小流域降雨—径流—产沙关系及水土保持措施响应

摘要

土壤侵蚀是人类面临的重要环境问题之一。土壤侵蚀持续发生，在破坏土地资源、淤塞河道和湖泊、加剧洪涝灾害的同时，引发的面源污染破坏水资源，加剧缺水地区的水危机，严重影响生态和人类生存环境。小流域是地表径流和泥沙输移的基本单元，并形成了相对完整、有序的生态系统。小流域土壤侵蚀过程也是自成完整系统，即降雨径流期，降雨发生雨滴溅蚀，产流以后在坡面形成片流，发生片蚀，流域中下部坡面片流汇集进行细沟和浅沟侵蚀，至沟道径流汇集，在大的水流冲刷下发生沟道侵蚀，并最终将泥沙输出流域，这是一个完整的侵蚀产沙过程。小流域综合治理被公认为是行之有效的水土保持措施，小流域降雨-径流-产沙关系也受到普遍关注。因此，明确小流域降雨-径流-产沙关系，既是理解小流域土壤侵蚀过程的要求，也是预报水土流失、评价侵蚀环境效应、指导水土保持措施配置、优化水土资源利用的实际需要。
　　 三峡库区包括湖北省、重庆市的21个县市，总面积5.8万平方公里。这一地区因地形起伏大，易风化岩层出露面积广，降雨多且强度大，水土流失极其严重。随着三峡工程的运行，土壤侵蚀及其泥沙输移问题尤为突出。本文以三峡库区典型小流域--王家桥小流域为研究对象，以次降雨过程为重点，研究了小流域尺度降雨－径流－泥沙响应关系；通过野外调查和数据挖掘分析，探讨了小流域不同时间尺度水土流失的特点和主控因子。并在观测资料分析和野外试验的基础上，选取WATEM/SEDEM模型，定量评价了三峡库区小流域综合治理中常见水土保持措施效益。取得的主要结果有：
　　 (1)利用1989-1996年降雨、径流、泥沙数据，选取明显产流的侵蚀性降雨29场，对SCS-CN模型的关键参数初损率进行修正。通过基流分离，计算不同降雨事件的初损率变化，结果发现初损率取值主要分布在0.05附近，范围为0.010～0.154之间，中间值为0.048，平均为0.053，初损率与降雨深度的相关性不高。分析认为，三峡地区SCS-CN方程的初损率Ia/S取值为0.05比较合适。使用效率系数和决定系数，运用流域1989、1990和1993年的侵蚀性降雨数据对重新率定参数前后的模型进行检验，模型的效率系数由0.482上升到0.768，方程的决定系数由0.509提升到0.804，结果表明修正后模型径流深度预测效果和效率系数都有较大提高。
　　 (2)利用王家桥小流域1989-2004年气象、水文、泥沙相关数据，在不同时间尺度上研究了小流域降雨、径流产沙之间的关系。降雨、径流和产沙的年际变化很大。多年平均水平上，夏季是王家桥小流域降雨最多的季节，占全年的41%，产生了全年52%的径流量，对应的产沙总量达到了全年的78%。在次降雨尺度上，采用经典的Hewlett和Hibbert水文过程分割法，分离出降雨过程中的基流和地表径流量，分析次降雨事件中降雨相关变量(总雨量、总历时、平均雨强、最大30分钟雨强、前1天降雨量、前7天降雨量)、径流相关变量(径流系数、最大径流量、径流总量)和侵蚀相关变量(平均泥沙浓度、最大泥沙浓度、总侵蚀量)之间的关系。揭示王家桥小流域降雨-径流-侵蚀响应过程中的主控因素。在选取的40场降雨事件中，皮尔逊相关分析结果表明降雨总量和最大30分钟雨强可以解释84%的径流变量，而最大径流量和降雨历时可以解释76%的侵蚀总量。雨强大的降雨产生的侵蚀较大，径流-侵蚀关系表明王家桥小流域主要侵蚀来源于沟道附近区域。
　　 (3)通过K-means聚类分析，根据雨量、降雨历时和最大30分钟雨强将王家桥小流域1989-2004年间152场降雨分成三种类型。中等雨强、中等降雨历时的雨被划分为雨型Ⅰ(31.8 mm和1371 min)。雨型Ⅱ是一般降雨量较大(54.0mm)历时较长(2548 min)的暴雨，发生频率较小。雨型Ⅲ是最普遍的降雨，平均雨量较小(22.2 mm)，历时相对较短(494 min)。分析不同降雨的降雨.径流.泥沙响应，研究发现，不同雨型引起的径流和土壤侵蚀差异很大；雨型Ⅰ产流总量和侵蚀总量都最大(分别是368.7mm和4283t)。三种雨型的平均径流系数和平均侵蚀量按依次排列为雨型Ⅱ>雨型Ⅰ>雨型Ⅲ。在王家桥小流域，1989-2004年间最显著的土地利用变化是水田、旱地的减少，而林地和柑橘园分别增加了9.9%和7.7%。土地利用变化对降雨、径流和侵蚀产生了强烈的影响。对雨型Ⅰ、雨型Ⅱ的影响较大，对雨型Ⅲ的影响较小。研究发现不同雨型的产流、侵蚀差异较大，但是年际间总体变化趋势是由土地利用变化决定的。
　　 (4)王家桥小流域自90年代以来以来开展了以水土保持为主要内容的小流域综合治理，使得流域面貌发生较大变化。研究充分利用卡口站的监测数据，辅以1995-2005年间小流域水保措施制图，使用WATEM/SEDEM模型来评估小流域综合治理的成效。结果表明土壤侵蚀量由1995年的18.5 ha-1y-1减少到2005年的13.2 t ha-1y-1，泥沙沉积量由7.7增到12.4 t ha-1y-1，流域泥沙输出从8.4减至3.9 t ha-1y-1，相应的泥沙输移比也从0.454降低至0.295。模型情景模拟结果表明：在小流域尺度上坡面水土保持措施(土地利用优化、梯田、垄沟耕作等)比流域内径流泥沙控制措施(如塘堰、沉沙凼等)，减沙效果更明显。使用WATEM/SEDEM模型评估小流域综合治理各种水保措施效益，可以使结果更具有直观性和可比性，适宜在三峡库区推广。

目录

文摘

英文文摘

表目录

图目录

1 引言

2 文献综述

2.1 土壤侵蚀概念

2.2 土壤侵蚀研究进展

2.3 土壤侵蚀影响因素

2.3.1 气候因素

2.3.2 地形地貌因素

2.3.3 土壤因素

2.3.4 土地利用/植被覆盖因素

2.3.5 人为因素

2.4 小流域土壤侵蚀

2.4.1 小流域侵蚀研究进展

2.4.2 小流域侵蚀产流产沙过程

2.5 次降雨土壤侵蚀

3 研究内容及技术路线

3.1 研究目标

3.2 研究内容

3.3 技术路线图

4 研究区域及资料处理

4.1 小流域概况

4.2 流域调查与资料收集

4.2.1 流域调查

4.2.2 资料收集

4.3 资料预处理

4.3.1 地形分析

4.3.2 土地利用分析

4.3.3 土壤调查与分析

4.4.4 降雨

4.4.5 水文泥沙

5 小流域产流：SCS-CN方程修正

5.1 SCS-CN理论与假设

5.2 基流分割及降雨选择

5.3 SCS-CN关键参数矫正

5.4 结果与讨论

6 小流域降雨-径流-泥沙关系

6.1 王家桥小流域降雨、径流、泥沙月变化

6.2 次降雨过程产流、产沙主控因子

6.3 泥沙-径流滞后关系研究

7 雨型和土地利用耦合与小流域水沙关系

7.1 降雨聚类分析

7.2 不同雨型特征

7.3 不同雨型产流与产沙

7.4 土地利用变化对不同雨型水沙影响

7.5 讨论

8 流域侵蚀/输沙对水保措施响应

8.1 小流域综合治理

8.2 模型选择

8.3 模型数据输入与参数确定

8.4 模型的检验和校正

8.5 流域综合治理情景模拟分析

8.6 模型的检验和校正

8.7 不同水保措施对流域侵蚀产沙的影响

9 结语

9.1 主要结论

9.2 展望

参考文献

致谢

附件1