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《华中农业大学》 2012年
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小流域降雨—径流—产沙关系及水土保持措施响应

方怒放  
【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(31.8mm和1371min)。雨型Ⅱ是一般降雨量较大(54.0mm)历时较长(2548min)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(22.2mm),历时相对较短(494min)。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18.5t ha-1y-1减少到2005年的13.2t ha-1y-1,泥沙沉积量由7.7增到12.4t ha-1)y-1,流域泥沙输出从8.4减至3.9t 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。
【学位授予单位】:华中农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:S157

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