泥沙输移比影响因子及其关系模型 研究现状与评述

泥沙输移比是目前预测流域产沙量的一种较实用的方法,本文介绍了国内外泥沙输移比研究的主要成果。分析并总结了泥沙输移比与流域面积、降雨／径流、地质地貌及泥沙颗粒因子之间的影响关系及其关系模型。最后,结合我国泥沙输移比研究的实际情况,提出了我国今后一定时期内在泥沙输移比研究方面的发展设想。     

无定河流域的人工沉积汇及其 对泥沙输移比的影响

依据1956~1996年的资料,计算出了无定河流域历年的人工沉积汇、侵蚀量、泥沙输移比,进行了时间序列分析,并运用回归分析方法,建立了统计关系,揭示了无定河流域人工沉积汇对泥沙输移比的影响。研究表明,无定河流域侵蚀量和产沙量有明显的减小趋势;人工沉积汇先是增大,达到峰值后再减小;泥沙输移比先减小而后增大。这说明,无定河泥沙输移比的时间变化趋势,主要受人工沉积汇的控制。建立的多元回归方程表明,坝地面积增大对流域泥沙输移比减小的贡献最大;地表径流系数减小对流域泥沙输移比减小的贡献居第二位;在3个降水因子中,最大30日降水的贡献最大,汛期降水次之,最大1日降水再次之。在坡面措施和沟道措施中,沟道措施对流域泥沙输移比减小的影响要大于坡面措施。     

黄土丘陵沟壑区流域系统侵蚀与产沙关系

从长期来看流域系统的侵蚀与产沙基本可以达到平衡,泥沙输移比约等于１。但次降雨或分年度泥沙输移比有相当大的变幅,在短期内会经常存在泥沙的滞留和滞留的泥沙被重新锓蚀搬运,而出现泥沙输移比小于１和大于１的情况。这主要与降雨的空间分布和洪峰增减幅度及径流深度增减幅度密切相关。流域系统次降雨泥沙输移比及各级沟道含沙水流的挟沙能力变化可用单位面积上洪峰增减幅度变化时暴雨洪水的剪切力的转化机制来描述。     

黄土塬区坡面及小集水区泥沙输移比变化特征

文章首先推荐了计算泥沙输移比SDR时，所需侵蚀量、输移量的量测方法：侵蚀量用坡长为20m（水平距）、宽5m直线坡，在不同降雨及土地利用下，通过小区出口断面的泥沙量；输移量为坡长大于20m的径流小区小集水区出口处的拦蓄量。然后通过黄土塬区坡面坡度为9%的30m、40m、60m径流小区9年野外实验所得45组有效数据的分析，发现单宽最小径流率qmin和最大含沙量ρmax可判别坡面泥沙侵蚀与输移的对比关系，即输移比SDR，并依据这些参数值，可将侵蚀输移状态划分为“侵蚀——输移区”，“侵蚀——堆积——输移区”和“侵蚀——输移挠动区”3个侵蚀输移状态类型区，同时通过研究给出了各区之间过度转换临界值的计算公式，即ρmax=11.96 0.117qmin和qmin=0.187ρmax-85.676。并能过对21条塬面不同面积（0.5hm^2-41.3hm^2）、坡长（30m-965m)小集水区淤积（输移量）的测量，将测量值与标准小区侵蚀量作对比，计算出各自的输移比SDR，并分别建立了SDR与坡长L、SDR与集水面积A的关系式，即SDR=2.85L^-0.306和SDR=0.735A^-0.151，为快速估算塬面小集水区泥沙输移比SDR值提供了方便。最后，分析了植被覆盖、土壤含水状况、人为活动等其它基因素对泥沙输移比SDR的影响。     

基于GIS的小流域土壤侵蚀与产沙的简化模拟

将泥沙输移能力公式与USLE公式相结合,建立了一个简化的分布式小流域产沙模型,并将其应用于川中丘陵区小流域的土壤侵蚀与泥沙输移的空间分布模拟。得到的主要结论:1.该模型适用于川中丘陵区小流域产沙的模拟;2.魏城河流域1980—1987年8 a平均土壤侵蚀量为16.8×104t,侵蚀模数为675.8 t/(km2.a),模拟得到的输沙模数为238.6 t/(km2.a),泥沙输移比为0.35;3.魏城河流域主要以微度侵蚀为主,占到全流域总面积的68%,强度侵蚀占流域面积的1%,主要分布在坡度较陡的流域边缘地带;4.相对其他因子,降雨与坡度对该流域侵蚀产沙的影响更为突出。     

近期流域沙量平衡计算研究进展

沙量平衡计算是一种探讨侵蚀泥沙从坡面、沟道等处侵蚀起到流域出口输出这一复杂过 程十分有效的研究方法, 该方法将流域内泥沙的侵蚀、输移、沉积和输出等过程进行综合考虑, 既 打破了流域泥沙研究的破碎性, 也可以有效地评价泥沙输移系统的有效性。近期国外泥沙平衡计 算研究在研究方法上有了很大的改进和提高, 对其进行总结和评价将有助于我国沙量平衡研究 的开展, 从而为流域水沙管理提供一个有效的方法和手段。     

地貌格局与流域侵蚀产沙过程关系定量分析——以黄河中游河龙区间为例

以河龙区间42个流域为对象,在流域地貌格局信息提取和侵蚀产沙过程特征指标计算及其相互关系分析的基础上,探讨地貌格局对流域侵蚀产沙过程的影响。结果表明:①在河道系统水平,河流数量、长度等几何特征指标和河流分叉率(Rb₁₂)、分级率(Rd₃₂)、相邻级别间的河流长度比等形状特征指标与流域侵蚀模数显著相关;②在流域系统水平,坡度粗糙度、相对高差、圆度比、高长比是影响流域侵蚀产沙过程的主要指标,其中坡度粗糙度是最根本的解释变量;③各地貌格局因子间相互作用复杂,且对侵蚀过程的影响要强于泥沙输移过程,其通径分析模型对流域侵蚀模数、输沙模数和泥沙输移比变化的解释度分别为65%、33%和20%。这对正确认识影响流域侵蚀产沙过程的格局因素和建立准确的过程模型,具有重要参考价值。     

黄土丘陵沟壑区人类活动对流域系统侵蚀、输移和沉积的影响

从长期来看,在治理度达到70%条件下与治理前相比泥沙输移比减小50%左右,治理的效益是十分显著的。在治理的过程中,与治理前相比泥沙输移比变幅明显减小,但在短期内由于暴雨洪水侵蚀力大于工程设计标准而发生毁、垮坝或淤平后,仍可以将前期滞留的泥沙重新搬运而出现泥沙输移比大于1的情况。在黄土高原地区治理前后流域系统次暴雨泥沙输移比均可用径流深度比来定量计算获得,泥沙输移比变化的动力机制可用径流深度增与减时水流剪切力的变化来解释     

黄土丘陵沟壑区人类活动对流域系统[2]侵蚀、输移和沉积的影响

从长期来看 ,在治理度达到 70 %条件下与治理前相比泥沙输移比减小 50 %左右 ,治理的效益是十分显著的。在治理的过程中 ,与治理前相比泥沙输移比变幅明显减小 ,但在短期内由于暴雨洪水侵蚀力大于工程设计标准而发生毁、垮坝或淤平后 ,仍可以将前期滞留的泥沙重新搬运而出现泥沙输移比大于 1的情况。在黄土高原地区治理前后流域系统次暴雨泥沙输移比均可用径流深度比来定量计算获得 ,泥沙输移比变化的动力机制可用径流深度增与减时水流剪切力的变化来解释     

我国土壤侵蚀与地理环境的关系

本文论述我国土壤侵蚀类型与自然地带性和非地带性因素的关系,分析影响侵蚀强度时空分布和侵蚀泥沙输移的环境因素及流域条件。     

海河流域产沙模数尺度效应的空间分异

基于流域完整性、地形的相似性,将整个海河流域分为9 个分区,分析了各分区产沙模数的尺度效应。结果表明,在双对数坐标系上,产沙模数与流域面积的关系呈现出3 种类型：① 线性负相关,即产沙模数随流域面积的增大而减小;② 无显著相关,即产沙模数随流域面积的增大基本保持不变;③ 线性正相关,即产沙模数随流域面积的增大而增大。从地形、分区的位置以及土地利用状况方面对所有分区产沙模数的尺度效应进行分析,并对1000 km²标准面积下产沙模数进行校正。基于校正后的数据,利用ArcGIS 的Kriging 空间插值法,绘制了校正后的产沙模数图。校正结果显示,流域侵蚀模数的空间分布总体表现为自西向东逐渐减小的趋势,这与流域地形的总体变化趋势是一致的。流域西部以山地为主,因而侵蚀强度大,产沙模数高;东部以平原为主,是泥沙的淤积区域,因而产沙模数低。最后,对图中产沙模数的高值区域,从气候、植被和侵蚀作用力3 个方面进行了成因分析。     

岔巴沟流域次暴雨产沙统计模型

流域综合治理规划、防治土壤侵蚀、合理利用水沙资源 ,无不需要掌握流域产沙情况。流域产沙统计模型结构简单 ,计算方便 ,是现有产沙预报的强有力工具。本文以陕西省岔巴沟流域及其支流实测降雨水文资料为基础 ,系统地分析了流域产沙的降雨、径流、地貌因子在流域产沙中的作用 ,进而将影响产沙的因素概括为径流深、洪峰流量、流域面积、流域沟道密度 ,并作为产沙预报的指标 ,建立了岔巴沟流域次暴雨产沙的统计模型。经检验 ,该预报公式具有一定的精度。     

长江上游输沙尺度效应研究

利用长江上游DEM、降雨、土地利用、土壤类型数据库,计算出通用土壤流失方程中代表影响侵蚀产沙的各因子,建立这些因子以及流域面积与长江上游268个水文站以上流域输沙模数回归关系,探讨上游侵蚀输沙的尺度效应。结果显示长江上游输沙模数与流域面积之间呈负幂函数单元回归关系,而且这一关系主要产生于降雨侵蚀力因子和土壤可蚀性因子随流域面积的变化。长江上游输沙模数随流域面积增大而降低主要发生在大约1×10⁴~1.58×10⁵km²之间。在考虑了影响侵蚀产沙因子对输沙模数的作用后,输沙模数与流域面积之间呈正幂函数相关,反映出上游输沙近源沉积的特征。分析还发现长江上游各主要支流输沙模数变化与流域尺度大小的关系和原因有明显不同。     

长江口悬沙浓度变化的同步性和差异性

近年来长江流域入海沙量呈现阶梯性减小趋势,三峡水库蓄水后加剧了这一减小趋势,并通过传递效应影响河口悬沙浓度变化。基于长江口1950-2013年悬沙浓度数据,结果表明：① 长江口南支河段及口外海域悬沙浓度为减小趋势,且越向海域减幅越小,同时与流域入海沙量减幅差距加大;② 北支优势流变化不大,但悬沙浓度为减小趋势,主要为南支和海域大环境悬沙浓度减小所致;③ 拦门沙河段悬沙浓度的峰值区域因径流减小、潮流相对增强,2003-2012年较1984-2002年期间峰值位置向口内上溯约1/6经度,上溯距离洪季 > 年均 > 枯季;④ 1999-2009年南槽进口悬沙浓度减小,主要是再悬浮和滩槽交换引起的悬沙浓度增量小于流域和海域悬沙浓度锐减引起的减量,中段该作用相反,悬沙浓度为增加趋势;⑤ 北槽进口由于分流分沙比减小、流域和海域悬沙浓度减小及再悬浮量减小等综合影响下,1999-2012年逐年的8月份悬沙浓度呈减小趋势,中段越堤沙量作用明显高于外部坏境引起的减小量,为增加趋势。     

The synchronicity and difference in the change of suspended sediment concentration in the Yangtze River Estuary

The sediment discharge from the Yangtze River Basin has a stepwise decreasing trend in recent years. The impounding of the Three Gorges Reservoir exacerbated this decreasing trend and affected the change of the suspended sediment concentration (SSC) in the Yangtze River Estuary through the transmission effect. The SSC data of the Yangtze River Estuary during 1959-2012 showed that: (1) The SSC in the South Branch of the Yangtze River in the estuary and in the off-shore sea area displayed decreasing trends and decreased less towards the sea. At the same time, the difference in decreasing magnitude between SSC and sediment discharge became bigger towards the sea. (2) For the North Branch the preferential flow did not change much but the SSC tended to decrease, which was mainly caused by the decrease of SSC in the South Branch and China East Sea. (3) Due to the decreased runoff and the relatively strengthened tide, the peak area of the SSC in the bar shoal section in 2003-2012 moved inward for about 1/6 longitude unit compared with that in 1984-2002, and the inward-moving distance was in the order of flood season > annual average > dry season. (4) In the inlet of the South Passage, the SSC decreased mainly because the increase caused by resuspension and shore-groove exchange was less than the decrease caused by the sharp SSC decrease in the basin and the sea areas. The reverse was true in the middle section, where the SSC showed an increasing trend. (5) In the inlet of the North Passage, under the combined influence of decreased flow split and sediment split ratios, the decreased SSC in the basin and the sea area and decreased amount of resuspension, the SSC displayed a decreasing trend. In the middle section, because the increased amount caused by sediment going over the dyke was markedly more than the decreased amount caused by external environments, the SSC tended to increase. Holistically, the sharp decrease in sediment discharge caused synchronized SSC decreases in the Yangtze River Estuary. But there were still areas, where the SSC displayed increasing trends, indicating synchronicity and difference in the response of SSC to the sharp decrease in sediment discharge from the basin.     

无定河流域不同地貌区水沙过程对比

为了查明人为影响程度较低时期无定河流域内不同地貌区的水沙过程及其变化规律,选取1970年以前一段时期该流域内风沙区和黄土丘陵沟壑区河流的有关水文站的水文泥沙实测数据进行对比分析。结果表明,风沙区河流的流量变率较黄土丘陵沟壑区的小;风沙区河流的含沙量远小于黄土丘陵沟壑区河流的含沙量。黄土丘陵沟壑区河流具有极高的输沙率,而风沙区河流的输沙率微不足道。风沙区和黄土丘陵沟壑区河流的产流模数基本相近,但产沙模数非常悬殊,前者的产沙模数很小,为118.58~725.38t /km² · a,而后者的达到1879.36~25112.15t /km² · a。显然,无定河流域黄土丘陵沟壑区的河流是侵蚀产沙的主要来源区,因而是水土保持工作的重点区域。     

红水河流域输沙量变化及其影响因素

红水河是珠江流域的主要泥沙来源,为了确定1955-2016年红水河流域输沙量变化特征及其影响因素,论文尝试采用有序聚类分析确定了流域输沙量变化的3个时期,并利用泥沙归因诊断分析计算了含沙量、径流系数和降雨因子在不同时期对输沙量变化的贡献程度,在此基础上进一步对影响输沙量变化的主要因素进行了分析。研究表明：1955-2016年间红水河流域输沙量存在1963和1991年2个突变点,在突变点前后输沙量存在明显变化,且这一变化主要受含沙量因子控制,人类活动是造成流域输沙量变化的根本原因。其中在1955-1991年间,红水河输沙量的上升主要由毁林开荒引起的流域水土流失面积增加所导致;而在1964-2016年间,水库修建使红水河流域输沙量减少了83.49%,而同时期植被覆盖度的增长贡献了输沙量减少的12.03%。将WaTEM/SEDEM模型模拟结果与实测结果进行对比,同样发现1964-2016年输沙量变化的绝大部分(81.03%)由修建水库所贡献,而土地利用变化对输沙量减少的贡献相对较小(18.97%)。     

无定河流域产沙量变化的淤地坝效应分析

无定河流域1971~1989年的年均流量、悬移质含沙量及输沙率比1954~1970年的明显变小,而月均水沙过程曲线也发生了明显变化。上述水沙过程的变化受到1970年以来人类活动的强烈影响,而淤地坝建设是主因。为探讨淤地坝的减沙效应,提出淤地坝有效减沙面积这一概念,并拟合了动态变化的淤地坝有效减沙面积与年份之间的关系,发现该关系曲线与无定河流域各年代产沙量的变化情况相符。自1990年以来无定河流域淤地坝有效减沙面积呈明显递减趋势,导致了自上世纪90年代以来该流域的产沙量出现增大现象。为了抑制该流域的产沙量,势必需要加大淤地坝建设的力度。如果想使该流域的产沙量逐渐减少,则至少要使流域内年淤地坝有效减沙面积逐年增加。