数形式增长,中小等级降雨强度下的增长方式不符合这一规律;与中、小等级降雨强度不同,裸地在降雨强度较大时的产流产沙过程不一致;与裸地相比,草地的产流过程更为复杂,并不符合产流强度随时间呈对数函数形式增长的一般规律,草地产沙过程线与产流过程线的相对吻合程度受降雨强度的影响不明显。

植物路与土质路产流产沙过程的比较试验

通过室内人工降雨+放水冲刷相结合的方法,对5个坡度(3~18°),5种雨强(1~3mm.min-1),5组放水流量(1.4~9.0kg.m-2.s-1)下的黄棉土土质路面和早熟禾植物路面进行了共60余场次试验,对比分析了植物路相对于土质路侵蚀过程差异及产水、减沙效果。结果表明:在放水冲刷条件下,植物路侵蚀率随放水历时降低,其过程可用对数函数描述;土质路面侵蚀率变化复杂。两类道路的放水流量与侵蚀强度均呈现幂函数变化,且植物道路表现出明显的防蚀作用。雨强增加引起径流量、侵蚀强度增加,土质路的增加快于植物路;坡度增大时,侵蚀强度增大,径流深则为植物路稳定,土质路有小幅增加。植物路相对土质路的减沙幅度为26.24%~47.22%,减少能力可用抛物线方程描述,但植物路较土质路面有利于产生径流,径流深增加幅度平均为58.7%~144.1%,由于径流的泥沙含量大大降低,道路的侵蚀产沙反而有一定降低。

黄土坡面下坡位土壤侵蚀过程的模拟试验

在中国科学院水利部水土保持研究所,采用2个不同坡长小区室内模拟降雨试验方法,对黄土坡面下坡位侵蚀过程进行研究。结果表明:1)坡面下坡位侵蚀模数随降雨过程、降雨强度及坡度的变化均具有大小交错,上下波动的特征,侵蚀模数随降雨过程的变化总体呈先上升后趋于稳定的态势,随降雨强度的增大而增加,随坡度的增大而先增大后减小,再增大再减小;2)坡面上、下坡位侵蚀模数随降雨过程、坡度及降雨强度的变化均具有明显差异,下坡位明显不如上坡位;3)坡面上坡位汇流和下坡位产流与坡面上坡位输沙对坡面下坡位侵蚀模数的影响可用二元线性方程很好地描述,前者的贡献率为47.8%,后者为20.4%;只通过观测分析小区平均侵蚀特征得出的坡面侵蚀过程,掩盖了坡面下坡位的真实侵蚀过程,采取水土保持措施减少坡面上坡位汇流及增加降雨就地入渗,可以有效地治理坡面下坡位的水土流失。

工程建设弃土弃渣水土流失过程试验研究

弃土弃渣是工程建设产生的最主要地面组成物质之一。采用野外放水冲刷试验方法,对黄河班多水电站工程区弃土弃渣水土流失过程进行了研究。(1)不同供水流量下,产流率随供水过程的动态变化整体呈增长趋势,可用幂函数方程描述,开始产流后的5 min内产流过程的变化幅度较大,随后较为平缓,并趋于基本稳定;(2)不同供水流量下,产沙率随供水历时的增长而减少,可用对数相关方程描述,小流量下变化过程波动较小,大流量下变化幅度较大;(3)不同供水流量下,含沙量随着供水历时的增长而减少,可用对数相关方程描述。各流量下的变化趋势基本一致;(4)次产流深、次产沙模数皆随供水流量的增大而增加,增加趋势基本相同,皆可用对数相关方程描述。平均含沙量随供水流量的增大先增加后减小,临界值为7.17 L/min,可用抛物线相关方程描述;(5)次产沙模数随次产流深的增大而增加,表现为很好的正相关关系,可用对数相关方程来描述。

聚丙烯酸钠对黄土坡面产流产沙的影响研究

通过野外模拟降雨试验,研究了施用SP对黄土坡面产流、产沙的影响,并对实验数据进行数学模拟,建立了SP施用量与产流、产沙强度间的关系模型。结果表明:SP施用量与产流时间、平均产流强度呈二次函数相关关系,与产沙强度呈线性负相关关系。SP用量在0~2.42 g/m2之间时,能够延缓坡面产流,用量为1.21 g/m2时延缓产流效果最明显;用量介于0~3.31 g/m2之间时,能够增加土壤入渗,减少坡面产流量,用量1.65 g/m2的增渗减流效果最佳;施用SP后,能够减少坡面输沙强度,且用量越大,减沙效果越明显。SP可影响坡面产流过程,用量1.8 g/m2时,能够减小产流初期径流强度增幅,用量为3.6 g/m2时,其产流过程线与对照极接近,而施用量增加到5.4 g/m2时,产流强度明显增大。SP对坡面产沙过程的影响表现为:随施用量增大,产沙强度峰值呈逐步减小的变化趋势。

黄土丘陵区两种典型灌木群落坡面侵蚀泥沙颗粒组成及养分流失的比较

在野外模拟降雨条件下,比较研究了黄土丘陵区柠条(Caragana korshinkii)和狼牙刺(Sophora viciifolia)径流小区产流产沙、侵蚀泥沙颗粒组成、比表面积(SSA)及养分流失特征。结果表明,两种灌木群落均能显著减小坡面径流泥沙的流失。产流后流失泥沙黏粒、SSA与养分含量随降雨时间总体呈现降低趋势,其中有机质变化显著,全磷变化不显著。受植被盖度影响,泥沙中黏粒与养分含量均表现为柠条群落>狼牙刺群落>对照裸地。侵蚀泥沙具有富集黏粒和富集养分的特征,富集率随群落盖度增大而增大(柠条>狼牙刺>裸地)。不同形态养分富集率不同,其中有机质均在2.5以上,全氮平均富集率为2.13,全磷为1.23。富集率随产流时间呈线性递减。流失泥沙养分含量与黏粒(粒径<0.002 mm)含量及SSA达到极显著的正相关。坡面土壤养分主要以黏粒为载体流失。SSA的变化不仅能体现土壤颗粒组成的变化,而且能够反映土壤养分的变化。

延安燕沟流域次降雨泥沙来源分析

延安燕沟流域属于水土流失治理的重点区,退耕还林(草)措施引起的生态环境改善和经济发展带动的山区道路建设压力对本地区侵蚀环境和侵蚀动力机制产生了巨大影响,坡面水土流失与道路水土流失对比关系发生了新变化。在坡面侵蚀得到初步治理的新环境下,道路侵蚀则上升为主要地位。依据燕沟流域2005年7月2日的5年一遇暴雨引起的不同土地利用类型下的侵蚀产沙监测结果,结合流域卡口站测得的流域产沙总量,分析各土地利用类型产沙量对流域总产沙量的贡献,并依据流域土地利用的演变,反演林草植被恢复与道路建设对流域泥沙来源的作用。研究结果表明:在次降雨条件下,道路的产沙强度为支道山路500 t/km2、干道山路3 163 t/km2、运油道路1万3500 t/km2,而农、林、草地的产沙强度为6~184 t/km2;道路产沙强度远大于农、林、草地的产沙强度:占流域面积1%的道路产沙量占总产沙量的42.3%,占流域面积70.5%的草地、灌木林地产沙量仅占流域的26.7%。退耕还林(草)措施使流域坡面产沙量大为降低,流域产沙量减少41.2%,但由于道路产沙量增加,抵消了减沙效益的58.0%,因此,黄土丘陵区植被恢复后,应将水土流失治理重点放在防止...

人工降雨条件下谷子地留茬的水土保持效应研究

通过人工模拟降雨试验研究了谷子地不同留茬高度及不同坡度的水土保持效应。结果表明,15cm留茬高度相对于未留茬处理径流量减少了18.6%,留茬5cm与10cm无显著减少径流作用;留茬能够减小产沙量14.36%～19.47%;5,10,及15cm留茬高度对产流时间没有显著影响,坡度的变化对产流时间无显著影响;坡度为10°时,径流对土壤的侵蚀最明显;留茬高度为15cm的处理水土保持效应最佳。

黄土区不同地类坡面水沙动态过程及其发生机理的模拟实验研究

利用模拟降雨在降雨性质上的可控性优势,分析了在黄土丘陵区具有代表性的几种坡面土地利用方式(林灌地、封禁荒草地、弃耕农地)的产流产沙动态过程及发生机制。结果表明,在降雨条件相近时,不同类型坡面状况的初始产流时间差异明显。次降雨过程中各地类小区产沙和产流动态变化不完全一致,产沙量较产流量增加趋势更为显著。在降雨和土壤条件相对一致的条件下,不同地类小区的侵蚀产沙过程差异显著,其中林地和草灌地与坡耕农地相比可增加入渗,减水效益明显,减沙效益更为显著,表明实施林草植被建设,包括退耕封禁等措施在内的生态治理减蚀效益明显,能够有效地减少坡面的来水来沙;并提出了可反映土壤抗蚀能力的量化指标——单位冲刷强度,为在实验流域对包括退耕还林草、封禁措施在内的生态恢复重建过程的流域水沙变化及其效应评估提供量化指标。

硬地面侵蚀产沙模拟试验研究

硬地面由于具有容重大、地表完全裸露、易受人为干扰等特性 ,因而其产沙特性有其自身的规律。在人工降雨实验模拟的基础上 ,对硬地面次降雨侵蚀产沙过程和影响硬地面侵蚀产沙的因素进行了初步探讨 ,为硬地面的侵蚀防治提供了科学依据

稀土元素示踪法在坡面土壤侵蚀垂直分布研究中的应用

通过野外全坡长侵蚀小区试验，证明了稀土元素示踪法在土壤侵蚀垂直分布研究中的可应用性。结果表明该径流小区产沙强度坡长存在三种变化模式：增长型，增长 递减型和波动型，其形成机理可能与径流过程有关。利用稀土元素在坡面的再分析，初步建立了估算坡面沟蚀率的关系式。

黄土高原沟沿线的廊道防蚀效应探析

在分析黄土高原地区的沟沿线、沟沿线上下沟间地和沟谷地土壤侵蚀特征、小流域泥沙来源、坡沟侵蚀产沙关系的基础上,结合廊道的生态功能和以往的研究结果,认为在沟沿线的上部建立草灌与整地工程措施相结合的植物廊道,来拦蓄阻截沟间地的来水来沙,可使流域的土壤侵蚀量减少54．5%～77．0%。