（水文学及水资源专业论文）大理河流域坡面水土保持措施减沙作用及其变化过程研究.pdf

中英文摘要 论文题目：大理河流域坡面水土保持措施减沙作用及兵变化过程研究 学科专业：水文学及水资源 、 启 研究生：亢伟 签名：型翌 f 指导教师：李占斌教授 签名：幺翅匕 李鹏副教授 签名耄l 盥为 摘要 本文以大理河流域为研究对象，运用水土保持学、泥沙运动学、水文学、景观生态 学和数理统计学等理论，系统开展了大理河流域坡面水土保持措施减沙机理及其减沙作 用变化过程研究。主要取得了如下研究结论： ( 1 ) 确定了大理河流域坡面水土保持措施的数量和质量。通过资料收集和典型调查， 结合遥感影像图和g i s 技术，分析了大理河流域坡面水土保持措施数量和质量的动态变化 过程。1 9 5 6 年大理河流域有梯田4 3 0 h m 2 ；林地3 5 2 1 h m 2 ；草地4 5 1 h m 2 ；到2 0 0 2 年底，大 理河流域共有梯田2 1 7 9 3 h m 2 ；林地7 8 8 7 2 h m 2 ；草地5 0 1 2 h m 2 ，水土保持治理面积大幅度增 加。 ( 2 ) 应用模拟实验和定位观测资料，深入分析了灌草植被措施的减沙机理。结果表 明，植被覆盖度因植被类型和生长季节的变化而有所差异，其产沙特征也发生相应的变 化；同时灌草植被的空间结构和配置形式对坡面产沙具有深刻影响，植被覆盖度较高的 坡面具有更为强大的水土保持功能。 ( 3 ) 进一步分析了大理河流域坡面主要水土保持措施的减沙效益，建立了汛期降雨 条件下坡面主要水土保持措施减沙效益的计算公式。结果表明，大理河流域汛期降雨量大 于3 0 0 m m 时，梯田的减沙作用减小；林地的覆盖度小于2 0 时，林地减沙作用不显著，林 地覆盖度大于7 0 时，林地减沙效益不再发生明显变化；草地的覆盖度大于6 0 时，草 地减沙效益不再发生明显变化。 ( 4 ) 确定了大理河流域不同等级坡面水土保持措施的减沙模数。根据流域观测资料 和小区观测资料，结合主要水土保持治理措施的质量分析，确定大理河流域一、二、三类 梯田的减沙模数分别为1 5 5 t h m 2 、1 2 1 t h m 2 和1 1 2 t h m 2 ，一、二、三类林地的减沙模数分 别为13 8 t h m 2 、5 2 5 t h m 2 和2 2 5 t h m 2 ，一、二、三类草地的减沙模数分别为13 2 t h m 2 、 8 4 t h m 2 和6 3 t h m 。 ( 5 ) 分析了大理河流域坡面主要水土保持措施的减沙量。由“以洪算沙”计算成果 可知，2 0 世纪7 0 、8 0 和9 0 年代大理河流域坡面水土保持措施年均分别减沙量2 5 4 6 万 t 、5 4 9 2 万t 和9 4 8 6 万t 。流域1 9 7 0 - - - 2 0 0 2 年坡面水土保持措施年均减沙量7 2 4 2 万 西安理工大学硕士学位论文 t ，其中，梯田年均减沙量1 9 7 4 万t ，林地年均减沙量5 1 3 9 万t ，草地年均减沙量1 2 9 万t 。 关键词：坡面水土保持措施；减沙模数；减沙效益：减沙量 中荚文摘要 t i t l e ：a n a l y s l so nt h es e d f m e n tr e d u c t f o ne f f e c t sa n dl t s c h a n g ep r o c e s so ft h es o i la n d 偿汀e rc o n s e r v a t i o n m e a s u r e so ns l o p e sl nd a l ir i v e r m 汀e r s h e d m a j o r ：h y d r o l o g y w a t e rr e s o u r c e s n a m e ：w e ik a n g s u p e r v i s o r - p r o f z h a n b i nl i a s s o c i a t ep r o f p e n gl i a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ：脚鱼 b a s e do nt h et h e o r yo fs o i la n dw a t e rc o n s e r v a t i o n , h y d r o l o g y , l a n d s c a p ee c o l o g y , s e d i m e n t d y n a m i c sa n dm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c a l ，t h es e d i m e n tr e d u c t i o nm e c h a n i s ma sw e l la st h ec h a n g e p r o c e s so ft h es e d i m e n tr e d u c t i o ne f f e c t sb ys o i la n d w a t e rc o n s e r v a t i o nm e a s u r e so ns l o p e si n d a l ir i v e rw a t e r s h e dw a ss t u d i e d f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r er e a c h e d ： ( 1 ) d e t e r m i n i n gt h eq u a n l i t ya n dq u a n t i t yo fm a i ns o i la n dw a t e rc o n s e r v a t i o nm e a s u r e so n t h es l o p e b a s e do nd a t ac o l l e c t i o na n dt y p i c a li n v e s t i g a t i o n ，c o m b i n e d 疽mt h er si m a g i n e a n a l y s i sa n dg i st e c h n o l o g i e s ，t h ed y n a m i cp r o c e s sa n dc h a n g et e n d e n c yo f t h eq u a n t i t ya n d q u a l i t yo fs o i la n dw a t e rc o n s e r v a t i o nm e a s u r e so ns l o p e si nd a l if i v e rw a t e r s h e dw a ss t u d i e d t h e r ew e r e4 3k m 2t e r r a c el a n d , 3 5 2 1 k i n 2f o r e s f l a n da n d4 51 k i n 2g r a s s l a n d si nd a l if i v e r w a t e r s h e di n19 5 6 u n t i l2 0 0 2 ，a r e ab ys o i la n dw a t e rc o n s e r v a t i o ni n c e a s e dal o t , a n dt h e r e w e r e2 1 7 9 3k m 2t e r r a c el a n d 7 8 8 7 2 1 k i n 2f o r e s t l a n da n d5 0 1 2 k m 2g r a s s l a n d si n2 0 0 2 t h e h a r n e s s i n ga r e a so fs o i la n dw a t e rc o n s e r v a t i o nr a p i d l yi n c r e a s e d ( 2 ) b a s e do nt h es i m u l a t i n gs t u d y a n ds i t e s p e c i f i co b s e r v a t i o n ，m e c h a n i c so fs e d i m e n t r e d u c t i o nb ys h r u ba n dh e r b a c e o u sv e g e t a t i o nw a sa n a l y z e d r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ev e g e t a t i o n c o v e r a g ed e g r e e ，a sw e l l 淞t h es e d i m e n ty i e l dc h a r a c t e r i s t i c so nt h es l o p ev a r i e d 淅t l lt h e v e g e t a t i o nt y p e sa n ds e a s o n s a n dt h es e d i m e n ty i e l do nt h es l o p ew a sd e e p l ya f f e c t e db y t h e s p a t i a ls t r u c t u r ea n dd e p o s i t i o nm o d e lo ft h ev e g e t a t i o n sm e a s u r e s h i g hv e g e t a t i o nc o v e r a g e d e g r e eh a ss t r o n g e rf u n c t i o no fs o i la n dw a t e rc o n s e r v a t i o n ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ef u r t h e rr e s e a r c h e so nt h es e d i m e n tr e d u c t i o ne f f e c t sb yt h es o i la n d w a t e rc o n s e r v a t i o nm e a s u r e so ns l o p e ，t h ef o r m u l af o rt h es e d i m e n tr e d u c t i o ne f f e c t s c a l c u l a t i o nw a se s t a b l i s h e di nt h ef l o o ds e a s o n i nd a l ir i v e rw a t e r s h e d ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a t 也es e d i m e n tr e d u c t i o ne f f e c t so ft h et e r r a c e1 a n dd e c r e a s e dw h e nt h er a i n f a l l sg r e a t e rt h a n 西安理工大学硕士学位论文 30 0 r a mi nt h ef l o o ds e a s o n t h es e d i m e n tr e d u c t i o ne f f e c t so ft h ef o r e s t l a n dw a sn o ts i g n i f i c a n t w h e nt h ev e g e t a t i o nc o v e r a g ed e g r e eo ff o r e s t l a n dw ，a sl e s st h a n2 0 t h es e d i m e n tr e d u c t i o n e f f e c t so ft h ef o r e s t l a n dh a dn or e m a r k a b l ec h a n g ew h e nt h ev e g e t a t i o nc o v e r a g ed e g r e eo f f o r e s t l a n dw a sg r e a t e rt h a n7 0 t h es e d i m e n tr e d u c t i o ne f f e c t so ft h eg r a s s l a n dh a dn o r e m a r k a b l ec h a n g e0 ng r a s s l a n dw h e nt h ev e g e t a t i o nc o v e r a g ed e g r e eo fg r a s s l a n dw a sg r e a t e r t h a n6 0 ( 4 ) t h es e d i m e n t r e d u c i n gm o d u l u so fd i f f e r e n tg r a d e so fs o i la n dw a t e rc o n s e r v a t i o n m e a s u r e so ns l o p ei nd a l if i v e rw a t e r s h e dw a sc a l c u l a t e d b yt h eo b s e r v a t i o nd a t aa n dp l o t s e x p e r i m e n t , c o m b i n e dw i mt h em a s sa n a l y s i so ft h em a i ns o i la n d w a t e rc o n s e r v a t i o nm e ：t s l 1 l e s o ns l o p e ，t h es e d i m e n t - r e d u c i n gm o d u l u sw e r ec a l c u l a t e da s1 5 5 10 4 t k m 2 ，1 21 10 4 t k i n 2a n d 1 12 10 4 t k m 2f o rt h eit e r r a c el a n d , i it e r r a c e1 a n da n dy 1 3 t e r r a c e1 a n d t h es e d i m e n t - r e d u c i n g m o d u l u s w e r ec a l c u l a t e da s 1 3 8 1 0 4 t l c i i ：1 2 0 5 2 5 1 0 4 t k r n 2a n d0 2 2 5 1 0 4 t k i n 2f o r t h eif o r e s t l a n d , i if o r e s f l a n da n di i i f o r e s f l a n d a n dt h es e d i m e n t - r e d u c i n gm o d u l u sw e r e c a l c u l a t e da l s1 3 2 10 4 v k m 2 ，0 8 4 1 0 4 u l c r n 2a n d0 6 3 10 4 t k i n 2f o rt h eig r a s s l a n d ，i ig r a s s l a n d a n dy l t g r a s s l a n d ( 5 ) t h es e d i m e n tr e d u c t i o na m o u n t so fs o i l a n dw a t e rc o n s e r v a t i o nm e a s u r e s0 ns l o p ew e r e c a l c u l a t e di nd a l ir i v e rw a t e r s h e d t h e s e d i m e n t - r e d u c i n ga m o u n t s o fs o i la n dw a t e r c o n s e r v a t i o nm e a s u r e so i ls l o p ew e r ec a l c u l a t e da s2 5 4 6 1 0 4 t , 5 4 9 2 1 0 4 ta n d9 4 8 6 10 4 tf o rt h e y e a ro f19 7 0 s ，19 8 0 sa n d19 9 0 s t h ea n n u a la v e r a g es e d i m e n t r e d u c i n ga m o u n t so fs o i la n d w a t e rc o n s e r v a t i o nm e a s u r e sw a s7 2 4 2 10 4 t d u r i n g 19 7 0 - 2 0 0 2 t h ea n n u a l a v e r a g e s e d i m e n t - r e d u c i n ga m o u n t so ft h et e r r a c el a n d ， f o r e s t l a n da n dg r a s s l a n dw a st a k e nf o r 1 9 7 4 1 0 、5 1 3 9 1 0 4 ta n d1 2 9 1 0 h k e yw o r d s ：s o i la n dw a t e rc o n s e r v a t i o nm e a s u r e so ns l o p e ；s e d i m e n t - r e d u c i n gm o d u l u s ； s e d i m e n t - r e d u c i n ge f f e c t ；s e d i m e n tr e d u c t i o na m o u n t s 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 本人 并已经在 论文作者签名：为褪年乡月w 日 学位论文使用授权声明 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 申请博士，硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 r 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：主丝轻导师签名：兰缝羔亟：7 翮年弓月冲日 第一章绪论 1 绪论 1 1 研究的背景及意义 干旱半干旱的黄土高原地区，由于环境脆弱及人类活动强烈而成为全球土壤侵蚀最严 重的区域。长期以来严重的水土流失所造成的沟壑纵横的特殊地貌以及黄土自身抗侵蚀性 弱等特殊因素造成了黄土高原独特的水土流失格局，多年平均侵蚀模数达3 7 0 0 t k m 2 a ， 最大侵蚀模数达3 万t k m 2 a 以上。严重水土流失不仅使黄土高原地区土地退化，植被 破坏，生产力低下，也使黄河下游淤积严重，河床不断升高，给下游两岸人民生活带来巨 大危害，阻碍了当地社会经济的可持续发展。 黄土高原的水土保持生态建设是治理黄河的主要任务之一，始终是党和政府长期关注 的问题。经过长期治理，黄土高原严重水土流失局面得到控制，生态环境有所改善。生物 措旌、工程措施、农业耕作措施是治理水土流失的三大措施。其中坡面上修建梯田、植树、 种草作是坡面治理的主要措施，这些措旌通过影响水土流失的自然过程，可以直接把泥沙 拦截在坡面，是减少泥沙进入沟道的可靠保障。在国家提倡的“再造一个山川秀美的大 西北”的前提下，黄土高原地区以“退耕还林( 草) ，封山绿化，个体承包，以粮代赈” 为具体实施方针，实施了封山育林、植树种草等措施，减少了坡面泥沙和有机物的流失， 提高了土壤质量，增加了粮食产量，改善了当地的社会环境和生态环境。 为了进一步深入认识黄土高原水土保持治理的作用机理和成效，特别是实施水土保持 措施后黄河及其主要支流的水沙变化情况，研究人员分区分段对黄河水沙变化原因和黄土 高原水土保持措施减水减沙效益进行了研究，取得了丰硕的成果，其中对河口镇至龙门区 间的研究成果最为突出。 大理河流域是多沙粗沙区重点支流无定河的一级支流。长期以来，该流域采用坡面上 造林、种草、修水平梯田和沟道里建坝蓄水淤地相结合的方法进行综合治理，是黄土高原 地区的典型流域，目前在大理河流域上进行的坡面水土保持措施的减沙量和减沙作用系统 研究较少。本论文旨在系统分析大理河流域降雨产流规律和侵蚀产沙特点的基础上，以大 理河流域水平梯田、林地、草地为研究对象，结合收集到的径流小区的资料，落实水土保 持措施的有效面积，揭示坡面水土流失的主要影响因子及其作用机制，改进水土保持措施 减沙作用计算方法，分析主要坡面治理措施的水土保持效益，建立减沙指标体系及其关系， 分析并确定大理河流域坡面水土保持措施的减沙作用及其变化过程。 1 2 国内外的研究进展 1 2 1 黄河流域水沙变化研究进展 长期以来，研究人员针对黄土高原地区的侵蚀产沙及相应的泥沙问题进行了大量的研 究，取得了丰硕的研究成果h - 8 1 。加深了对黄土高原土壤侵蚀及黄河泥沙问题的认识。其 中在1 9 6 0 2 0 0 3 年期间，黄河流域泥沙问题的研究成果体现在以下几方面： 西安理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 在2 0 世纪6 0 年代课题“黄河中游粗泥沙来源区及其对黄河下游冲淤的影响 开始了对黄河流域泥沙的研究阻1 们。研究表明黄河的泥沙主要来源于黄河中游黄土地区； 大于o 0 5m m 的粗泥沙，主要集中在皇甫川至秃尾河等各条支流的中下游地区和无定河中 下游及广义的白于山河源区两个区域；黄河下游的严重淤积主要是粗泥沙来源区的洪水造 成的；淤积物主要是由粒径大于0 0 5m m 的粗颗粒泥沙组成。 ( 2 ) 在1 9 8 8 - - 一1 9 9 2 年水利部第一期黄河水沙变化研究基金课题“黄河水沙变化及其 影响 n 1 1 重点研究了黄河上中游主要支流泥沙来源、水沙变化及其原因和发展趋势。通过 收集大量基础资料，分析水土保持措施实施与保存的基本情况，认识了流域水沙时空变化 的特点，改正了部分支流泥沙来源的传统观点，填补了流域未控区水沙研究的空白；该研 究全面分析了新中国成立以来黄河流域水沙变化的基本情况及发展趋势，并对平原区河道 和控制性水库产生的影响做了初步估计；进一步研究了黄河水沙变化的机理，初步建立了 水保措施效益分析计算方法。 ( 3 ) 在1 9 8 8 , - - - 1 9 9 2 年黄河流域第一期水土保持科研基金n 羽研究了水土保持措施对黄 河水沙的影响。较完整收集了黄河中游泾、洛、渭、汾等2 4 条支流的基础数据，对水土 保持减水减沙效益计算方法进行了改进，初步调查了龙门至潼关河段干流河床的冲淤变化 和人为因素增沙情况，取得了比较完整的水土保持效益研究计算成果，该研究在坡面水土 保持措施减沙模数计算中提出了三点改进：一是采用流域产沙模数；二是考虑到坡面措施 遇到不同的暴雨时减洪减沙系数；三是考虑到流域天然产沙模数估算的误差较大，以流域 实测输沙量用“逐步逼近法 进行了计算。 ( 4 ) 在1 9 8 8 , - - , 1 9 9 2 年国家自然科学基金研究课题“黄河流域环境演变与水沙运行规 律研究”n 3 1 中，针对黄土高原暴雨和产流的不均匀性，建立了暴雨、径流、侵蚀关系的数 学模型；提出了窟野河以北的粗沙主要来自基岩区，窟野河以南的粗沙主要来自黄土区的 观点。建立了流域内不同地形部位的产沙子模型及典型小流域产沙模型。对典型小流域和 代表地区人为破坏活动增加入黄河泥沙量作出了估计，明确人为破坏作用是加速侵蚀的主 导因素。通过对粗泥沙典型区调查和遥感解释，认为开荒面积与人口、坡面耕地和侵蚀强 度呈同步增长趋势；研究表明，由于水土保持措施的实施，在1 9 7 0 一1 9 8 9 年期间平均每 年减少入黄泥沙约4 亿吨。 ( 5 ) 在1 9 9 1 , - - - 1 9 9 5 年黄委会黄河上、中游管理局重点课题“黄河中游河口镇至龙门 区间水土保持措施减水减沙效益研究 n 町中，课题收集、整理、并进一步核实了河龙区间 大量基本资料，在“水文法 研究中，针对不同流域及不同类型区建立了降雨产流产沙数 学模型，较好的反映了降雨和下垫面时空分布不均匀的特性，从侵蚀动力参数的选取中， 采用了有效雨强、有效雨量、7 8 月降雨量及汛期降雨量等不同指标进行对比分析，在 径流变化分析计算中将洪水、常水分开研究：在“水保法研究中，充分利用河龙区间及 黄委会天水、西峰、绥德三个水土保持站长期积累的小区观测资料，重点研究水土保持措 施有效保存面积和减洪减沙指标，建立了一套新的“水保法，一小区坡面措施减洪指标体 2 第一章绪论 系。通过建立流域治理前的洪水泥沙关系，提出了“以洪算沙”法：绘制了河龙区间梯田、 造林、种草、淤地坝四大水土保持措施密度分布图及密度分布等值线图；计算了对未控区 水土保持措施减洪减沙效益及人为活动影响。 ( 6 ) 在1 9 9 3 - 1 9 9 5 年国家重点科技攻关课题“多沙粗沙区水沙变化原因分析及发展 趋势预测川1 5 1 研究中，把无定河、皇甫川、窟野河、三川河四条支流作为重点支流研究， 采用“水保法”与“水文法相结合的方法预测了2 0 0 0 , - - - 2 0 2 0 年的水沙变化趋势。该研 究整理了各种特征降雨量及降雨指标，将基准时段和水沙变化时段降雨资料精度统一起 来。通过绘制大量降雨等值线图，对5 0 年代、6 0 年代降雨资料偏少、精度偏低的基准时 段的降雨资料进行了插补展延，在此基础上，分析降雨时空分布规律及其对产流产沙的影 响。 ( 7 ) 在1 9 9 9 年对皇甫川、无定河等流域水土保持减水减沙作用从规划基准年和从规 划水平年两个角度再次进行了分析和评估n 町。在肯定水土保持减水减沙作用的同时，指出 了现阶段水土保持减水减沙作用的脆弱性；当遭遇较大暴雨时，发生较大洪水的可能性依 然存在。 ( 8 ) 在2 0 0 0 年对皇甫川流域治理前后洪水动量变化及其冲淤特征进行了分析n 。研 究认为，皇甫川流域1 9 7 9 年以前水土保持治理时断时续，治理面积也比较小，1 9 8 0 年以 后水土保持治理得到了稳步发展，1 9 9 7 年各种水土保持治理面积近9 万h m 2 。水土保持治 理对皇甫川流域的洪水特性及其冲淤特征等生态环境问题产生了一定的影响，主要表现 在：治理后可利用流量的天数越来越多，洪水的含沙量降低，流速增大，流量增大，动量 增大，洪水单位动量冲刷厚度减小，而单位动量淤积厚度增大。 ( 9 ) 在2 0 0 1 年国家自然科学基金重点项目“基于气候地貌植被耦合的黄河中游侵 蚀过程 n 阳研究中，该项目设立了气候一植被一侵蚀相互作用与耦合关系、坡面一沟道耦合 关系及其产沙效应、水土保持减沙效益临界规律等专题的研究。主要得出，水土保持措施 尤其是林草措施对土壤物理性质有较大影响，从而具有涵养水源、改变土壤结构、调节径 流、减少产沙等水文效应；流域治理可以明显减小洪水径流系数；流域治理对径流系数影 响的大小与流域治理度有关；流域治理可以改变洪水过程；流域治理后，在一定的洪峰流 量范围内，可使洪水平均含沙量降低，并减小含沙量的上限值，同时可以减小含沙量的变 幅；以黄土高原多沙粗沙区皇甫川流域为研究对象，依据定位观测资料分析，研究了水土 保持措施不同类型配置体系的滞洪减沙效应。 ( 1 0 ) 在1 9 9 6 , - - , 2 0 0 3 年水利部第二期黄河水沙变化研究基金项目“河龙区间水土保 持措施减水减沙作用分析 和“泾河、北洛河、渭河流域水土保持措施减水减沙作用分 析 1 9 - 2 5 3 。两大项目研究在以往基础上又有重大进展。拓宽了研究思路；突出了水土保持 措施的减洪效益；通过野外抽样调查，加强了水土保持措施数量的核实。尤其是在水保坡 面措施减洪减沙研究方法上有新的突破将原“径流量同频率对应 改进为“降雨量 同频率对应 。 西安理工大学硕士学位论文 上述研究成果，对黄土高原水土流失及其黄河中游的泥沙进行了较系统的研究，确定 了入黄粗泥沙的主要来源区域、流域内的侵蚀性降雨和产沙的模型、流域内采取水土保持 措施后水沙变化的情况和坡面上水土保持措施减沙量的研究方法。 1 2 2 坡面水土保持减沙作用研究进展 水土保持治理措施通过调整和改变侵蚀过程的物质基础和外在动力而发挥作用，主要 表现在改善和提高土壤理化性质、分散削减水蚀动力等方面娟1 。冯浩b 刀等人通过对草地 坡面径流调控放水试验研究，得出草地具有显著的减沙效应，输沙率较裸地减少7 8 4 ； 王学强啪1 对红壤丘陵区水保措施在不同坡度坡耕地上优化配置的探讨，得出梯田措施能够 在0 。1 5 。发挥较高水土保持效益；师长兴鲫对无定河坡面措施减沙和拦粗泥沙量分 析，发现坡面措施的拦沙中粗泥沙比例平均在4 2 以上。 为了进一步阐明坡面治理措施的减沙作用机制，国内外研究人员从不同的角度对这 一问题进行了深入的探讨和研究“n 删。侯喜禄h 9 钏研究了黄土丘陵区土壤侵蚀与林分覆盖 度的关系呈线型关系；石生新陆2 3 研究了陕北安塞纸坊沟小流域刺槐林地，研究结果表明， 坡面产沙量与植被覆盖度呈负相关，当植被覆盖度大于6 0 时，减沙效益均在9 0 以上， 侵蚀模数与植被覆盖度相关性很好；袁彝媛喳3 1 在四川省遂宁县实验小区进行了人工模拟降 雨试验，得出植被覆盖度与土壤侵蚀模数的相关方程呈负相关，且相关系数很高：罗伟祥 瞰1 在位于黄土高原沟壑区的陕西省永寿县中部某一径流场( 5 r e x 2 0m ) 进行了实验，实验结 果表明，侵蚀模数与植被覆盖度的相关性很好；王秋生啼胡在山东潍坊径流场得出侵蚀模数 与植被覆盖度成指数关系；唐克丽嘲1 在黄河泥沙主要来源区研究径流泥沙和森林覆盖度的 关系，研究表明森林覆盖度与径流泥沙呈线型关系；江忠善刚对1 9 8 7 1 9 9 1 年陕北安塞站 沙打旺和红豆草2 个人工草地径流场的观测资料进行分析，经回归得出植被覆盖度与人工 草地侵蚀模数相关性很好；董荣万嘲在黄土高原定西地区建立了平均侵蚀量和植被覆盖度 的定量关系；李孝地嘲1 分析黄委会天水水保站观测林地、草地、农地流失的年径流量及土 壤流失量比值，得出施家沟流域阳坡流失量占流失总量的8 0 左右的结论，并经过调查迸 一步证明了阳坡侵蚀强度和侵蚀速度远高于阴坡；在安塞试验区，林草地和坡耕地相比， 一般可以减少侵蚀量的6 0 以上，减少径流量的5 0 左右，有的可以高达9 0 以上嘲1 ；黄土 高原不同植被类型、不同土地利用类型的水土保持效益按大4 , j 顷序排列为柠条 刺槐 沙打 旺 天然草地 农田阳；胡建忠等2 1 认为黄土高原沙棘人工林地土壤抗蚀性的最佳指标为 0 5m i l l 水稳性团粒含量；牟金泽哺副、熊贵枢1 等对野外小区资料的整理后，认为生长6 年的林地可减水7 8 ，减沙8 1 ，人工草地减水6 2 ，减沙8 2 ；蒋定生嘲1 等在安塞试验站进 行的模拟实验研究表明，治理度高( 6 0 ) 的流域，土壤侵蚀较小；刘元保等砸司采用人工 降雨，研究了坡耕地在沙打旺、撂荒地和秸秆覆盖在黄土性土壤不同坡度坡地上的减水减 沙效益，认为地面覆盖在较陡坡地上的作用更为明显；土壤侵蚀与土地利用的关系密切， 产沙以沟谷地的侵蚀为主；傅伯杰阳7 1 等以延安羊圈沟流域为例，研究结果表明，1 9 9 9 年比 1 9 8 4 年羊圈沟流域坡耕地减少了4 3 ，林地增加了4 2 ，草地增加了5 ，土壤侵蚀量减少了 4 第一章绪论 2 4 ；水土保持措施和水土保持性农艺措施对水土流失影响很大，在黄土高原陡坡地建设 梯田也能有效地防治水土流失侧；水平梯田比陡坡耕地的径流量减少6 2 6 7 ，侵蚀产沙 量减少9 7 8 9 9 ，水平梯田的减沙效益为9 8 ，坡式梯田的减沙效益为4 0 旧1 。 在植被覆盖动态变化与水土流失响应方面，国内外研究人员也进行了大量的研究工作 啪 7 钔。a c e r d a 口胡通过对退化土地生态系绕恢复的研究表明，土壤的侵蚀特征和水动力学 特征可以作为生态系统退化程度的指标和土地生产力的重要参数。c c a r r o l 唧3 等人通过对 矿区土壤与弃土上的植被恢复过程的研究发现，在不同类型的土地上，植被对侵蚀的影响 是占主导地位的。西峰站1 9 5 8 1 9 6 2 年观测资料对比表明瞎，位于子午岭的有林流域( 覆 盖度9 0 ) 的平均侵蚀量仅为0 7 5 7 t k m 2 a ，同期无林流域( 南小河沟) 为1 0 8 0t k m 2 a ； 延安站通过对黄龙山寺沟( 覆盖率6 7 7 ) 和南沟( 无林) 的对比观测，结果发现前者的 侵蚀量仅为后者的1 5 ；查轩等陋2 1 在子午岭林区研究了植被破坏、恢复对土壤特性及侵蚀 的影响；黄录基阳3 1 等还根据小流域的观测资料，讨论了在各种不同植被覆盖下，降雨、蒸 发和径流对不同坡度的响应，认为植被的演替是引起本地区土壤侵蚀过程的最重要因素。 随着研究的逐渐深入，坡面不同土地利用类型对土壤侵蚀的影响逐渐引起研究人员 的关注泓 9 。g b e r g k a m p 一2 3 研究坡面径流特征发现，径流大多在坡面尺度上产生，坡面 和集水区的径流与小尺度的径流没有联系；l w m a r t z 四3 3 等研究发现，平面弯曲、剖面弯 曲和集水区面积在自然景观中的作用比简单的坡长一坡度参数更重要；d j p e n n o c k 等人 们研究发现，集水区面积与土壤再分布的相关性比坡长一坡度与它的相关性要好，而且由 田间小区试验或模拟试验得出的模型不足以预测景观尺度的水土流失。s c r a i 隋朝和 e s h a r m a 啡3 在农业集水区的研究表明，在由传统农田、休闲地、森林和复合农林生态系 统组成的集水区中，传统农田对整个集水区的径流贡献为8 1 ，侵蚀土壤的贡献为9 7 。 传统农田、休闲地、小豆蔻复合农林系统和温带森林的土壤侵蚀速率分别为4 7 7 k g h m 2 a 、 4 3k g h m 2 a 、3 0k g h m z a 和6k g h m 2 a 。不同的土地利用，径流和土壤侵蚀的机制 不同。通过调整土地利用空间配置，可以起到减少径流和保持土壤的目的；符素华阳列等 对北京山区的研究得出不同土地利用下的水土保持效益值，2 5 。陡坡耕地上，一年生植 物活篱笆可以使径流量减少2 2 - - 4 3 ，侵蚀产沙量减少9 4 9 8 ；王军呻1 等人在黄土丘 陵坡地上选择了5 种代表性的土地利用结构，证明坡耕地一草地一林地和梯田一草地一 林地类型具有较好的土壤养分保持能力。r d h i l l 啪1 等总结了基于小区尺度的不同土地 利用径流和侵蚀的差异，并指出随着尺度的增加，由不同土地利用构成的土地利用空间 配置的径流和土壤侵蚀的发生机制将发生改变。陈松林n 删利用g i s 研究了不同土地利用 类型的侵蚀速率，按侵蚀速率大小依次是园地 耕地 林地 草地；r a i 和s h a r m a 在农 业集水区的研究表明，在由传统农田、休闲地、森林和复合农林生态系统组成的集水区 中，传统农田对整个集水区的径流贡献为8 1 ，对土壤侵蚀的贡献为9 7 n 0 2 1 。查轩等n 0 3 1 在子午岭林区研究了植被破坏、恢复对土壤特性及侵蚀的影响，通过模拟降雨试验结果， 得出沙打旺、撂荒地、覆盖麦草平均减少径流分别为9 7 7 4 、8 3 2 0 和7 5 6 5 和减少侵 5 西安理工大学硕士学位论文 蚀量分别为9 9 0 、8 4 8 4 和9 7 9 7 ：罗杰斯n 0 5 3 等试验研究表明，在坡度1 0 情况下， 当被覆度从4 3 减少到1 5 时，产沙迅速增加；当被覆度由1 5 继续减少时，产沙增长率 显著；唐克丽n 删、郑粉莉n 0 7 3 等系统的分析了黄土高原土壤剖面性质及其差异与植被的变 化情况及径流小区资料，认为植被的破坏和不合理利用、陡坡开垦是现代加速侵蚀的主 要原因，而恢复和重建植被是控制土壤侵蚀、改善生态环境的关键措施；孙立达等n 嘲的 研究表明，当林草地面积比例从零增加到3 0 时，在小于等于l o k m 2 的流域内，水土流失 可减少6 5 7 ，在l o , - 一5 0 k m 2 的流域内，水土流失平均可以减少8 7 3 ；在一个流域内林 草地覆盖面积达到5 0 时，年侵蚀量可以减少4 8 ；董荣万n 恻等分析了植被覆盖度与径流 量、土壤流失量之间的定量关系。 随着黄土高原流域内坡面水土保持建设的开展，迫切需要进一步认识坡面水土保持措 施对坡面产沙量的影响程度，国内在大理河流域上进行的坡面水土保持措施的减沙量和减 沙作用系统研究较少，国外的研究由于没有黄土高原特有的侵蚀冲刷特性，因此，有必要 系统研究大理河流域内不同等级坡面水土保持措施的减沙量、减沙变化过程，为大理河流 域综合治理提供理论依据。 1 3 论文的研究目的 本文运用水土保持学、泥沙运动学、水文学、景观生态学和数理统计学等理论，以 黄土高原丘陵沟壑区大理河流域为研究对象，采用典型调查和宏观调查相结合的方法， 结合模拟试验和定位小区监测数据，核实大理河流域主要水土保持治理措施面积，分析 植被覆盖及其空间配置形式的水土保持作用机理，建立坡面水土保持措施减沙效益计算 模型，计算大理河流域坡面水土保持措施的减沙量，阐明大理河流域坡面水土保持措施 减沙作用变化的过程，为科学调整大理河流域综合治理方案和措施优化配置，改善当地 的生态环境提供科学依据和技术支撑。 1 4 论文研究的主要内容 本论文根据收集的大理河流域资料、径流小区资料，在吸收借鉴以往研究成果的基础 上，重点研究四个方面的问题： ( 1 ) 大理河流域坡面水土保持措施有效减沙面积调查研究； 根据收集大理河流域的相关资料和典型调查，通过计算核实大理河流域内坡面水土保 持措施的有效面积，并根据坡面水土保持措施的质量状况，对大理河流域坡面水土保持措 施进行了质量分级。 ( 2 ) 大理河流域坡面水土保持措施减沙机理和减沙效益分析； 根据以往的试验数据和小区资料分析，对坡面水土保持措施的减沙机理进行了分析， 并对梯、林、草不同的水土保持措施的减沙效益进行了分析研究。 ( 3 ) 大理河流域坡面水土保持措施减沙量的计算： 在坡面水土保持措施减沙机理和减沙效益研究的基础上，通过“以洪算沙”和“修正 6 第一章绪论 模数法”对大理河流域坡面水土保持措施的减沙量进行了计算，并分析比较了这两种方法 计算结果的合理性。 ( 4 ) 大理河流域坡面水土保持措施减沙变化分析研究： 通过对大理河流域坡面水土保持措施的分级和大理河流域坡面措施的减沙量计算，确 定不同质量等级的坡面水土保持措施的减沙量，并分析其减沙的变化。 1 5 研究技术路线 本论文在充分吸收黄河水沙变化研究已经取得的研究成果的基础上，系统收集流域内 坡面水土保持措施的资料。通过实地典型调查，落实各项坡面水土保持措施的数量、质量； 运用水土保持学、泥沙运动学、水文学、景观生态学和数理统计学等理论，分析坡面水土 保持措施减沙机理和减沙效益，在此基础上用不同方法计算坡面水土保持措施的减沙作用 及其变化过程。 基 本 资 料 收 集 坡面水 土保持 措施的 质量分 级 以洪算 沙计算 坡面水 土保持 措施减 沙量 已有 数据 分析 梯i i 植被 林li 覆盖 草ii 度减 状i i 沙影 况il 响分 调ji 析 查il 坡面水 土保持 措施面 积确定 不同 降雨 条件 下草 地植 被产 沙机 理 植被 类型 覆盖 对地 表侵 蚀产 沙的 影响 空间 植被 配置 对产 沙影 响的 机理 坡面水 土保持 措施减 沙机理 分析 区域 资料 收集 蔷ii 叠 的il 措 减ll 施 沙ll 减 鍪ll 鎏 坡面水 土保持 措施减 沙效益 分析 对比 坡面水土保持措旄减沙能力 坡面水土保持措施减沙变化过程 图1 1 研究技术路线框图 f i g 。1 - 1t h es k e t c ho f s t u d yt e c h n i c a lr o u t e 苴 地 描 施 减 沙 效 益 7 模计面保施量 正法坡土描沙修数算水持减 西安理工走学硕士学位论文 2 流域概况 2 1 地理位置 大理河发源于陕西省靖边县南部的自于山东倒，位于东经1 0 9 。1 4 i i o 。1 3 ，北 纬3 7 。3 0 3 7 。5 6 之间，地处毛乌素沙漠南缘，自西向东流经陕西省榆林市的靖边、 横山、子洲三县，至绥德县城附近注入无定河，是无定河最大的一级支流。流域南缘包括 陕西省延安市的子长、安塞两个县的- - + 部分。干流全长1 7 0 k m ，河床比降为31 6 ，流 域面积3 9 0 6 k m 2 。流域出口水文站为绥德水文站，集水面积3 8 9 3 k m 2 ，占