下垫面变化情况下黄土丘陵沟壑区坝系优化配置研究

摘要

本研究以黄土高原丘陵沟壑区典型小流域韭园沟流域为研究对象，运用土壤侵蚀理论、流域降雨径流泥沙理论、泥沙运动学理论和数理统计理论和137Cs示踪技术，采用实地观测及取样室内分析的方法，研究小流域各不同地貌部位、不同土地利用方式下的土壤侵蚀状况及流域次降雨侵蚀泥沙的沉积过程。
　　利用淤地坝的淤积信息反演了淤地坝分层淤积量与侵蚀性降雨的响应关系，分析了流域侵蚀产沙强度演变的特征，揭示了小流域土壤侵蚀产沙的时空分异规律。
　　采用模拟试验和原型试验相结合，宏观与微观研究、监测与预报、模式建立与模拟分析、理论分析和数值分析、实验示范研究与推广应用相结合的研究方法，在野外选择典型坝进行剖面调查，通过系统调查分析淤地坝坝前淤积物的土壤物理特性、淤积层厚度，收集淤地坝所在地的地形资料、降雨资料，分析了淤地坝的淤积过程。
　　根据单坝之间的淤积量和单坝控制面积分析坝系的调洪调沙作用，在建立各坝址断面基本关系方程的基础上，按照坝系调查结果，确定约束条件，建立目标函数，寻求不同防洪标准序列下的坝系优化配置，提出最优防洪标准下的优化规划方案。同时将遥感信息技术和分析测试技术作为宏观和微观研究的主要高技术支撑，以降雨径流泥沙调控和水土资源高效持续利用为核心，构建沟壑整治工程的优化配置模式。
　　本研究对评价流域生态环境恢复重建与综合治理效应，科学调整小流域综合治理规划设计方案、关键技术配置、措施优化布局等宏观决策，推动当地社会经济与生态环境建设协调发展具有重要的现实意义。
　　本研究取得的主要结果如下：
　　(1)通过分析研究下垫面变化情况下主要水土保持作用机理，研究了延安地区、榆林地区水土保持动态变化，包括林草措施动态变化、工程措施动态变化、水土保持治理度变化，利用典型流域水土保持治理情况，分析研究该流域环境演变和水土流失之间响应关系。
　　(2)从农作物牧草类型和林业类型各地类含水量变化情况可以得出，采取了工程措施和生物措施后的下垫面含水量明显高，说明对保持土壤水分起到了很好得作用，同时也说明在采取了工程措施和生物措施以后，有效的防止了水土流失。
　　(3)针对不同下垫面类型、不同下垫面覆盖度以及不同的处理方式等情况下进行了相应的实验研究分析，并对不同植被覆盖度、不同耕作措施、降雨径流系数随时间的变化规律、不同下垫面对径流系数的影响等方面进行了分析与初步研究。结果表明，土地利用类型的变化对黄土沟壑地区的降雨径流关系有很大影响，其中耕作措施的使用对降雨径流关系的影响远大于地表覆盖率变化所产生的影响。地表覆盖率单因素变化时，稳定产流时的产流量变化不超过10％，而当采用耕作措施进行单因素分析时，稳定产流时的产流量大于20％。在相同雨强下，草地与裸地的出流量有非常明显的差异，草地的出流量约为裸地出流量地50％，草地与裸地对降雨径流关系地影响差异较大，在小雨强的时候，草地对降雨有较强的滞留作用，随雨强的增加，这种功能明显减小，而裸地没有明显的差异。
　　(4)揭示了王茂沟流域关地沟3号、4号淤地坝坝地沉积旋迥各层淤积物的颗粒级配特征及137Cs分布规律。通过分析试验得出：3号、4号淤地坝坝地淤积物的粒径主要分布在0.005mm～0.1mm之间，而且3号、4号淤地坝淤地坝的淤积物中土壤颗粒的级配不良，淤积物颗粒组成沿坝地剖面深度没显的变化；3号、4号淤地坝坝地沉积旋迥层淤积物中137Cs含量在坝地淤积层剖面中有看极其相似的分布规律，说明了137Cs技术记录特定环境历史事件的可行性。
　　(5)对韭园沟流域的下垫面变化进行分析研究，得出韭园沟流域的侵蚀模数由治理前的1.8万t/km2降至2000t/km2左右。
　　(6)非线性规划研究的重点是治沟骨干工程的布局、规模以及建坝顺序的规划方案(优化)，是在仿真优化规划，初步确定了坝系宏观规划稚局及生产坝建设规模的基础上展开，它主要依赖优化仿真规划的几个规划指标：坝系骨干坝初步规划布局方案，生产坝的布局及规模等，本次优化的目标函数采用“工程费一收益”的形式。当目标函数达极小值时，说明工程费极小而收益极大，相应的决策变量(各坝拦泥、滞洪库容)的取值就是最佳的，建立各坝址断面基本关系方程的基础上，按照坝系调查结果确定约束条件，根据坝系规划的目标建立目标函数，结合优化规划模型，确定合理的淤地坝建设规划，寻求不同防洪标准下的坝系规划成果。

目录

独创性声明

学位论文使用授权声明

致谢

1 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 淤地坝坝系的规划及研究现状

1.2.1 淤地坝坝系规划

1.2.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

1.4 研究方法和技术路线

1.5 技术难点及解决方案

1.6 创新点

2. 传统坝系布局的理论方法和存在问题分析

2.1 布局理论方法

2.2 传统布局存在问题

3 下垫面变化情况下主要水土保持治理措施作用机理研究

3.1 林草措施的动态变化

3.1.1 延安地区林草植被动态变化

3.1.2 榆林地区林草植被覆盖动态变化

3.2 工程措施的动态变化

3.2.1 水平梯田的面积变化

3.2.2 坝地面积变化

3.3 封山育林

3.4 县域水土保持治理度的变化

3.4.1 延安地区县域水土保持治理度动态变化

3.4.2 榆林地区县域水土保持治理度动态变化

3.5 典型年水土保持治理情况

3.6 小结

4 典型流域土壤侵蚀模数变化分析与研究计算

4.1 流域概况

4.2 研究方法

4.3 下垫面变化情况下土壤侵蚀模数的变化

4.3.1 根据观测资料计算

4.3.2 利用流域水土流失预报模型计算韭园沟侵蚀模数

4.3.3 下垫面变化情况下韭园沟流域土壤侵蚀模数确定

4.4 小结

5. 淤地坝淤积机理实验研究

5.1 淤地坝淤积层的主要特征

5.1.1 典型坝剖面土样干容重测定

5.1.2 典型坝干容重测定结果对比分析

5.1.3 典型淤地坝淤积层颗粒分析

5.1.4 典型坝地淤积物的颗粒变化分析及结果

5.1.5 淤地坝泥沙淤积层的颗粒分布特征

5.2 淤地坝坝控流域侵蚀产沙强度变化

5.3 小结

6. 坝系相对稳定优化规划布局研究

6.1 基础数据

6.1.1 工程规模与设计标准

6.1.2 水文

6.1.3 坝址勘察

6.1.4 工程特性

6.2 坝系优化非线性规划研究

6.2.1 建模方法

6.2.2 坝系优化非线性规划模型

6.2.3 建坝顺序优化模型

6.3 非线性优化规划结果

6.4 建坝顺序优化计算及结果

6.5 小结

7 坝系持续发展运用管理模式研究

7.1 坝系持续发展运用管理模式的内涵及目的意义

7.1.1 坝系持续发展运用管理模式的内涵

7.1.2 坝系持续发展运用管理的目的意义

7.1.3 坝系持续发展运用管理与坝系相对稳定的关系

7.2 坝系运用管理的现状与评价

7.2.1 坝系运用管理现状

7.2.2 坝系运用管理的现状评价

7.3 韭园沟坝系管理模式应用评价

7.3.1 韭园沟坝系管理模式

7.4 管理模式应用评价

8 结论和建议

8.1 取得的主要结论

8.2 建议

参考文献

附录