（水文学及水资源专业论文）黄土高原典型流域径流与泥沙过程分布式模拟研究.pdf

摘要 摘要 黄河中游地区一直是泥沙研究的热点地区，该地区为黄河的主要多沙粗沙区，是 黄河泥沙问题的症结所在。中游地区年输沙量占三门峡以上的7 0 以上，黄土高原地 区降雨集中、历时短、强度大，引起严重侵蚀问题。无定河流域是中游的重要产沙区， 论文选择其一级支流大理河流域为研究对象，大理河流域植被稀疏，土壤侵蚀问题尤 其严重。 侵蚀产沙是一个复杂的过程，从产沙机理到产沙过程。尽管以往已有很多经验性 公式用来模拟场次降雨产流和产沙，但对于侵蚀产沙量的时空分布不能给出很好的定 论，也不能很好的模拟出水土保持措施的作用。 论文系统总结了国内外研究研究进展，在中国水利水电科学研究院水资源研究所 贾仰文教授开发的w e p 模型的基础上，开发了分布式侵蚀产沙模型，侵蚀产沙模型 考虑了坡面侵蚀和河道输移，坡面侵蚀包括细沟间侵蚀和细沟侵蚀，河道输移根据河 流输沙能力和进入河道的侵蚀产沙量的大小，决定河道输送到下一个河道的泥沙量。 所开发的分布式水文与侵蚀产沙模型在大理河流域得到较好的验证和应用。对大 理河流域经流与泥沙过程进行了全面模拟评价，不仅模拟了1 9 8 7 至1 9 9 0 年的逐日水 文径流过程和1 9 8 7 年至1 9 8 8 年逐日侵蚀产沙过程，还评价了水资源演变规律和泥沙 侵蚀演变情势。 本次研究的分布式水文和产沙模型是在分布式水文模型w e p 的基础上实现的， 模型在大理河流域得到了成功应用。本文创新点有以下几点：( 1 ) 耦合分布式水文模 型和产沙模型，建立了具有物理机制和水动力学机制的分布式模型，研究了分布式水 文模型和产沙模型的理论与方法；( 2 ) 首次以大理河为例，研究了流域的产流产沙模 式，分析了不同水土保持措施下的产流产沙变化。 在将来研究中，此模型可以进一步改进，尤其是降雨降尺度处理，获取高精度短 时间步长降雨，使之尽量的时间步长短，以适用于模拟该地区超渗产流与侵蚀产沙过 程。应用方面，进一步模拟下垫面变化对水文泥沙的影响，例如植被变化，土壤性质 变化，淤地坝的建设情况等，深入研究水土保持建设对水沙的影响，为水土保持建设 提供支持。另外，为实现预测功能，还可以使模型与气象模型耦合，使用雷达测雨等， 使模型不仅能模拟过去的历史状态也能模拟未来的水文泥沙状态。 关键词：分布式水文模型，分布式侵蚀产沙模型，大理河流域，侵蚀产沙，黄土高原 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em i d d l er e a c h e so fy e l l o wr i v e ri st h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c ha r e a , w h e r ei s t h em a i ns e d i m e n ty i e l da n dg r i ta r e af o rt h ey e l l o wr i v e r t h ea n n u a ls e d i m e n t t r a n s p o r tt ot h ey e l l o wf i v e ro ft h em i d d l er e a c h e sc a r lo c c u p ym o r et h a n7 0 o f a b o v et h es a n m e nx i a t h er a i n f a l lo ft h el o e s sp l a t e a ui si n t e n s i v ew i t has h o r tt i m e ， t h i sc a nb r i n gs e r i o u ss o i le r o s i o np r o b l e m w u d i n n gr i v e ri sa ni m p o r t a n ts e d i m e n t y i e l dr i v e ri nt h em i l l er e a c h e so fy e l l o wr i v e r ，t h ed a l ir i v e rr e s e a r c h e di nt h i s p a p e ri saf i r s tc l a s st r i b u t a r yo f t h ew u d i n gr i v e r , t h ev e g e t a t i o ni nd a l if i v e ri ss p a r s ea n dt h e e r o s i o np r o b l e mi ss e r i o u s n l ee r o s i o np r o c e s si sv e r yc o m p l i c a t e d f r o me r o s i o nm e c h a n i s mt os e d i m e n t y i e l dp r o c e s s t h e r ea r ee x p e r i e n c e de q u a t i o n st os i m u l a t et h ee v e n tr a i n f a l l r u n o f f a n ds e d i m e n ty i e l d ，b u ti tc o u l dn o td e s c r i b et h e s p a c e t i m ed i s t r i b u t i o no ft h e s e d i m e n ty i e l d ，i ta l s oc o u l dn o ts i m u l a t et h ef u n c t i o n so fw a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o n m e a s u r e sw e l lt o o t h i st h e s i sh a sd e v e l o p e dad i s t r i b u t e ds e d i m e n ty i e l dm o d e lb a s e d o nb o t hh o m ea n da b r o a dr e s e a r c hb a s i s ，t h eh y d r o l o g i cm o d e li sb a s e do nw e p , w h i c hi sd e v e l o p e db yp r o f e s s o rj i ao fi w h r ( c h i n ai n s t i t u t eo fw a t e rr e s o u r c e sa n d h y d r o p o w e rr e s e a r c h ) 1 1 1 es e d i m e n ty i e l dm o d e lc o n s i d e r e di n t e r i l le r o s i o na n dr i l l e r o s i o ni no v e r l a n de r o s i o n ，t h er i v e rt r a n s p o r tc o n s i d e r e dt h ec o m p a r i s o no ft h e t r a n s p o r tc a p a c i t ya n dt h es e d i m e n tq u a n t i t yi nt h er i v e r , t h e nd e c i d e dt h es e d i m e n t t r a n s p o r tq u a n t i t yt ot h en e x tr i v e rr e a c h 1 1 1 i sm o d e lh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di nd a l ir i v e r , i ts i m u l a t e dt h e h y d r o l o g i cp r o c e s sf r o m1 9 8 7t o1 9 9 0a n ds i m u l a t et h es e d i m e n ty i e l df r o m1 9 8 7t o 1 9 8 8 ，d a yb yd a ya n dm o n t hb ym o n t h w i t ht h i sm o d e l ，t h ew a t e rr e s o u r c e s e v o l v e m e n ta n ds e d i m e n ty i e l de v o l v e m e n th a sb e e ne v a l u a t e d t h i sm o d e ld e v e l o p e di nt h et h e s i sh a sb e e ns u c e e s s f u l l yu s e di nd a l ir i v e r , h a s s i m u l a t e dh y d r o l o g i cp r o c e s sf r o m1 9 8 7t o1 9 9 0a n ds i m u l a t e ds e d i m e n tp r o c e s s ，i t a l s od e s c r i b e dt h ew a t e rr e s o u r c e se v o l v e m e n ta n ds e d i m e n te v o l v e m e n t p r o c e s s t h em a i ni n n o v a t i o ni nt h i st h e s i sa r et h a t ：( 1 ) i th a si n t e g r a t e dt h es e d i m e n t y i e l dm o d e la n dh y d r o l o g i cm o d e lt o g e t h e r ；( 2 ) i th a sb e e nu s e di nt h ed i l ir i v e r s u c c e s s f u l l ya n ds i m u l a t e dt h ew a t e ra n ds e d i m e n tc h a n g e su n d e rd i f f e r e n tw a t e ra n d s o i lc o n s e r v a t i o ns c h e m e s d u r i n gt h er e s e a r c h b yc h a n g i n gt h el a n ds u r f a c ec o n d i t i o n st oc h a n g et h ea r e a p r o p o r t i o no ff o r e s t ，g r a s s ，a n df a r m l a n da n ds e tu pt h r e es c h e m e st os i m u l a t et h e h y d r o l o g i ca n ds e d i m e n ty i e l dp r o c e s s b yt h i sw a y , i tc a nf i n dt h eg o o dw a t e ra n d a b s t r a c t s o i lc o n s e r v a t i o nm e a s u r e st od i r e c tt 1 1 el o c a lw a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o nw o r k k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a la n ds e d i m e n ty i e l dm o d e l ，d a l ir i v e rb a s i n ， s e d i m e n ty i e l d ，l o e s sa l t i p l a n o 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本入在导师指导下独立进行 研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。 尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人 已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国水 利水电科学研究院或其它教育机构的学位或证书等而使用过的材 料。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 杏蜗 年月日 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 1 1 引言 第一章综述 土壤侵蚀和流域产沙是地球上普遍存在的一种十分复杂的自然现象，坡面土壤和山 间沟道受到雨滴的打击和水流冲刷而被侵蚀，被侵蚀的物质汇集到河川中，沿河槽朝向 下游运动，一部分沿程淤积，一部分到达流域出口称为流域产沙。随着人类活动的加 剧，土壤侵蚀的进程被大大加速。我国是一个水土流失严重的国家，水土流失造成土壤 沙漠化、土壤和肥料流失、河道淤积、河床抬高、洪涝灾害加剧、生态恶化等问题。近 5 0 年来，我国因水土流失减少耕地达4 0 0 0 多万亩，造成退化、沙化、碱化草地约1 0 0 万平方公里，占我国草原总面积的5 0 ，进入9 0 年代，沙化土地每年扩展2 4 6 0 平方公 里嘲。 中国河流多泥沙，多污染，尤其是黄河流域，黄河流域的问题还在于水少沙多，黄 河流域的中游地区又是多沙粗沙的主要来源区域，在这一地区研究侵蚀产沙规律，对于 治理黄河泥沙有很大的意义。天然侵蚀，再加上近年逐渐增加的人类活动加剧，下垫面 变化剧烈，更需要研究一个分布式水文泥沙模型在计算这些变化对侵蚀产沙的影响，以 及水资源演变规律等。 大理河流域位于黄河中游河龙地区。这一地区存在严重的泥沙侵蚀问题，降雨集中 强烈，再加上人类活动加剧，强烈的改变下垫面，水土保持措施等，使得大理河流域的侵 蚀产沙问题更加严重和复杂有必要在这一地区建立与已往不同的分布式水文和侵蚀产 沙模型，研究侵蚀产沙规律，和水文水资源演变规律并且河龙区间是黄河流域主要的泥 沙来源区域，在这一地区的大理河流域研究水文和泥沙过程具有重要意思，可以为泥沙 侵蚀分布，那些是泥沙侵蚀的主要因素提供重要科学依据，对黄河泥沙治理也有一定的 借鉴意义。 此次研究既模拟1 9 8 7 年至1 9 9 0 年的逐年水文和1 9 8 7 年至1 9 8 8 年侵蚀产沙过程， 在这个期间逐日逐月进行了水文和泥沙模拟，并且通过在模型中改变林草地和耕地的种 植结构，模拟水文和侵蚀产沙的变化情况，来分析水土保持措施的作用，为以后的水土保 持建设提供科学依据 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 i 2 侵蚀产沙模型和农业面源污染模型研究进展 1 2 1 国外研究进展 国外对侵蚀产沙模型的研究始于2 0 世纪4 0 年代，e i u s o n 对土壤侵蚀过程的分析 为侵蚀产沙模型的建立奠定了基础。到了2 0 世纪6 0 年代，出现了美国通用土壤流失方 程u s l e o l ，这是一个集总式的经验性模型，它的出现，标志着侵蚀产沙模型取得了重 大进步。后来，在u s l e 的基础上经过修正形成了r u s l e 模型，接下来，在1 9 9 5 年又 发展出了r u s l e 2 ，这时候已经试图把风侵蚀加进去。 在2 0 世纪8 0 年代以后，国外相继出现了一些很有影响的侵蚀产沙和农业面源污染 模型。 c r e a m s 模型“1 是1 9 8 0 年由美国农业部研发出的综合模拟水文、产沙和农业面源 污染的集总式模型，既可以模拟场次降雨，也可以模拟长期( 2 - 5 0 年) 过程。模型由4 个子模块组成：水文模块，泥沙侵蚀与运移模块，肥料模型和农药运移模块。水文模型 部分，利用降雨、气温、月平均日辐射、土地利用和土壤参数，预报径流、蒸发、下渗 和土壤含水量。蒸发计算采用修正的p e n m a n 公式，实际蒸发能力是由叶面积指数、净 辐射和可获得土壤水决定的。如果可利用的资料只有日降雨资料，则用s c s 曲线法预报 径流，如果可利用的资料是小时的，或者小时以内的，可选用一个基于入渗的水文模型 预报径流。泥沙方面，使用通用土壤流失方程( u s l e ) ，但是增加了坡面流的泥沙输 移能力。农业面源污染方面，主要模拟土壤氮、磷和杀虫剂的流失，可以模拟径流中溶 解的和以泥沙为载体的氮和磷含量，同时也考虑到植物吸收、有机氮脱氮和矿化反应与 氮的过滤，以及农业杀虫剂的运移和降解。模型经过改进和发展后在美国具有通用性。 该模型的局限性是，在模拟地形较平坦的情况时，精度较差。此外，c r e a m s 模型是 一个田间尺度的集总式物理模型，把整个田间作为一个均一单元，土地利用均一，土壤 性质均一，空间降雨一致，单一的管理措施，这与实际情况不符合。g l e a m s ( c - r o u n d w a t e r l o a d m ge f f e c t so fa g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n ts y s t e m ) 一一j 是在c r e a m s 的基础上改进的， 具有明显的物理机制，它主要用来模拟农业污染、农业耕作措施不同对地下水水质的影 响，模型加强了对地下水的模拟，以一天为计算时间步长。水文模型依然沿用了s c s 曲线；土壤侵蚀模型还是沿用了通用土壤流失方程，主要模拟的过程有泥沙侵蚀与运移。 农业杀虫剂污染主要考虑植物吸收和蒸发，主要注重垂直方向的运动，水平方向与土壤 有关的扩散没有考虑。模型的局限性是，模型还是一个集总式模型，只能用于农业田间 尺度，不能用于流域尺度。 e p i c 嘲( e n v i r o n m e n t a lp o l i c yi n t e g r a t e dc l i m a t e ，w i l l i a m s ，e ta 1 ，1 9 8 4 ) 模型是1 9 8 4 2 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 年美国研制的侵蚀产沙和农业面源污染相结合的模型，e p i c 模型目前已经发展到a p e x 模型版本。e p i c 模型用于模拟农场或者小流域耕作管理，评价土壤侵蚀。e p i c 模型也 是在c r e a m s 模型基础上发展而来，同时借鉴了s w r r b 模型的一些理论( k n i s e l ，1 9 8 0 ) ， 后来把杀虫剂部分加进去。e p i c 模型中主要模块有气象部分，水文部分，泥沙部分， 营养物质部分和杀虫剂部分，在每个子流域内，气候、土壤和管理系统被认为是一致的， 模型计算步长为一天。气象部分包括降雨、蒸发、最高最低气温、太阳辐射等。水文部 分，地表径流使用修正的s c s 曲线法，入渗采用c r r e e n a m p t 方程，蒸发有5 种公式可 以选用，分别是h a r g r e a v e s & s a m a n i 、p e n m a n 、p r i e s t l e y t a y l o r 、p e n m a n m o n t e i t h 和 b a i e r - r o b e r t s o n 公式。土壤侵蚀包括雨滴溅蚀、径流冲刷和灌溉冲刷。e p i c 模型的优点 就是对每种过程有几种可以选择的模拟方式，例如有7 种侵蚀产沙公式( 侵蚀产沙公式 采用了通用土壤流失方程理论) 以及2 种洪峰径流公式。e p i c 模型可以比较不同的管 理系统以及它们对氮、磷、碳、杀虫剂和产沙的作用。a p e x 模型拓展了e p i c 模型的 功能，除了e p i c 模型原来功能外，a p e x 模型增加了水、泥沙、营养物质和杀虫剂通 过复杂地形和渠系到流域出口的模拟，同时还增加了地下水和水库调节的模拟。模型的 局限性是，模型本身还是集总式模型，只能应用于田间尺度，不能用于流域尺度。 以上的模型都是经验性和集总式的，随着研究的深入，模型逐步发展到具有物理机 制的分布式产沙模型，例w e p p 模型。有些已经耦合了农业面源污染模型例如 e u r o s e m 模型、a n s w e r s 模型以及a g n p s 模型等是其中的杰出代表。 w e p p ( w a t e re r o s i o np r e d i c t i o np r o j e c t ) “”“”模型是美国农业部1 9 8 5 年推出 的具有物理机制的分布式土壤侵蚀模型。现今它已经有三个版本，坡面版本( p r o f i l e v e r s i o n ) 、流域版本( w a t e r s h e dv e r s i o n ) 和网格版本( g r i dv e r s i o n ) 。这个模型是用来模 拟预测农业区农业管理方式不同对侵蚀产沙影响的。水文模块中，包括降雨、入渗、产 流、蒸发等过程，入渗采用修正后的g r e e n - a m p t 方程进行计算，蒸发计算采用修正后 的r i t e h i e 方程。w e p p 模型考虑沟间侵蚀和细沟侵蚀两个过程。沟间侵蚀考虑由于雨 点溅蚀对土壤的分离作用，侵蚀产生的泥沙由薄层水流输送到细沟中，泥沙到细沟的输 移率是与降雨强度和沟间径流率成正比的。细沟侵蚀是由径流分离泥沙能力、泥沙输移 能力和现存水流中泥沙含量的函数来描述的。在w e p p 模型中有气候生成器c l i g e n 和断点生成器b p c d g 子模块，它们都能用来生成气候数据。c l i g e n 是w e p p 默认的 气候参数获取程序，气候参数由美国大量气象站的数据信息生成，所以在别处使用时要 适当选用参数；也可以根据实际情况采用断点生成器b p c d g 子模块来生成气候参数， 将两者结果与实际数据对比后，采用效果较好的子模块来生成气候数据。w e p p 模型以 一天为计算时间步长，模型适用范围是数十米长的坡面或者几百公顷左右的小流域，现 在也加强了和g i s 的结合。虽然w e p p 模型比较成熟，但由于它是基于物理过程的分布 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 式产沙模型，需要大量数据支持，要直接应用到我国还有困难，因为我国没有美国那样 完善的资料数据库。 e u r o s e m ”模型是欧盟为治理和控制欧盟国家水土流失而研发的，是基于场次降 雨模拟的模型。e u r o s e m 模型水文方面和m i k e s h e 模型结合，在侵蚀产沙方面和 k i n e r o s 模型结合。模型有四个目标，即：评价土壤侵蚀风险，应用尺度是田间和小 流域，基于场次评价，分析出效果好的水土保持措施。模型把一个流域分成很多子流域， 每个子流域内处理成统一的坡度、土壤性质和土地利用。这个模型主要可以处理；( 1 ) 植被截流，( 2 ) 直接降落雨滴和叶面滴落雨滴能量， ( 3 ) 植物茎流量，( 4 ) 雨滴侵蚀 和径流侵蚀的泥沙量，( 5 ) 泥沙沉积和运输量。冠层截流深是以累计降雨深为指数的函 数，最终地面形成的径流深是降雨深减去冠层截流深。入渗采用s m i t h & p a r l a n g e 公式， 对饱和导水系数作了修正。坡面产流按照基于曼宁公式的一维坡面流，渠道汇流按照曼 宁公式计算。为了和产沙过程一致，坡面产流分为沟间和细沟产流。侵蚀过程包括雨滴 溅蚀、沟间侵蚀、细沟侵蚀和河道冲刷，计算步长是分钟。模型的缺点是：不是基于长 系列模拟的，虽然需要的资料较少，但是对于初始条件要求严格，模型没有对农业面源 污染做处理。 a n s w e r s 1 模型是一个基于物理机制的长期连续模拟的流域模型，可以模拟土壤 和营养物质从农业耕地上的流失。模型最初只是一个水文模型( 1 9 6 6 ) ，1 9 8 0 年加入了 侵蚀产沙模块，1 9 9 4 年加入了营养物质模块。本文主要介绍的是a n s w e r s 2 0 0 0 ，模型 是在中等流域尺度的基础上设计的。水文模型部分的主要计算方法是，土壤蒸发潜力是 由叶面积指数确定的，蒸发计算采用r i t c h i e 方法，分为植物蒸散发和土壤蒸发；地表 径流处理得很简单，按照一个贮留函数计算，这个方法不大精确，尤其是在基流比较大 的情况下；入渗采用的g r e e n - a m p t 模型。泥沙部分，有降雨侵蚀、细沟侵蚀和沟间侵 蚀，产沙部分采用了w e p p 模型的理论，并且充分考虑了无资料地区的模型验证问题。 渠道过程和细沟过程的处理在很大程度上是一样的，也是采用了临界切应力，各个渠道 单元被认为是统一的几何地形，认为渠底是可侵蚀的，也可以假设一个不可侵蚀的渠底。 当输沙能力不足以输移全部泥沙时，将产生淤积，如果河道底部是不可侵蚀的，可能会 发生河道拓宽现象，泥沙输移是根据y a l i n 公式推出的。营养物质部分，有比较精确计 算循环和运移的方法，很多是借鉴了最新版的g l e a m s 模型理论。a n s w e r s 2 0 0 0 对 于营养物质的考虑只包括氮和磷。a n s w e r s 2 0 0 0 对以往版本进行了一些更新，主要特 点包括：( 1 ) 开发和结合了更新的、基于过程的产沙子模型；( 2 ) 开发了河道冲刷子模 型；( 3 ) 确定基于过程的侵蚀产沙和河道冲刷子模型是否增进了a n s w e r s 2 0 0 0 在预报 流域尺度泥沙侵蚀的精度。模型局限性包括：( 1 ) 不能应用于大的流域( 例如大于2 0 0 0 h a ) 或者做较长时间( 例如大于1 0 年) 的模拟；( 2 ) 营养物质的转化和运移使用的是经验 4 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 统计公式，对于特定地区和土壤的模拟效果还比较好；( 3 ) 模型计算时间较长；( 4 ) 对 于多种土地利用的情况下，模拟效果不太好，也不能模拟森林和城市地区；( 5 ) 不同施 肥措施的模拟效果不好；( 6 ) 不能模拟施用家畜肥的情况。另外，模型过度简化了地下 水作用，假设每个单元网格只有一层土壤，对于下渗模拟不准确。模型没有考虑蓄满产 流，但在地下水较高时会经常出现蓄满产流的情况，这点模拟不准确。 a g n p s “”1 模型是美国农业部开发的基于物理过程的场次模拟的分布式产沙和农 业面源污染相结合的模型，模拟内容包括地表径流、泥沙和营养物质输移。a g n p s 模 型对流域进行模拟时，把一个流域分成一个个功能单元，再进一步分成小的网格单元， 适当考虑流域的异质性，流域性质就用一个个的网格单元表示出来，数据输入时利用 g i s 进行处理。地表径流采用s c s 曲线方法来计算，关键参数曲线数( c n ) ，由土地利 用、土壤类型和水文条件决定，每个计算单元内的洪峰流量计算采用s m i t h 方法，地表 径流按照流向从一个计算单元流到下一个计算单元直到流域出口，河道汇流考虑河道 宽、河道深和流速，并假设横断面是三角形来计算。泥沙侵蚀和运移采用修正后的通用。 土壤流失方程u s l e 计算，泥沙从一个计算单元流入另一个计算单元最后流出流域出口， 使用基于稳定状态的连续方程来描述泥沙输移和沉积关系。化学物质运移借鉴了 c r e a m s 模型理论。关于a g n p s 模型的研究还有，h e s s i o n ( 1 9 8 9 ) 0 7 1 尝试a g n p s 模型和g i s 系统相结合；f i s h e re ta l ( 1 9 9 7 ) “”比较过a g n p s 模型和a n s w e r s 模型 对于网格单元大小的敏感程度，输出结果表明a g n p s 模型对于网格单元大小不是很敏 感；a g n p s 模型在农业和水土保持管理中应用比较广泛，y o n g ( 1 9 8 9 ) o ”应用a g n p s 模型比较几种管理方式的不同，p r a t oe ta l ( 1 9 9 0 ) 洲利用a g n p s 模型计算几种不同的 水土保持措施对于减少泥沙侵蚀的作用。a g n p s 模型缺点是没有涉及地下水的计算。 1 2 2 国内研究进展 国内对泥沙和面源污染的研究起步于8 0 年代。泥沙研究主要集中在黄河流域黄土 高原地区，建立了很多小流域产沙和农业面源污染模型，大都是经验性模型。下面介绍 其中几个代表性成果。 江忠善一宋文经模型。“4 “，是一个通过分析陕北黄土丘壑地区1 0 条典型沟道的降 雨径流、植被、土质、地形特性等因素建立起来的经验性模型，模型的主要公式是： m 。= 0 3 7 m 1 1 5 j k p ( 1 1 ) 上式中，m ：一次暴雨流域产沙模数( t k i n 2 ) ；m ：一次暴雨洪量模数( m 3 k m 2 ) ，d ： 流域的平均坡度，k ：土壤可侵蚀因子，p ：与流域植被度有关的植被作用系数。其中 具体变量计算公式和方法见参考文献嘲。 5 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 牟金泽一熊贵枢模型翊是个经验性的回归模型，考虑的因素比较少， 总产沙量，但是没有考虑流域治理的减沙效益，计算公式如下： m = 0 2 5 ( m + q ，) 1 ”j o ”l o - 4 可以预报年 ( 1 2 ) 它还有一个计算年总量的公式： m = o 0 9 5 m 0 2 0 j o o 2 8 1 ；0 2 5 ( 1 3 ) 上式中，m ：一次洪水的流域产沙模数( t k i n 2 ) ，m ：一次洪水洪量模数( m 3 k i n 2 ) ， 吼：洪峰模数( m 3 ( s k i n 2 ) ) ，m o ：年径流模数( 1 0 4 m 3 k m 2 ) ，j o ：流域主河道平 均比降，三：流域坡长度( k m ) 。具体详细计算参考文献，模型是以陕北子洲岔巴沟 流域资料为基础建立起来的，应用于黄河小流域和陕北地区，效果还比较理想。 国内具有一定物理成因的模型有汤立群模型汹1 “、谢树楠模型呻3 、祁伟和曹文洪 模型啪1 、蔡强国模型恤等。 汤立群模型是以黄土高原地区的梁峁坡、沟谷坡、沟槽侵蚀区为研究区开发的，把 整个水系划成若干单元，每个单元都被概化成“一本打开的书”，“书面”中间的线就是 流域内的沟道，流域面积比上坡度长度就可以得出流域宽度。模型包括水文模型和侵蚀 产沙模型，不涉及农业面源污染。水文模型包括产流计算，以超渗产流为主，入渗计算 采用h o r t o n 方程。坡面水流的连续方程采用圣维南方程组，运动方程采用运动波方程， 渠道汇流采用运动波方程组。侵蚀产沙方面采用土壤侵蚀能量和水流有效能量相等的概 念逐步推出总的侵蚀率，进而计算侵蚀产沙量。该模型是个随机线性模型，有一定的物 理成因理论，在应用中，预报结果还比较满意。 谢树楠模型按自然水系划分成多个子流域，再把子流域划分成多个计算单元，该模 型在计算时，进行了一些假定：暴雨产生的径流是一维的，压强按静水压强分布，不考 虑泥沙的粘滞性，沟道泥沙输移比为1 。泥沙侵蚀量公式由挟沙力公式、泥沙输移的连 续方程、水流的连续方程、水流运动方程和泥沙起冲率与边界剪切力方程联合推导出。 该模型还可以应用于大中流域。 祁伟和曹文洪模型是基于物理机制的场次暴雨模拟的小流域分布式侵蚀产沙模型， 可进行小流域水文模拟和侵蚀产沙模拟，侵蚀产沙子模型主要有产沙和输沙两个过程， 产沙主要包括沟间侵蚀产沙和细沟侵蚀产沙，沟间侵蚀和细沟侵蚀均采用f o s t e r 和 m e y e r 公式，地表径流输沙采用y a l i n 公式。该模型在黑草河小流域应用过，模拟效果 很好 还有其他模型，例如蔡强国模型等。总体来说这些模型是概念性模型，绝大多数 6 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 模型可移植性不强，参数也要进一步修正，例如多数模型把泥沙输移比简单的定为1 是 不合理的。 1 2 3 存在主要问题与发展方向 国外的侵蚀产沙与农业面源污染模型一般是在美国或者欧洲地形基础上建立的，不 能直接移用于中国，原因如下：( 1 ) 模型建立环境和气候条件不相同，国外建模型一般 是在地形比较平坦、降雨不是很集中的地理环境条件下建立的，而中国地形起伏太大， 重要的流域侵蚀产沙地区例如黄土高原，降雨集中，历时短，径流和产沙基本在几分钟 内产生；( 2 ) 侵蚀产沙方面，国外模型主要考虑细沟侵蚀和沟间侵蚀，没有探讨重力侵 蚀，而在中国很多产沙地区，重力侵蚀是产沙量的重要来源，比如在黄土高原，重力侵 蚀产沙量占所有产沙量的6 0 9 6 ；( 3 ) 国外一些成熟的模型虽然涵盖了农业面源污染，但 是国外很多是农场经营方式，耕作制度统一，施肥情况易于掌握，而国内多属于以农户 为单位的分散经营，农业耕作方式和施肥不统一，资料不好收集。以上三方面表明国外 的模型必须经过修正和改进后，才能在我国应用。 国内模型虽然大多数是在实测资料数据基础上建立的，但是大多数是统计分析模 型，有些具有一定物理机制的分布式产沙模型，也是把大流域分成小流域或者单元，在 单元内部还是使用统计性的经验模型，这样的模型可以计算出总的产沙量，但是不能预 测泥沙的时空分布。还有，国内侵蚀产沙模型尚没有和农业面源污染相结合。所以根据 中国的地理和气候特性，建立适合我国国情的分布式水文和侵蚀产沙模型是目前水利界 比较急迫的任务。 目前就建立适合中国国情的分布式水文和产沙难点除了中国地形复杂外，有以下几 个难点：( 1 ) 产沙过程复杂。侵蚀产沙机理非常复杂的过程，就目前的研究来看，这方 面的物理机制还远没有弄清。机理研究是模型研究的基础，机理研究需要将先进的技术 手段如g i s 、r s 和传统的站网观测体系相结合，在开展大量的原型观测和试验研究的基 础上进行。( 2 ) 资料缺乏。目前我们所得到的降雨资料，除了站点密度不够以外，资料 记录长度也是一个问题。目前的资料一般按天或者小时进行记录，但是侵蚀产沙一般集 中在降雨强度很大的短时段内，如何把降雨展布到模拟侵蚀产沙所需要的小时段内是一 个亟待解决的问题。国外在这方面已经做了一些探索，例如y w b o a hg y a s i - a g y c i ( 2 0 0 5 ) 。”利用马尔科夫链和泊松过程将降雨展布到小时以内。( 3 ) 尺度问题。这也是困扰模型 应用推广的一个难点问题。由于地形和土壤性质的异质性以及泥沙的非线性特性，在一 个流域上建立的模型很难推广应用到更小或者更大的流域尺度上，即如何在不同尺度上 进行模型和参数的尺度转换，也是需要解决的问题。 目前国内尚没有从成型的分布式水文和侵蚀产沙，开发符合我国国情的分布式书水 7 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 文迫在眉睫。 i 3 总结 本章系统介绍了现今国内外主要的侵蚀产沙模型，总结这些模型的优缺点，旨在借 鉴国外理论和国内研究成果的基础上，开发适用于大理河流域的分布式水文和侵蚀产沙 模型。综合模拟大理河流域水文和侵蚀产沙过程。 8 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 第二章研究流域概况、研究方法与研究意义 2 1 大理河流域自然地理状况 研究流域为大理河流域，该流域位于黄河中游地区，是多沙粗沙区，在这一区域 做分布式流域水文和泥沙模型具有很好的代表意义，也有很大的现实意义。大理河源出 陕西靖边县东北白于山，东流经横山县会小理河，又东经米脂县至绥德县入无定河，涉 及子洲、绥德、靖边、横山四个县的2 7 个乡( 镇) 2 9 0 3 万人。 2 1 1 地理概况 大理河流域位于陕西省北部，干流长1 7 0 公里( 1 9 9 4 年) ，流域面积3 9 0 6 k m 2 ，是 无定河流域的最大支流，该流域地处黄土丘陵沟壑区，地势西高东低，植被稀疏，地形 破碎境内沟壑纵横，水土流失很严重。大理河流域海拔1 0 0 0 - 1 6 0 0 米，地势相对高差 2 0 0 - 3 0 0 米，沟壑密度5 公里平方公里，地面坡度一般在1 5 度以上，峁梁坡度多在 2 0 5 0 度之间，坡长常大于2 0 0 米，沟谷切割深度多大于5 0 米，除大理河及小理河的谷 地比较平外，其余沟谷的沟床深窄，比降陡峻。 流域内土壤多为第四纪第二系覆盖性黄土，并有少量红胶土和黑垆土分布，黄绵土 面积大，广泛分布于大理河流域，黄绵土是黄土母质经直接耕种而形成的一种幼年土壤， 因土体疏松、软绵，其实质为岩成土或原色( 质) 土。其主要特征是，剖面发育不明显， 仅有a 层及c 层，且二者之间无明显界限，土壤侵蚀严重，质地以粉砂壤土为主。大 理河流域多年平均输沙量6 5 3 0 万吨，占无定河年输沙量的2 9 ，侵蚀模数1 6 7 万口屯 年平方公里，局部高达3 万吨平方公里，是黄河流域土壤侵蚀最为强烈的地区之_ 1 3 2 1 。 大理河流域水土保持措施比较齐全，坝库系统相对比较完善，共有淤地坝约3 1 0 0 余座。 2 1 2 气候条件 大理河流域属于黄河流域河龙区间，年平均日照时数平均为2 0 0 0 - - , 3 0 0 0 小时，年平 均气温在9 1 4 之间。大理河流域多年平均降雨量4 7 8 毫米，年均蒸发能力 1 5 0 0 - 2 0 0 0 m m ，是降水量的3 - - 4 倍甚至更多，是形成干旱和半干旱灾害频繁的主要原因。 无霜期每年大概2 0 0 - 2 4 0 天，降水和风是影响本区土壤侵蚀的主要外营力 3 3 1 降水年际变化大，分布很不均匀，约有7 0 0 , 4 以上的降雨集中在汛期( 大概5 曲月) 。 降雨强度大，集中，历时短，容易形成大的径流和洪水，造成强烈的土壤侵蚀，大大增 强了产沙能力和洪水危险。 9 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 2 1 3 大理河流域水文条件 大理河利于地区降雨强度大，径流主要由降雨形成，一般以超渗产流为主，会受到 水文地质和下垫面等条件的影响形成的洪峰尖瘦，峰高径流深在6 0 - - 1 0 0 r a m 之间，并且 蒸发旺盛，产流不均匀，汛期径流占全年径流的7 0 以_ 1 2 ，历时短，洪量大，含沙量高。 2 1 4 大理河流域内淤地坝情况 大理河流域8 0 年实行了很多水土保持措施，流域共建设淤地坝2 4 7 座，其中骨干 工程1 6 座，中型淤地坝3 6 座，小型淤地坝1 9 5 座，总库容2 9 0 5 万立米，拦泥库容2 3 2 4 万立米，可淤地4 5 0 0 亩。 2 2 研究路线 本次研究旨在w e p 分布式水文模型基础上添加具有物理机制的侵蚀产沙模型，分别建 立坡面侵蚀产沙和河道泥沙运移方程，充分考虑淤地坝情况，植被管理因子，土壤可侵蚀 因子等。考虑坡面侵蚀和河道运移过程，并且假设河道是不可侵蚀的。一般降雨会产生细 沟间侵蚀，假如细沟间侵蚀大于地表输沙能力，则不会发生细沟侵蚀，并且计算单元内有 泥沙淤泥，只有细沟侵蚀产能力小于地表输沙能力的时候才会产生细沟侵蚀，在这种情况 下，又分为两种可能，若地表输沙能力大于细沟问侵蚀和细沟侵蚀产沙量之和，则实际流 域出口的产沙量是细沟间侵蚀和细沟侵蚀产沙量之和，反之如果地表输沙能力小于细沟间 侵蚀和细沟侵蚀产沙量之和，则流域出口的实际产沙量就是地表输沙能力。详细模型介绍 在第三章，此次模型综合模拟大理河流域1 9 8 7 年至1 9 9 0 年的水文过程，还模拟了1 9 8 7 年 和1 9 8 8 年泥沙过程，大致工作步骤和技术路线图如下： l o 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 2 3 研究意义 图2 1 技术路线图 黄河的关键问题是泥沙问题，黄河按照入海水量5 8 0 2 9 , m 3 t 3 4 ，来计算的话，河龙 区间( 河口镇至龙门) 流域面积约为1 2 万k m 2 ，占黄河流域总面积的1 4 9 ，汇入黄河的 水量约占黄河总水量1 0 9 ，但是汇入黄河的侵蚀产沙量，约占黄河泥沙总量的6 0 ， 再包括泾、洛、渭等几条支流，就是黄河多沙粗沙区。尽管2 0 世纪7 0 年代，8 0 年代水土 保持措施也发挥了很大作用，但是这一地区依然是高产沙地区，依然是黄河最大的泥沙 贡献区域。在大理河流域研究分布式水文和泥沙侵蚀模型本身对于揭示这一带的水文机 理和产沙规律就有很大的科研和现实意义。 大理河流域位于黄河流域中游地区，是典型的多砂粗沙区，国家也投入大量人力和 物力，治理黄河中游区的粗沙多沙问题，建设了大量的淤堤坝，实行了种树，种草措施 等，也取得了显著的效果。目前的研究很多都是基于水文法和成因分析法，很多都是经 验性的公式和模型。其中水文法p 引，就是水文分析法，从水文统计方面计算水土流失， 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 是统计理论的一种方法。一个特定流域的降雨与流域产沙有一定的数理统计关系，尤其 是长期系列，这一关系会更明确一些。如果下垫面不变，例如水土保持措施范围不扩大 的情况下，一场降雨，就会有一定量的径流和泥沙产生，如果下垫面发生变化，降雨产 流和产沙都将随之改变。水文法中主要有暴雨产流产沙模型，目前很多计算减沙效应的 方法使用了暴雨产流产沙数学模型，模型应用了水文模型入渗，产流汇流等原理，侵蚀 产沙，泥沙输移原理，泥沙运动力学以及地理地貌学等，具有一定的理论基础和物理性， 模型参数确定比较容易，适应范围比较广。暴雨产流产沙模型就是利用数学模型对流域 暴雨产流产沙进行数学模拟，在时间上划小计算时间步长，在空间上划分流域单元，能 比较好的反映出降雨和下垫面时空不均匀特性，可用于下垫面条件差不多流域的产流产 沙模拟或中小流域水土保持减水减沙效益模拟。暴雨产流产沙模型也有不足之处，模型 对于降雨和下垫面资料要求高，对降雨前期情况要求也比较高，尤其是土壤含水率，有 些参数不能很精确的确定，模型没有分析多种产沙机制，具有一定集中式和经验性特点， 模型验证结果有一定的累积误差。水保法【3 ”又称“成因分析法”就是从成因方面分析计 算流域水沙变化，利用水土保持治理前的降雨资料建立降雨产流产沙模型，将水土保持 工程后的降雨资料输入，得出治理前的产水产沙量，再与治理后实测数据比较，其差值 就是治理后的减水减沙量。传统的水保法通过水土保持试验或者径流观测资料，求出单 项措施的减水减沙量，然后直接乘以单项措施的数量，得出整个流域的减水减沙效益。 主要问