黄土高原降雨径流调控利用潜力定量评价模型

降雨径流的调控利用是缓解黄土高原干旱缺水与控制水土流失的有效手段,研究区域降雨径流调控利用潜力的定量评价对黄土高原降雨径流合理利用的宏观决策与规划设计具有重要意义。以黄土高原为例,将可以调控利用的最大降雨径流量作为资源化潜力值,从宏观尺度上,系统分析了影响该潜力的各个因素,确定出黄土高原降雨径流调控利用潜力的各项评价指标,利用GIS技术,建立了降雨径流各个影响因素的专题图层,提取出各个影响因素专题信息。在上述基础上,引入人工神经网络建模方法,建立了黄土高原降雨径流调控利用潜力BP网络模型,并利用实际资料对网络模型进行了训练和预测,取得了较好的结果。评价模型可供黄土高原降雨径流调控利用及其生态与环境保护工作参考。

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。

黄土丘陵沟壑区纸坊沟小流域农业生态安全态势变化的驱动力分析

以黄土丘陵沟壑区纸坊沟小流域为研究对象,利用1985—2006年调查和监测资料,综合现有研究成果,将主成分分析和通径分析方法相结合,分析可能影响农业生态安全态势变化的各因子,探讨农业生态安全态势变化的驱动力。结果表明:自然条件是影响黄土丘陵沟壑区纸坊沟小流域农业生态安全态势变化的基础,人文社会经济条件是其变化的主要驱动力,具体可归纳为经济发展、人口压力、流域产业结构调整和农业科技进步4类因子;此外,国家和区域的相关政策、农业产业链与资源量相关度对农业生态安全也有一定影响。

不同最小控制时段约束下黄河天然径流量变化阶段性

阶段性是描述河流径流量丰枯变化持续长度的主要特征。在年际变化较大的长时间序列中,通过确定不同最小控制时段,可以把高频变化的年份和时段有效合并,从而更好描述不同流量的持续特征。在划分径流量丰枯连续自然阶段的基础上,根据最小控制时段,对相邻阶段进行逐步合并,提取并分析了黄河三门峡水文站1470-1997年528 a的逐年天然径流量阶段性变化特征。分析表明,黄河天然径流量多年平均值为511.81×108m3,变差系数为0.20,年际变化非常剧烈;随着最小控制时段的增加,阶段数呈指数函数迅速减少;每一阶段平均、最小和最大阶段长度呈显著的线性增加趋势;各阶段天然径流量的差异也逐步减小。当最小控制时段为5,10,20,30 a时,可以划分为60,24,15,9个阶段,相应的平均阶段长度也分别为8.7,21.7,27.4,57.9 a,阶段最大值与最小值的极差分别是平均值的71.8%,62.4%,47.6%和13.7%。

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。

CLIGEN非降水要素在黄土塬区的适用性评估

许多基于物理机制的水文和作物模型需要日序列气象数据来驱动,CLIGEN是为WEPP等模型产生气候输入文件的天气发生器,可以产生10个日序列气象变量来满足这种需要,但是其在中国的适用性需要进行评估。研究的目标是利用黄土高原陕西长武1957~2001年的气象数据评估CLIGEN产生非降水要素(最高温度、最低温度、露点温度、太阳辐射和风速)的能力。结果表明,CLIGEN对最高温度、最低温度和露点温度的模拟效果较好,对太阳辐射和极端气候事件的模拟效果较差,对风速的模拟效果最差。相关性检验表明CLIGEN很好地保持了气象要素的季节性,这对模拟农业生产是非常重要的;但是没有保留气象要素逐日的自相关和互相关性,进而导致产生的温度变化不符合连续渐变的规律。

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。

黄土丘陵区县南沟流域生态恢复的生态经济耦合评价

探索一套简单、易于操作的小尺度生态经济耦合效应指标体系及其评价方法模型。【方法】基于生态经济协调理论,在继承传统指标的基础上,引用了2个创新性指标——能值可持续性指数(ESI)和生态压力指数(EFPI),应用模糊综合评价方法对县南沟流域生态恢复的生态经济耦合进行评价。【结果】县南沟"农-经济林果型"生态恢复模式的生态经济处于基本协调状态。【结论】"农-经济林果型"模式有效地改善了流域生态条件,促进了经济发展,产生了生态经济耦合效应。

地理环境要素与渭河流域水沙关系的定量研究

定量评价影响渭河流域产水、产沙的地理环境要素因子,为渭河流域产水、产沙格局划分及流域生态环境建设提供理论依据。【方法】分析渭河流域主要支流产水、产沙对年降雨量(P)、植被净初级生产力(NPP)、泥沙中数直径(D50)等地带性因子之间的响应机制。【结果】流域产水、产沙模数与以上3种因子之间均存在明显的非线性关系。采用回归分析得到了流域产水、产沙与地带性因子之间的多元回归模型。【结论】建立了渭河流域产水、产沙与地理环境要素之间的多项式回归模型。

相似性降水条件下北洛河水沙变化特征

降水是河流径流来源也是水土流失的主要动力,通过选择相似降水年组比较河流水沙变化,可以更好揭示土地利用变化对河流水沙变化的影响。采用1954年到1996年北洛河状头水文站实测资料,根据年份差大于5年,年雨量差小于20 mm和汛期雨量差小于10 mm等三个指标确定了8个相似降水年组。通过比较相似性降水年组径流量和输沙量变化,分析了不同时间河流水沙变化特点;并通过组间比较初步探讨了北洛河水沙变化趋势。分析表明,与1980年相比,1996年除汛期径流量增加外,年径流量,年与汛期的输沙量和含沙量均增加;在其他时段,输沙量在1970年代后期以前呈减少趋势,年径流量和汛期径流量有增加趋势,而年均和汛期含沙量均有减少趋势。

黄土丘陵区县南沟流域生态恢复的生态经济耦合过程及可持续性分析

生态恢复不但是自然和技术过程,更重要的是经济过程,生态经济耦合是生态恢复成败及能否持续的关键。综合应用经济学、能值和生态足迹分析工具,系统研究了黄土丘陵区县南沟流域生态恢复过程中的生态经济系统演变过程及其特征,旨在探索生态可持续的经济社会发展机制。结果表明,2000～2005年流域产业结构及其多样性显著改善,生产力显著提高并跨越低水平进入高水平发展阶段,农民的生活状况已经由温饱逐步迈向小康水平。基于能值的生态经济耦合分析结果显示2002～2005年流域环境负载率(ELR)下降,持续性指数(ESI)增加。生态足迹结果显示流域2000年和2005年的生态盈余分别为0.03hm2和0.239hm2,新指标万元产值生态足迹(EFprod)分别为53.5hm2/万$和33.6hm2/万$,生态压力指数(EFPI)分别为0.980和0.838,流域处于弱可持续状态。上述结果显示生态恢复提高了流域资源利用和转换效率,环境负载率下降,人类经济活动对生态生产性有效空间的占用减少,可持续性提高。研究结果表明生态恢复是黄土丘陵区实现生态经济良性耦合、协调发展的基本途径。

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。

WEPP模型坡面版在黄土丘陵沟壑区的适用性评价——以坡度因子为例

利用安塞试验站1985-1992年的气象观测数据和野外坡度径流小区径流和土壤侵蚀量监测资料,评价了WEPP模型在黄土丘陵沟壑区不同坡度条件下的适用性。结果表明,径流量的模拟值在10°、15°、20°、25°和28°五个坡度条件下,变化幅度不如实测值明显,但模拟值随坡度变化的趋势和实测值相一致;WEPP模型对次降雨、年平均和多年平均土壤侵蚀量模拟结果较好,且无论是模拟值在不同坡度之间的差值、还是模拟值随坡度变化趋势均与实测值接近。I30对WEPP模型模拟次降雨径流量有重要影响,当I30大于0.92mm/min,模型模拟误差较大。WEPP模型对次降雨土壤侵蚀量的模拟与PI30密切相关,当PI30大于129mm2/min时,模型模拟误差较大。∑PI30对WEPP模型模拟年平均径流量和侵蚀量有重要影响,当∑PI30大于150mm2/min时,模拟精度明显下降,且∑PI30对径流模拟影响较对土壤侵蚀模拟影响明显。WEPP模型对次降雨、年平均和多年平均径流量模拟的Nash-Sutcliffe有效性ME分别为0.914、0.912和0.617;对次降雨、年平均和多年平均土壤侵蚀量模拟的Nash-Sutcliffe有效性ME...