长江上游侵蚀产沙格局及其控制因素

基于长江上游110个相互独立的子流域控制性水文站1956～1987年的输沙模数,结合GIS空间分析技术,对长江上游侵蚀产沙空间分布特征进行研究,并从土壤、地形、降雨、土地利用和岩性等方面分区探讨了侵蚀产沙区域分异的原因.结果表明:(1)上世纪50年代至80年代,长江上游侵蚀产沙的空间变化主要受自然环境控制,人为活动的影响是次要的.降雨是侵蚀产沙的主控因子,土壤特性与地形条件也有重要影响.(2)降雨和土壤特性对各地区产沙分异的影响最为普遍;地形在地势起伏不大的地区,表现更为突出;岩性在重点产沙区具有显著影响.总体上自然因子对西部人口分布较少的地区解释力较高,对东部人口密度较大的地区解释力较低.     

黄土坡面不同侵蚀带侵蚀产沙关系及其机理

黄土梁峁坡面土壤侵蚀具有明显的垂直分带性,不同侵蚀带具有各自的侵蚀产沙特点,且彼此相互影响,坡面侵蚀产沙分配受降雨强度和降雨能量的制约,随着雨强和降雨能量的增加,坡面侵蚀产沙量的最大部位由细沟侵蚀带向浅沟侵蚀带过渡,坡面侵蚀产沙强度变化的本抽为侵蚀方式的演变,坡面复合侵蚀带的径流模数明显小于对应的单一侵蚀带径流模数,而其侵蚀模数则明显大于对应的单一侵蚀带侵蚀模数,溅蚀片蚀带的来水来沙可吏细沟侵蚀带     

流域侵蚀产沙人类活动影响指数研究——以长江上游为例

流域产沙是土壤侵蚀的重要反映,受降雨等自然要素和人类活动的共同作用。采用退耦理论的思想和差分方法推导出流域侵蚀产沙人类活动影响指数的简易估算方法,并对长江上游的金沙江、乌江、嘉陵江、岷江分别计算人类活动总体贡献率。结果表明,各流域人类活动对侵蚀产沙变化的贡献率达72％～97％,总体上属于抑制侵蚀的正向活动。长江上游输沙量呈阶段梯级变化,根据流域侵蚀产沙人类活动影响指数的距平累积变化的突变特征将1955～2009年划分为5个阶段并分析了每个阶段人类活动的主要特点及其对侵蚀产沙的影响。其中,20世纪80年代中期以前河流输沙量较大,主要与“一五”、“大炼钢铁”、“三线建设”、农村改革前期不稳定因素等密切相关,而70年代河流输沙量较小是受当时大搞农田基本建设和采取“挑沙面土”、“边沟背沟”等传统水土保持措施的影响,80年代中期后河流输沙量明显减少,主要受社会经济稳定有序发展、水保工程的实施及大兴水库建设等影响。     

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。     

分布式侵蚀产沙模型研究进展

随着计算机技术与地理信息系统(GIS) 技术的发展, 分布式侵蚀产沙模型成为当今土壤侵 蚀领域研究重点与发展方向。本文在分析国内外几个主要的分布式侵蚀产沙模型基础上, 探讨了 分布式侵蚀产沙模型的技术路线与技术实现, 最后指出目前我国分布式侵蚀产沙模型研究存在 的主要问题: ( 1) 分布式水文模型的深入研究为分布式侵蚀产沙模型提供了不少借鉴, 但如何在 分布式水文模型的基础上开发侵蚀模块还存在一些问题; ( 2) 目前国内分布式土壤侵蚀模型大都 基于黄土高原而得出, 模型有一定的局限性; ( 3) 当前的大多侵蚀产沙的关系式( 尤其是坡面侵蚀 关系式) 是经验型的, 汇沙的过程考虑得过于简单, 没有深入探讨水文与土壤侵蚀之间的关系; ( 4) 目前大多数分布式土壤侵蚀模型没有考虑次暴雨产流的时间变化与空间变化。     

长江上游社会经济因子对侵蚀产沙的影响

In recent years,the role of human activities in changing sediment yield has become more apparent for the construction of hydraulic engineering and water conservation projec-tions in the Upper Yangtze River,but it has not been evaluated at the macro scale.Taking Sichuan Province and Chongqing City as an example,this paper studies the relationship between socio-economic factors and sediment yield in the Upper Yangtze River based on section data in 1989 and 2007.The results show that sediment yield is significantly correlated with population density and cultivated area,in which the former appears to be more closely related to sediment yield.Moreover,in the relation of sediment yield vs.population density,a critical value of population density exists,below which the sediment yield increases with the increase of population density and over which the sediment yield increases with the decrease of population density.The phenomenon essentially reflects the influence of natural factors,such as topography,precipitation and soil property,and some human activities on sediment yield.The region with a higher population density than critical value is located in the east of the study area and is characterized by plains,hills and low mountains,whereas the opposite is located in the west and characterized by middle and high mountains.In the eastern region,more people live on the lands with a low slope where regional soil erosion is slight;therefore,sediment yield is negatively related with population density.In contrast,in the western region,the population tends to aggregate in the areas with abundant soil and water resources which usually lead to a higher intensity of natural erosion,and in turn,high-intensity agricultural practices in these areas may further strengthen local soil erosion.It is also found that popu-lation tends to move from the areas with bad environment and high sediment yield to the areas with more comfortable environment and less sediment yield.The natural factors have greater influence on sediment yield of western region than that of eastern region.Generally,the natural factors play a dominant role on sediment yield in the Upper Yangtze River.     

黄土丘陵沟壑区典型小流域侵蚀产沙过程模型

在分析现存土壤侵蚀产沙模型基础上，依据大量小流域野外试验小区观测与模拟降雨试验资料，建立了一个适用于黄土丘陵沟壑区小流域预测侵蚀产沙量的侵蚀产沙过程模型。由于黄土丘陵沟壑区小流域的复杂地形和侵蚀产沙的垂直分带规律，土壤侵蚀产沙的空间变化要比现有模型复杂得多，因此，本模型由三个子模型组成：坡面子模型、沟坡子模型、沟道子模型，它可以计算小流域每场暴雨的径流量与侵蚀产沙量。本文较为详细地描述了模型中计算     

砒砂岩地区降雨与植被耦合关系对侵蚀产沙的影响

研究降雨--植被耦合关系对侵蚀产沙的影响,为侵蚀治理提供数据支持.基于TRMM降雨数据和MODIS 250 m NDVI,分析降雨和植被的年内分布模式和匹配关系,并构建降雨--植被耦合指数RV,用于反映侵蚀产沙状况.进一步利用年降雨量,NDVI以及其分布参数(峰度系数和偏斜度)与输沙量进行相关分析和多元回归分析.结果显示:降雨的集中,偏斜程度和波动性要比植被更为明显;RV与实际输沙量的相关系数为0.84,可以很好地反映侵蚀产沙的相对大小;年输沙量与降雨的分布参数相关性最高,达到0.94和0.87,对提高回归模型的拟合程度影响也最大;考虑降雨量,NDVI及其分布参数的模型的拟合程度最好,R_a²达到0.9232.因此,降雨与植被的年内匹配模式对侵蚀产沙具有重要影响.     

坡长对坡耕地侵蚀产沙过程的影响

模拟降雨试验结果揭示出随着坡长增加,径流与侵蚀产沙量越大。当坡长小于１５ｍ时,累积侵蚀模数与降雨历时关系明显呈线性,其斜率随坡长增加而渐陡,当坡长大于１５ｍ时,累积侵蚀模数与降雨历时明显是非线性关系;坡长是导致细沟侵蚀的重要因素。细沟发育时,其侵蚀产沙量大约是坡面或细沟间的２－５倍;当细沟趋于稳定时,与无细沟发育的坡面水流含沙量值类似。在４０ｍ坡长小区,其单位时间侵蚀模数与２５ｍ坡长小区无明显差异,水流含沙量并无明显增加,显示出当坡长大于临界坡长时的变化过程规律。利用等高植物篱或等高地梗减少坡长有效值,可以大大降低单位面积上的土壤流失量。     

黄土高原侵蚀产沙强度的时空变化特征

采用“水文－地貌法”即水文站实测值与侵蚀形态类型相结合的方法，将黄土高原划分为292个侵蚀产沙单元，分别对治理前后侵蚀产沙强度的时空变化特征进行了分析。结果表明：黄土高原自70年代以来，由于降雨因素和水土保持作用的影响，侵蚀产沙强度的结构特征发生了明显变化，侵蚀模数＞10000t/km^2.a的极强烈以上的侵蚀面积急剧减少（减幅71．8％），减沙幅度最大的区域主要分布在以无定河为中心的极强烈侵蚀区和汾河流域的大部分地区（减幅50％以上）；黄土高原侵蚀产沙，按流域区段主要来自河龙区间（54．8％），按类型区主要来自黄土峁状丘陵沟壑区（27．4％）和干旱黄土丘陵沟壑区（23．1％），按侵蚀带主要来自暖温带半干旱草原风蚀、水力侵蚀带（34．8％）和暖温带半干旱森林草原水力侵蚀带（32．6％）；以侵蚀模数＞10000t/km^2.a作为标准，可将黄土高原划分为7个极强烈以上的侵蚀产沙中心，其面积虽仅占全区总面积的15．5％，但其产沙量却占到全区总产沙量的42．1％。     

农村社会经济因素变化对嘉陵江产沙量的影响

以大量实测资料为基础,通过自然科学与人文科学的跨学科研究,分析了农村社会经济因素变化对嘉陵江产沙量的影响。发现嘉陵江年产沙量与径流量之间的双累积曲线上出现两个下偏转折,分别发生于1983~1984年和1992~1993年。第一转折点的出现与流域社会经济因素的变化有密切的关系;第二个转折点与长江上游水土保持重点治理工程有密切关系,但社会经济因素的影响也不容忽视,因为第二转折点与诸多社会经济因素变化的转折点具有同步性。从嘉陵江北碚站年产沙量与农民人均纯收入、农民人均购买燃料支出和农业产值占GDP百分比的相关关系中查明了3个临界点,即当农民人均收入<400元/a时,由于贫穷所产生的对土地的压力,使得侵蚀产沙量突变式增大;当农民人均燃料支出<20元/a时,农民将主要通过砍伐树木和灌木、收集林下的枯枝落叶、割草甚至于挖掘草根来获取燃料,使得侵蚀产沙量突变式增大;当农业产值占GDP百分比>40%时,农村人口对土地的压力使得侵蚀产沙量突变式增大。建立了北碚站年产沙量和已转移的乡村劳动力数量占乡村劳动力总数百分比、农村人均纯收入和农村人均用于购买燃料的支出之间的多元回归方程,并估算出,上述3个变量的变化对北碚站年产沙量变化的贡献率分别为36.00%,21.59%和42.41%。     

长江流域侵蚀产沙尺度效应的区域分异

以长江流域水文站点的观测数据为依据,基于一定的分区原则,将整个长江流域分成了8个区域,对所有分区产沙模数的尺度效应进行了深入分析.研究表明,所有分区产沙模数的尺度效应可以概括为三类:产沙模数随流域面积的增大而减小,或先减小后基本保持不变的,主要包括长江中下游干流沿岸区域,岷江主体区域,洞庭湖流域和鄱阳湖流域;产沙模数随流域面积的增大基本保持不变的,包括嘉陵江主体区域和汉江流域;产沙模数随流域面积增大而增大,或先增大后基本保持不变的,包括长江上游干流沿岸的非泥石流区域和乌江流域.不同流域尺度效应的差异主要与流域土地利用方式有关.基于各分区校正方程,将所有站点进行了标准面积为100 km2,1 000 km2,10 000 km2的尺度校正,结果表明,当校正面积为100 km2,侵蚀最强烈的区域主要是岷江流域,其次是鄱阳湖和洞庭湖流域,校正面积为1 000 km2和10 000 km2,产沙模数图变化不显著,但明显区别于校正面积为100km2下的产沙模数图.侵蚀最强烈的区域主要是嘉陵江流域,其次是长江上游干流沿岸的部分区域和汉江流域的部分区域.不同校正面积下产沙模数图的变化,显示了不同流域侵蚀来源的差异.     

人类活动和降水变化对嘉陵江流域侵蚀产沙的影响

基于大量实测资料,用经验统计方法研究了人类活动和降水变化对嘉陵江流域侵蚀产沙的影响。结果表明,水利水保措施和20世纪80年代以来的降水减少,共同导致了嘉陵江流域产沙量的减少。分基准期(1956~1982)和措施期(1983~2000)分别建立嘉陵江江流域产沙量与年降水的指数方程,运用这些方程对于降水变化与水利水保导致的产沙量变化进行定量区分,得到了措施期中降水量减小所导致的减沙量、水利水保措施导致的减沙量、总减沙量以及降水减少和水利水保措施各自占总减沙量的百分比。水保减沙效益随降水量的增大而减小。当降水量超过某一临界值,还可能出现负效应。研究表明,水利水保减沙量随年降水量而增大,在年降水量为970mm时达到最大值,然后减小;当年降水量为1180mm时,水利水保减沙量变为0。     

长江上游重点产沙区产沙量对人类活动的响应

对金沙江屏山站、嘉陵江北碚站、宜昌站20世纪50年代以来的输沙量和含沙量进行分析。结果表明,在年径流量相同的情况下,由于大规模矿山、钢铁工业、交通建设增加水土流失,屏山站1976~1996年年产沙量要高于1954~1976年。与此相反,由于修筑水库、塘坝拦沙,修建梯田、恢复植被减少侵蚀,北碚站1983~1996年年产沙量要大大低于1954~1982年;宜昌站1985~1996年年产沙量也低于1954~1984年。北碚、宜昌两站都存在一个使水利、水土保持减沙量为0的年径流量临界值,北碚站和宜昌站这一临界值分别为1142×10⁸m³和4800×10⁸m³。     

人类活动对长江上游近期输沙变化的影响

利用1956-2007年径流—输沙序列,分期定量研究了长江上游近期主要干支流输沙变化及其原因,结果显示:①长江上游1994-2002年输沙量减少1.43亿t/a,人为减沙占91.2%,主要来自嘉陵江措施减沙;2003-2007年减沙4.50亿t/a,径流减沙占14.1%,前期持续的人类活动减沙占39.8%,三峡水库蓄水拦沙、金沙江措施减沙等新增人为减沙占46.2%。②金沙江1983-2000年输沙量增加0.48亿t/a,人为增沙占74.7%,主要是工程增沙;2001-2007年输沙量减小1.183亿t/a,全部为人为减沙,包括二滩等各型水库拦沙、水保减沙和工程增沙减少。③嘉陵江1985-1993年输沙减少0.827亿t/a,人为减沙占81.4%,主要人为减沙包括农村社会经济因素变化导致的土壤减蚀和水库拦沙;1994-2007年输沙量减少1.285亿t/a,其中自然径流减沙占29.6%,前期持续人类活动减沙占42.1%,宝珠寺等新增水库拦沙和水保减沙占23.4%,另有4.9%的人为减水减沙。     

黄河中游地区流域产沙中的地貌临界现象

地貌现象的演化常常存在着由量变到质变的临界条件.地貌临界是地貌学研究的重要理论问题之一.本文利用黄河中游地区近60个水文测站资料,探讨了流域产沙量随降雨、植被和流域面积变化过程中的地貌临界现象.结果表明,流域产沙量与年降雨量之间关系遵循Langbein-Schumm曲线,最大产沙量大致出现在年降雨量400mm左右的半干旱草原区,即无定河以北的皇甫川、孤山川、佳芦河流域.同时,由沙黄土、砒砂岩流域向基岩山地流域过渡,流域产沙量峰值趋于减小,而峰值出现所需要的降雨量渐趋增大,显示出不同自然地理地带和地域最大产沙区位置和产沙强度的不同.流域产沙量与植被之间呈现为相当好的非线性负相关关系.流域产沙量随植被变化存在着二个临界值,一是当流域植被覆盖度等于30%时,另一是当植被覆盖度等于70%时.这一现象以往只是在试验小区或试验流域见到,本研究表明,类似的现象在天然河流流域也存在.受流域上下游不同生物气候及下垫面特性的控制,流域产沙量随流域面积的增大呈现出复杂多样的变化,可以是增加,也可以是减少.然而,对于大多数复合流域来说,随着流域面积的增大,流域产沙量一开始趋于增加,当流域面积接近1000 km2左右时,流域产沙量达到最大,而当流域超过1000 km2以后,流域产沙量反而趋于减少,呈现出明显的地貌临界现象.     

长江河口悬浮泥沙的混合过程

根据准同步观测的悬浮泥沙及表层沉积物粒度、流速、含沙量资料,分析了长江口及临近海域悬浮泥沙在河口的混合过程.长江河口—陆架系统悬浮泥沙中值粒径呈现“细—粗—细”的变化规律,河口上段悬浮泥沙中值粒径为8.9 μm,拦门沙海域为10.5 μm,陆架区为4.5 μm,北支为9.9 μm,杭州湾口为5.6 μm,泥沙类型为粘土质粉砂.河口上段和陆架区悬浮泥沙与表层沉积物的垂向混合作用较弱,拦门沙区域二者发生强烈的混合和交换,悬浮泥沙在由长江河口向陆架系统输移过程中仅有表层泥沙保留了流域输入的泥沙粒度特征.长江口悬浮泥沙中值粒径与含沙量呈良好的正相关关系,水流的剪切作用是引起拦门沙海域泥沙再悬浮、近底高含沙量和悬浮泥沙粒径增加的主要原因,悬浮泥沙粒径和含沙量的增加主要由粉砂组分的增加引起.2007年长江河口区范围内悬浮泥沙中值粒径比2003年普遍减小11％,含沙量比2003年减小22％,河口上段含沙量对流域来沙减少的响应最为敏感,而拦门沙区的泥沙粒径对流域来沙减少的响应最敏感.在长江流域来沙量减少的背景下,河口拦门沙区域仍能维持较高的含沙量,主要缘于河口系统内部的供沙.     

长江中下游河床沉积物分布特征

对长江中下游武汉至河口段304处河床沉积物样品进行了粒度测量与分析,通过各参数间的模拟、统计及对比,探讨了沉积物粒度、水动力因素及河床地貌三者间的关系。研究结果表明：本区河床沉积物以中、细砂为主,床底搬运十分微弱,河道相对稳定;从上至下沿程有明显的“粗-细-粗-细”粒径变化,主要反映河流动力地貌、动力沉积特征;粒径在河床的沿程分布总体为北粗南细,说明北岸侵蚀,南岸淤积的特点。研究同时也表明,颗粒因河型不同而迥异;颗粒偏态度-峭度在不同河型中表现各异,对区分顺直微弯分汊和鹅头形分汊河道尤为显著。