小流域降雨—徑流—產(chǎn)沙關(guān)系及水土保持措施響應(yīng).pdf

1、土壤侵蝕是人類面臨的重要環(huán)境問題之一。土壤侵蝕持續(xù)發(fā)生，在破壞土地資源、淤塞河道和湖泊、加劇洪澇災(zāi)害的同時(shí)，引發(fā)的面源污染破壞水資源，加劇缺水地區(qū)的水危機(jī)，嚴(yán)重影響生態(tài)和人類生存環(huán)境。小流域是地表徑流和泥沙輸移的基本單元，并形成了相對(duì)完整、有序的生態(tài)系統(tǒng)。小流域土壤侵蝕過程也是自成完整系統(tǒng)，即降雨徑流期，降雨發(fā)生雨滴濺蝕，產(chǎn)流以后在坡面形成片流，發(fā)生片蝕，流域中下部坡面片流匯集進(jìn)行細(xì)溝和淺溝侵蝕，至溝道徑流匯集，在大的水流沖刷下發(fā)生溝道

2、侵蝕，并最終將泥沙輸出流域，這是一個(gè)完整的侵蝕產(chǎn)沙過程。小流域綜合治理被公認(rèn)為是行之有效的水土保持措施，小流域降雨-徑流-產(chǎn)沙關(guān)系也受到普遍關(guān)注。因此，明確小流域降雨-徑流-產(chǎn)沙關(guān)系，既是理解小流域土壤侵蝕過程的要求，也是預(yù)報(bào)水土流失、評(píng)價(jià)侵蝕環(huán)境效應(yīng)、指導(dǎo)水土保持措施配置、優(yōu)化水土資源利用的實(shí)際需要。
　　 三峽庫區(qū)包括湖北省、重慶市的21個(gè)縣市，總面積5.8萬平方公里。這一地區(qū)因地形起伏大，易風(fēng)化巖層出露面積廣，降雨多且強(qiáng)度

3、大，水土流失極其嚴(yán)重。隨著三峽工程的運(yùn)行，土壤侵蝕及其泥沙輸移問題尤為突出。本文以三峽庫區(qū)典型小流域--王家橋小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，以次降雨過程為重點(diǎn)，研究了小流域尺度降雨－徑流－泥沙響應(yīng)關(guān)系；通過野外調(diào)查和數(shù)據(jù)挖掘分析，探討了小流域不同時(shí)間尺度水土流失的特點(diǎn)和主控因子。并在觀測(cè)資料分析和野外試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取WATEM/SEDEM模型，定量評(píng)價(jià)了三峽庫區(qū)小流域綜合治理中常見水土保持措施效益。取得的主要結(jié)果有：
　　 (1)利用19

4、89-1996年降雨、徑流、泥沙數(shù)據(jù)，選取明顯產(chǎn)流的侵蝕性降雨29場(chǎng)，對(duì)SCS-CN模型的關(guān)鍵參數(shù)初損率進(jìn)行修正。通過基流分離，計(jì)算不同降雨事件的初損率變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)初損率取值主要分布在0.05附近，范圍為0.010～0.154之間，中間值為0.048，平均為0.053，初損率與降雨深度的相關(guān)性不高。分析認(rèn)為，三峽地區(qū)SCS-CN方程的初損率Ia/S取值為0.05比較合適。使用效率系數(shù)和決定系數(shù)，運(yùn)用流域1989、1990和1993年的

5、侵蝕性降雨數(shù)據(jù)對(duì)重新率定參數(shù)前后的模型進(jìn)行檢驗(yàn)，模型的效率系數(shù)由0.482上升到0.768，方程的決定系數(shù)由0.509提升到0.804，結(jié)果表明修正后模型徑流深度預(yù)測(cè)效果和效率系數(shù)都有較大提高。
　　 (2)利用王家橋小流域1989-2004年氣象、水文、泥沙相關(guān)數(shù)據(jù)，在不同時(shí)間尺度上研究了小流域降雨、徑流產(chǎn)沙之間的關(guān)系。降雨、徑流和產(chǎn)沙的年際變化很大。多年平均水平上，夏季是王家橋小流域降雨最多的季節(jié)，占全年的41%，產(chǎn)生了全年

6、52%的徑流量，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)沙總量達(dá)到了全年的78%。在次降雨尺度上，采用經(jīng)典的Hewlett和Hibbert水文過程分割法，分離出降雨過程中的基流和地表徑流量，分析次降雨事件中降雨相關(guān)變量(總雨量、總歷時(shí)、平均雨強(qiáng)、最大30分鐘雨強(qiáng)、前1天降雨量、前7天降雨量)、徑流相關(guān)變量(徑流系數(shù)、最大徑流量、徑流總量)和侵蝕相關(guān)變量(平均泥沙濃度、最大泥沙濃度、總侵蝕量)之間的關(guān)系。揭示王家橋小流域降雨-徑流-侵蝕響應(yīng)過程中的主控因素。在選取的40

7、場(chǎng)降雨事件中，皮爾遜相關(guān)分析結(jié)果表明降雨總量和最大30分鐘雨強(qiáng)可以解釋84%的徑流變量，而最大徑流量和降雨歷時(shí)可以解釋76%的侵蝕總量。雨強(qiáng)大的降雨產(chǎn)生的侵蝕較大，徑流-侵蝕關(guān)系表明王家橋小流域主要侵蝕來源于溝道附近區(qū)域。
　　 (3)通過K-means聚類分析，根據(jù)雨量、降雨歷時(shí)和最大30分鐘雨強(qiáng)將王家橋小流域1989-2004年間152場(chǎng)降雨分成三種類型。中等雨強(qiáng)、中等降雨歷時(shí)的雨被劃分為雨型Ⅰ(31.8 mm和1371 m

8、in)。雨型Ⅱ是一般降雨量較大(54.0mm)歷時(shí)較長(zhǎng)(2548 min)的暴雨，發(fā)生頻率較小。雨型Ⅲ是最普遍的降雨，平均雨量較小(22.2 mm)，歷時(shí)相對(duì)較短(494 min)。分析不同降雨的降雨.徑流.泥沙響應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)，不同雨型引起的徑流和土壤侵蝕差異很大；雨型Ⅰ產(chǎn)流總量和侵蝕總量都最大(分別是368.7mm和4283t)。三種雨型的平均徑流系數(shù)和平均侵蝕量按依次排列為雨型Ⅱ>雨型Ⅰ>雨型Ⅲ。在王家橋小流域，1989-2004年

9、間最顯著的土地利用變化是水田、旱地的減少，而林地和柑橘園分別增加了9.9%和7.7%。土地利用變化對(duì)降雨、徑流和侵蝕產(chǎn)生了強(qiáng)烈的影響。對(duì)雨型Ⅰ、雨型Ⅱ的影響較大，對(duì)雨型Ⅲ的影響較小。研究發(fā)現(xiàn)不同雨型的產(chǎn)流、侵蝕差異較大，但是年際間總體變化趨勢(shì)是由土地利用變化決定的。
　　 (4)王家橋小流域自90年代以來以來開展了以水土保持為主要內(nèi)容的小流域綜合治理，使得流域面貌發(fā)生較大變化。研究充分利用卡口站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，輔以1995-2005

10、年間小流域水保措施制圖，使用WATEM/SEDEM模型來評(píng)估小流域綜合治理的成效。結(jié)果表明土壤侵蝕量由1995年的18.5 ha-1y-1減少到2005年的13.2 t ha-1y-1，泥沙沉積量由7.7增到12.4 t ha-1y-1，流域泥沙輸出從8.4減至3.9 t ha-1y-1，相應(yīng)的泥沙輸移比也從0.454降低至0.295。模型情景模擬結(jié)果表明：在小流域尺度上坡面水土保持措施(土地利用優(yōu)化、梯田、壟溝耕作等)比流域內(nèi)徑流泥沙