延河流域多空间尺度水沙模拟与特征分析

发布时间：2020-03-31 19:48

【摘要】：开展坡面-流域系统水沙流失规律研究对区域水土保持规划及流域综合治理具有重要意义。本研究采用人工模拟降雨试验与SWAT模型模拟相结合的方法,研究延河流域不同空间尺度下水沙流失规律,初步探索延河流域不同集水区水沙相关关系及其空间尺度效应。主要结论如下:(1)采用室内人工模拟降雨试验研究不同雨强不同坡度下黄绵土坡面水沙流失规律。60、75、105和120 mm/h雨强下25°坡面径流量分别是5°坡面径流量的1.54、1.34、1.31和1.06倍,可以看出5°与25°坡面的径流量差距随雨强增大而减小;各坡面下产流量与坡度呈显著的二次多项式关系,R~2达0.83以上。各雨强下均匀产流前10 min内径流量增长率较大,但产沙量均有减小趋势;产流10 min后的径流量变化曲线增加缓慢并逐渐趋于平缓,各雨强与坡度下产沙量随降雨历时延长变化趋势不同。同一坡度下产沙量随降雨强度增加无明显变化规律,但相同雨强下产沙量随坡度增加呈显著增加趋势。(2)采用SWAT模型对延河各水文站径流量进行模拟,杏河、安塞站的率定期为1984-1991年,验证期为1992-1998年,枣园、延安、甘谷驿站的率定期为1974-1982年,验证期为1983-1988年,结果表明:杏河、枣园、安塞、延安、甘谷驿站率定期的NS系数分别为0.53、0.58、0.54、0.68、0.73,验证期的NS系数分别为0.51、0.55、0.54、0.66、0.61。各水文站的年径流量随集水区面积增加而增加,且延安站、甘谷驿站的实测和模拟径流量变化较其他三站的径流量变化明显。各站5-7月的实测径流量随集水区面积增加均表现为增加现象,其平均增长率依次为131.06%、168.49%、122.29%、171.43%、130.00%,但此时段内的模拟值增长率仅有杏河与延安站出现增加趋势,其他各站模拟径流增长率均呈下降趋势。各站的年降水量、实测和模拟年径流深之间无有规律的变化趋势,均持续的上下波动变化。各站6-9月的实测径流量与输沙量呈显著的线性关系,R~2范围为0.80~0.91,各水文站7-8月的径流-泥沙相关性更强,其R~2范围为0.86~0.95,且随集水区面积增加,径流量和输沙量的线性关系逐渐减弱。(3)各集水区内1995年的林地、草地及耕地面积与1985年相比变化不大。各站两年土地利用数据下的径流模拟曲线几乎重合,且径流量的变化趋势与降水量的变化趋势一致。1985-1995年的土地利用情形下,杏河站1985年的年均径流量为5.65 m~3/s,比1995年少0.02 m~3/s,枣园站的1985-1995年土地利用情形下的年均径流量呈增加趋势,甘谷驿站与之相反,安塞站和延安站的年均径流量均呈下降趋势。各站控制集水区内的输沙量表现出年际波动变化趋势,随集水区面积增加,各站输沙量的波动范围也在逐渐增加,其波动范围分别为(0.10~0.69)×10~7 t、(0.02~1.37)×10~7 t、(0.18~2.18)×10~7 t、(0.45~5.91)×10~7 t、(1.53~8.42)×10~7 t。(4)实测径流量之比和模拟径流量之比分别与对应集水区面积之比呈显著的线性关系,且R~2均为0.98,但实测输沙量之比与对应集水区面积之比呈乘幂关系较明显,其R~2为0.54,可根据各站径流量、输沙量与集水面积的关系预测缺测径流、泥沙量。各站的多年平均实测径流量增长幅度随集水面积增加无明显的变化趋势,除枣园站外,其他四站的多年平均输沙量增长幅度随集水面积增加而降低。延河流域的径流、泥沙与集水区面积之间均可用分形理论进行空间维数度量,径流量、输沙量与集水面积的双对数曲线的R~2分别约为0.97、0.98,其中径流、泥沙的分形维数分别为1.53、1.57,稳定性指数分别为0.03、0.07,表明径流量空间分布形态较好,输沙量空间分布形态较复杂,但两者的空间结构稳定性均较差。
【图文】：

装置图,土槽,装置图

技术等多学科理论，结合面积比法和分形理论研究“坡面-多尺度流域”系度水沙流失过程及特征。内人工模拟降雨试验设计1）降雨设计以往研究者对黄土高原水沙及氮磷养分流失研究的基础上(靳长兴 1996；6；孔刚等 2007；王升等 2012；王百群等 1999；田坤等 2011)，采用室降雨试验，探索坡度变化时由土壤水分入渗、坡面细沟产生等过程引起的征及规律。试验设计共分为 6 个雨强 5 个坡度，降雨强度分别为 45mm，75mm/h，90mm/h，105mm/h 和 120mm/h，坡度分别为 5°、10°、15°、场设计雨量为 120mm，因此降雨时长分别为 160min，120min，96min，80 和 60min。实验土槽尺寸为长×宽×高=2m×1m×0.45m，土槽内装土时按照 10cm 为一层，这样便于控制土壤容重与实际值一致。土槽前端留有两个别用来接地表径流和壤中流，其他三面加高钢板，防止降雨过程中土壤溅验前率定雨强，分别在土壤表面 a, b, c, d, e 五个部位放置径流小桶，如图定时间为 2 分钟，使最终雨强在设计雨强±3mm/h 范围内。

循环过程,模型,向河,营养物质

AT 模型原理及结构型模拟的流域水文过程分为陆地水文循环和河道水文循环，陆水文、气象、土壤温度、泥沙沉积等组成，陆地水文循环过程（河道的水沙、营养物质、化学物质等向河道的输入过程；而河制着水沙、营养物质、农药等化学物质向河网的输移过程，河文响应单元（HRU）的地表产流及其产生壤中流和子流域浅层王序驰等 2016)。整个水文循环过程遵循水量平衡规律，水量平 et al. 2002)：( )01tt day surf a seep gwiSW SW + R Q E W QtW 为土壤第 i 天最终含水量，mm；0SW 为土壤初始含水量，mm量，mm；surfQ 为第 i 天的地表径流量，mm；aE 为第 i 天的蒸第 i 天由土壤剖面进入包气带的水量，包括侧流量和渗透量，m水量，mm；t 为时间，d。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S157;TV14

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