黄土高原丘陵沟壑区不同尺度小流域次降雨水文过程模型研究--《中国科学院研究生院（教育部水土保持与生态环境研究中心）》2013年博士论文
黄土高原丘陵沟壑区不同尺度小流域次降雨水文过程模型研究
【摘要】：小流域地表水文过程与水资源理论、地表生态、土壤侵蚀密切相关。黄土高原丘陵沟壑区水土资源流失备受关注。小流域是水土保持综合治理的基本单元，研究小流域水文过程模型为流域水土保持、水资源优化配置和洪水预报等提供辅助工具。
本论文以黄土丘陵沟壑区为研究区，研究建立不同尺度小流域次降雨水文过程模型。在桥子西沟小流域（W1-b，1km~2），重点研究小流域降雨入渗、产流、汇流过程模型的构建、率定及验证；在罗玉沟（W100，100km~2）、吕二沟（W10，10km~2）、桥子东沟（W1-a，1km~2）和桥子西沟（W1-b，1km~2）流域，应用水力几何理论研究多尺度流域产流过程测量方法。论文主要得出以下初步结论：
（1）提出了修正NRCS-CN模型的方法，引入流域稳定入渗修正NRCS-CN模型，得到MCN模型。根据桥子西沟小流域降雨–径流过程观测数据，采用初损量观测值和计算值，计算得到流域稳定入渗率分别为4.8mm h~(-1)和4.2mm h~(-1)。根据计算得到的流域稳定入渗率，应用MCN和NRCS-CN模型估算流域径流过程。结果表明，稳定入渗率取值4.8mm h~(-1)或4.2mm h~(-1)时，MCN模型模拟流域入渗、径流的效果均优于NRCS-CN模型，对较大的入渗、径流事件更为明显；MCN模型采用稳定入渗率4.8mm h~(-1)的模拟结果优于采用稳定入渗率4.2mm h~(-1)的模拟结果。
（2）根据桥子西沟流域降雨–径流过程水文数据及流域DEM、土壤和土地利用等空间数据，分别采用反算法（Back Calculation，BC）和事件分析法（Event Analysis，EA）计算NRCS-CN模型初损率。反算法和事件分析法确定初损率分别为0.1和0.17。初损率分别取0.1、0.17和0.2时应用NRCS-CN模型预报流域产流量。误差分析和图形拟合评价结果表明，桥子西沟流域NRCS-CN模型初损率适宜取值为0.1。
（3）采用水力几何关系幂函数模型和对数函数模型拟合罗玉沟（W100）、吕二沟（W10）、桥子东沟（W1-a）和桥子西沟（W1-b）四个流域出口量水堰流量―流速关系。应用确定性系数（R~2）和模型效率系数（E）分别评价模型拟合效果及验证效果。通过分析W100、W10和W1-a三个流域模拟结果探查流域尺度对两种模型参数取值的影响。结果表明幂函数参数k（单位流量流速）与流域尺度呈负相关关系，参数m（流速变化率）随流域尺度的变化趋势与参数k相反。对数函数参数e（流速变化率）与流域尺度相关性不显著，参数d（单位流量流速）与流域尺度呈负相关关系；通过分析W1-a和W1-b两个流域模拟结果研究流域土地利用方式对两种模型参数取值的影响。结果表明W1-a流域幂函数参数k显著大于W1-b参数k（P0.001），两流域参数m无显著差异。W1-b流域对数函数参数e比W1-a参数e偏大，但无显著差异（P0.05）。W1-a流域对数函数参数d显著大于W1-b参数d（P0.05）。分别采用不同研究流域观测数据验证两种函数模型，验证结果均可以接受，在流速取值更为广泛的条件下，幂函数模型模拟效果优于对数函数模型。
（4）应用GIS工具将桥子西沟流域划分成11个坡面，通过一条沟道连接。以流域年降雨过程数据为输入，应用NRCS-CN模型计算流域坡面产流过程。采用自行设计的概念模型法对各坡面产流进行汇流演算，得到流域出口径流过程。通过考察径流深、洪峰流量和洪峰出现时间三个水文变量评价模型效果。径流深预测的绝对误差变化范围为-0.08–7.4mm，均值为0.35mm，相对误差变化范围为8%–~(-1)03%，均值为~(-1)%。洪峰流量预测的绝对和相对误差最大值分别为~(-1).85m~3s~(-1)和-63%，均值分别为-0.02m~3s~(-1)和10%；洪峰出现时间预测的绝对和相对误差最大值分别为0.99h和~(-1)09%，均值分别为-0.09h和~(-1)7%。此外，洪峰流量和洪峰出现时间模拟结果的线性拟合斜率分别为1.09和1.04。模型的确定性系数（R~2）分别为0.99和0.97。径流模拟结果的线性拟合斜率和确定性系数分别为0.83和0.78。计算得到了各水文变量拟合的均方根误差（RMSE）、模型效率系数（E）和整群剩余系数（CRM），结果表明模型对洪峰流量模拟效果最好，其次是洪峰出现时间和径流深。
（5）提出一种通过测量流速根据流速-流量关系确定流量的新方法。通过求解水力几何（Hydraulic Geometry）关系幂函数反函数，建立以流速为自变量、流量为因变量的流速–流量幂函数模型。将模型应用于罗玉沟（W100）、吕二沟（W10）、桥子东沟（W1-a）和桥子西沟（W1-b）四个流域出口量水堰流速–流量关系模拟。根据模型确定性系数（R~2），幂函数模型拟合优度依次为W100、W1-a、W10和W1-b。根据模型效率系数（E），幂函数模型模拟效率依次为W1-a、W100、W10和W1-b。模型验证结果表明，水力几何关系幂函数反函数模型能够用于测量流域流量，建立了一种通过测量流域出口流速而非水深确定流量的新方法。
本论文研究结果有助于理解黄土高原小流域水文循环过程，为研究流域水资源优化配置、土壤侵蚀和泥沙运移等提供辅助工具。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（教育部水土保持与生态环境研究中心）【学位级别】：博士【学位授予年份】：2013【分类号】：S157.1
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400-819-9993不同时间尺度下基于绿量的草地水土保持效应研究--《生态科学》2016年01期
不同时间尺度下基于绿量的草地水土保持效应研究
【摘要】：基于福建省长汀县河田镇土壤侵蚀试验小区连续四年的自然降雨、植被、产流和产沙观测数据,分析了次降雨、月、季和年这四种时间尺度下草地植被绿量、降雨指标和保水、保土效应的变化特征及其相互关系。结果表明,随着时间尺度的增大,降雨和植被参数呈现或增或减的变化特征,保水效应值(RE)变幅较小,而保土效应值(SE)的变幅则缓慢降低。各时间尺度RE的均值呈约10%—20%幅度的变化,RE表征的草地保水效应以季尺度最好,年尺度最差,而SE表征的草地保土效应以月尺度最好,季和次降雨尺度最差且接近。草地植被的保水效应多受制于降雨因素,次降雨尺度下,RE与降雨历时和降雨量关系密切,较长时间尺度下最大30分钟雨强是主要的控制因子。而保土效应则多受制于植被因素,在次降雨尺度下,贴近地表的枯叶层对保土效应的贡献值得重视,在中等的月和季尺度保土效应同时受降雨和植被的影响,而在较大的年时间尺度下,草本植被绿量参数可有效表征植被的保土效应。可见,在不同的时间尺度,影响水土保持的诸要素呈现不同的变化和耦合特征,水土保持效应亦存在差异,因而在水土保持的研究和管理工作中应关注时间尺度的影响。
【作者单位】：
【基金】：
【分类号】：S157
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400-819-9993淮海丘岗区土壤保持功能界定及土壤侵蚀动态--《山东农业大学》2017年硕士论文
淮海丘岗区土壤保持功能界定及土壤侵蚀动态
【摘要】：淮海丘岗区属于淮河流域水土保持规划的重要水土流失类型区,亦即淮河流域“三山、二丘、一区、一带”水土保持综合防护体系格局的“两丘”之一,该区主要分布在安徽省和江苏省境内。随着《全国水土保持规划》的颁布实施,维护和提高水土保持功能成为国家的水土保持工作方针和要求。但在全国以及江苏省和安徽省的水土保持规划中,对淮海丘岗区水土保持的“土壤保持”和“农田防护”两个主要基础功能的空间定位问题,及不同水土保持功能的区域土壤侵蚀动态问题,因缺乏研究还不清楚。针对上述问题,本文采用遥感调查、实地调查等方法,进行淮海丘岗区土壤保持功能界定及土壤侵蚀动态特征研究。研究目的:查明该区域的土壤侵蚀空间格局和水土保持基础功能,明确该区域土壤保持功能区分布,把握典型区域土壤侵蚀动态特征,探讨水土保持功能维护的主要问题与对策。为淮海丘岗区土壤保持功能的维护与提高决策的制定提供科学依据。主要研究成果:(1)淮海丘岗区土壤侵蚀空间格局特征淮海丘岗区土壤侵蚀面积为660.42km2,约占淮海丘岗区总面积的2.4%。土壤侵蚀分布存在区域性差异,各县区的土壤侵蚀面积以安徽萧县、埇桥区,江苏省东海县、赣榆县、铜山区等面积较大,各县市均以中轻度侵蚀为主。同时与土地利用类型、丘岗地分布存在联系,土壤侵蚀主要集中在丘岗区的坡耕地和荒坡地两种土地利用类型。(2)淮海丘岗区土壤保持功能区划定结合本研究重点关注的丘岗地分布,在《全国水土保持规划》、《淮河流域水土保持规划》、《安徽省水土保持规划》、《江苏省水土保持规划》等规划基础上,结合地形地貌、地表岩性等特点,针对功能区划分交叉问题,采用“自上而下”与“自下而上”相结合和“定性与定量”相结合的方法进一步针对土壤保持区进行等级体系分区划界明确了该区土壤保持功能区分布,该区土壤保持功能区总面积,分布较为集中,主要为IA-1花岗片麻岩丘陵土壤保持区、ⅡA-1花岗片麻岩丘岗土壤保持区、ⅡB-1石灰岩页岩丘岗土壤保持区。(3)淮海丘岗区土壤保持功能区典型区域土壤侵蚀动态特征选取淮海丘岗区土壤保持功能区六个典型区域,进行土壤侵蚀动态研究,9年间(2007年-2015年),总体上表现为由较高等级向较低等级土壤侵蚀转变的过程,面积均呈现下降趋势,但每个地区下降的幅度有所不同,连云港赣榆区、徐州市铜山区等下降幅度相对较大。这与当地政府近几年采取的各项水土保持政策和措施有关,各自地区分别编写了水土保持规划,实施了一系列水土保持功能维护措施,因此水土流失治理和水土保持功能维护与当地政府重视程度密切相关,在对全区防治水土流失与合理利用、开发和保护水土资源工作中具有主导作用,因此政府应加强水土资源管理与水土保持工作,在保护生态环境的前提下促进地区经济可持续发展。(4)该区土壤保持功能维护问题主要表现在三个方面:一是能源矿产开发破坏,包括矿产资源开发与风电开发对生态环境系统和水土保持功能造成的损害;二是农林开发活动破坏,包括规模化农林开发和村民自发开荒造成的土壤侵蚀;三是治理工程标准偏低,一些水土保持重点建设工程项目施工质量低、效果差,如荒草坡地开发的梯田工程标准偏低,拦蓄排水工程体系不完善,降低了工程的水土流失防治效果。针对以上问题,提出土壤保持功能维护对策:一是强化矿山废弃地生态整治;二是加强坡耕地综合治理;三是强化开发建设执法监督;四是探索水土保持政策机制
【学位授予单位】：山东农业大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2017【分类号】：S157
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