黄土丘陵沟壑区典型流域产沙的降雨阈值变化

发布时间：2021-10-10 11:46

　　2000年以来,随着黄土高原林草植被大幅改善和大规模梯田建成,加之坝库拦截,黄土高原入黄沙量锐减,从而使黄土高原现状产沙情势的认知成为近年关注的热点。目前,增大林草和梯田覆盖状况可减少或遏制侵蚀产沙的观点已被广泛认可,但其在流域层面上的减沙机制仍有待深入认识。本文以黄土丘陵沟壑区30条面积较小的流域作为样本,以场次降雨为分析对象,以场次降雨的面雨量、最大1 h降雨量和降雨侵蚀力为降雨指标,以场次降雨的产沙强度≥500 t/km2为流域产沙的判断标准,探讨了林草梯田覆盖程度变化与可致流域产沙的降雨阈值之间的响应关系。研究表明,无论地貌类型如何,随着流域林草梯田覆盖程度的增大,流域产沙的降雨阈值均明显增加,其中黄土丘陵第1—3副区的降雨阈值与林草梯田有效覆盖率之间呈正向的指数函数关系。在相同下垫面下,黄土丘陵第1—3副区的降雨阈值差别很小;或因植被主要分布在梁茆,或因河道产沙占比较大,因此,砒砂岩区、黄土残塬区和黄土丘陵第5副区更易产沙,其降雨阈值明显小于第1—3副区。本成果不仅为诠释林草梯田减沙的机制提供了科学支撑,而且也可为黄河水沙情势的评价和入黄沙量预报提供重要参考。 

【文章来源】：水利学报. 2019,50(10)北大核心EICSCD

【文章页数】：12 页

【部分图文】：

样本流域的空间分布——1178102°E104°E106°E108°E110°E112°E34°N34°N黄河

2000年以来，黄土丘陵区大部分流域的植被和梯田覆盖状况都处于不断改善和快速改善的过程中［15］，即使相差几年，同一条流域的林草梯田覆盖状况也相差很大；直至2012—2016年，林草梯田的覆盖状况才先后趋于稳定。林草梯田覆盖状况的变化，必然导致降雨阈值变化。因此，要确定样本流域在某种下垫面情况下的降雨阈值，须根据其不同时期的下垫面状况对数据分组，使每组数据时段的下垫面大体相同。对于小微流域，采用流域内各雨量站的最大雨强均值，构建雨强-产沙强度关系图。对于流域面积较大的中小流域，采用降雨中心的最大雨强。的概念［18］，并将其应用于土壤侵蚀量的计算，计算公式为：R=∑E×I30（3）式中：E为一次降雨的总动能；I30为一次降雨过程中连续30min最大降雨量。随后，结合各地实际，式（3）中E常被简化成一次降雨的总雨量P，雨强也有I10、I15、I30、I60等多个变种［15，17］。考虑到如前文所述的黄土高原降雨数据格式的实际情况，本文采用的降雨侵蚀力计算公式为：R=P×I60（4）确定了降雨指标和流域产沙的判断标准后，对于任意流域，可利用某时段的实测降雨和产沙数据，分别建立降雨-产沙强度的关系；然后，根据关系点群的外包线，识别出可致流域产沙的降雨阈值。显然，流域的林草梯田覆盖状况不同，降雨阈值必然不同。为揭示流域林草有效覆盖率和梯田规模变化对产沙降雨阈值的影响规律，一方面降雨阈值的识别方法要一致，另一方面涉及的林草梯田覆盖率的范围应宽——故本文选用的数据时段既有五六十年代、也有1990年代至今。此外，考虑到60多年来黄土高原各流域的植被和梯田状况一直处于不断变化过程中，因此识别

227次洪水测验成果表中，产沙强度大于500和10000t/km2者分别占52%和8%。据此构建了各流域的次雨量-产沙强度、最大雨强-产沙强度关系，结果见图3。为便于识别降雨阈值，图3未显示产沙强度大于1000t/km2的场次洪水信息。由图3可见，在植被很差的黄土丘陵区的小微流域，一场雨量7mm、或雨强6mm/h、或降雨侵蚀力40mm2/h的降雨，就可能发生产沙强度达500t/km2的产沙事件。图3低林草覆盖流域的降雨-产沙关系以上现象与植被良好的黄土丘陵区形成鲜明对照。图4是桥沟流域（2007—2018年）、王皮湾流域（2016—2018年）和纸坊沟流域（2016—2017年）的降雨-产沙关系，其林草有效覆盖率分别为62%、77%和80%，是植被优良的样本流域。由图可见，在次雨量小于100mm、雨强小于63mm/h、降雨侵蚀力小于4000mm2/h范围内，仅在2017年7月26日的无定河大暴雨期间，桥沟流域的产沙强度达到2229t/km2（即图4中的最高点），相应的次雨量和最大雨强分别为113.2mm和44.6mm/h；其它各场次降雨的产沙强度均不足100t/km2。据图4推算，该时期桥沟流域的次雨量、雨强和降雨侵蚀力阈值分别约95mm、40mm/h、2000mm2/h；其它两流域的降雨阈值很可能更大，但尚难定论。从桥沟流域1986—2018年降雨阈值的变化过程，可更清晰地看出林草植被变化对降雨阈值的影响。桥沟流域也是无定河流域的一条微型流域，流域面积0.45km2，自1986年设站观测至今。1980年代末，桥沟流域的林草有效覆盖率为15%，至2016年达到74%。从桥沟流域不同时期的降雨-产沙关系可见（图5

【参考文献】：
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