Scientific Reports：黄土高原小流域典型暴雨条件下脉冲径流侵蚀事件特征

百科 2024-11-02 09:00 陕西

研究背景

RESEARCH BACKGROUND

水土流失是世界范围内最普遍和最主要的生态环境问题之一，它导致农业生产力下降、水污染加剧和不可持续发展。土壤侵蚀是一个复杂的物理过程，其根本解释是降水与流域表面的综合相互作用。黄土高原土壤侵蚀主要由6~9个月的暴雨引起，暴雨的侵蚀量占全年总侵蚀量的60%以上。因此，根据黄土高原的侵蚀特征，预测个别暴雨事件的产流产沙关系，对建立土壤侵蚀模型和土壤保持具有比研究年降雨量-侵蚀关系更重要的意义。只有清楚地了解典型脉冲径流侵蚀事件下的侵蚀产沙特征，才能对流域尺度上的水土保持进行有效的科学管理。

研究方法

1. 研究区域

研究在陕西省安塞县的纸坊沟流域进行，该流域位于黄土高原丘陵沟壑区，面积8.27 km²，海拔在1040-1425米之间。年均气温为8.8℃，年均降水量为482.7毫米，降水主要集中在6-9月，占全年总降水量的73.6%。

图1 纸坊沟流域与延河流域

2. 数据收集与监测：

研究收集了1997-2010年期间在志坊沟流域观测的17场典型脉冲暴雨事件的数据，涵盖降雨量、径流量和泥沙产量的关系。使用雨量计和自动雨量记录器测量降雨量，并在流域中部、上游和下游设立三个雨量站进行同步测量。径流观测通过水尺测量水位，利用量水堰公式计算流量。悬浮泥沙的观测通过人工采样方法进行，采集浑浊水样并在实验室测定泥沙含量。

3. 数据处理与分析

使用Excel和SPSS进行典型暴雨事件的径流和泥沙关系的回归分析。

采用MATLAB进行聚类分析，通过计算不同样本变量之间的相似系数和距离，对样本数据集进行逐步聚类。

研究结果

1. 暴雨径流与泥沙浓度关系

图3-9为不同暴雨事件下含沙量与径流量的回归关系。在不同的暴雨条件下，产流与产沙的相关性是不同的。一般情况下，含沙量随流量的增加而增加，但当含沙量达到一定值时，即使流量不断增加，含沙量的变化也很小。在不同的降雨侵蚀事件中，流量对含沙量的影响也不同。因此，在不同的暴雨事件中，相应的曲线拟合也可以改变。在所有的暴雨侵蚀事件中，并不总是有强烈的径流与产沙量的相关性。例如，随着流量的持续增加，泥沙浓度会逐渐趋于稳定。这表明，虽然流量增加通常会导致更多的泥沙流失，但在某些情况下，这种趋势会有所减弱。

在小沟或浅沟侵蚀坡面，暴雨期间小沟或浅沟侵蚀出现后，早期入渗过量暴雨的充水表现为“溃坝效应”。它以“分期定期储蓄”的方式突然释放，并迅速转变为集中的、强渠道流动。这一现象减少了雨水入渗土壤，增加了地表径流系数，使洪水呈现出“峰高量小、流少沙多、峰急升急降、忽来忽去”的特点。

2. 不同暴雨期间降雨径流与降雨泥沙的关系

典型的暴雨时空特征决定了黄土高原以入渗过量径流为主，洪水过程呈现出陡降陡峰的特征。径流生成主要受降水特征和初始集水区饱和度的驱动。由于黄土高原水文过程的特殊性和水土保持措施的实施，尽管降雨-泥沙的相关性强于降雨-径流，但降雨-径流(y=451.16e0.0598x,R²=0.101,n=17, p>0.05)和降雨-泥沙(y=36509x−4E+06, R²=0.114, n=17, p>0.05)的相关性往往是分散且弱的。

表1 17次基于事件的暴雨降水产流产沙参数及聚类分析结果

3. 不同暴雨期间总径流与悬沙输运的关系

图10为典型暴雨条件下志坊沟流域的两个逐时流沙线图。从图10(a)可以看出，在水位上升期间，泥沙浓度随着流量的增加而增加，且水流衰减快，泥沙浓度衰减慢。结果与Cao等(2015)的结论一致，即南方红壤区初始土壤流失量迅速增加，几乎与径流峰值同时达到峰值，随后土壤流失量减少，径流趋于平缓。图10(b)显示，2000年7月14日和1998年8月21日，沙峰始终在洪峰之后。径流汇聚时间较长，径流侵蚀得到充分发展，挟沙能力随河流量的增大而增大，含沙量峰值往往与洪峰同时出现或滞后于洪峰。而在黄土丘陵沟壑区，随着产流后期土壤含水量的增加，黄土抗剪强度降低，径流侵蚀增加，重力侵蚀也频繁发生，使得沙峰滞后于洪峰的概率增大。侵蚀变化的根本原因在于降雨特征，一次事件型暴雨某一阶段的高降雨强度造成的土壤侵蚀量占土壤侵蚀量的大部分。

图11显示了17个典型暴雨观测事件中总悬沙流量与总径流的线性回归关系。在水流曲线的涨潮段，流沙数据点往往落在回归方程线以下，而在涨潮段，数据点则落在回归方程线以上，说明输沙过程滞后于水流过程。这种行为与土地覆盖是一致的，因为尽管次生林和灌木地稀疏，但它们促进了遮阳，抑制了草本层的发育，有利于泥沙分离过程，降低了表面粗糙度。在暴雨、产流、产沙三者关系中，径流量与产沙具有较强的相关性，两者可以简单线性或近似指数关系进行统计回归。

4. 基于事件的降雨样本聚类分析

图12为纸坊沟流域不同事件型暴雨样本的聚类分析结果，识别出了具有相似径流和泥沙产量特征的暴雨事件。例如，1997年5月4日、1997年5月6日和2009年7月7日的三场暴雨事件被归为一类，这些事件的径流持续时间在83-150分钟之间，平均流量在0.005-0.01m³/s之间，峰值流量在0.009-0.012m³/s之间，径流深度在0.002-0.01m之间。

总结讨论

研究基于1997-2010年黄土高原小流域17次暴雨观测数据，对脉冲径流侵蚀事件特征进行了统计分析。结果表明：1)降雨是坡面土壤侵蚀的根本驱动力，但由于入渗过量径流和水土保持措施的影响，降雨-径流和降雨-沙的相关性往往是分散的。2)每次暴雨径流与泥沙的关系可以用线性、幂函数、对数和指数函数进行回归。聚类分析有助于对径流侵蚀事件进行分类，制定暴雨侵蚀土壤保持策略。3)不同程度的脉冲径流侵蚀事件对产沙量的响应特征不同。受降雨强度和持续时间的影响，不同洪水事件的水沙相互作用可能发生较大的变化。研究结果为研究径流侵蚀过程提供了新的思路，有助于黄土丘陵区的水土保持规划。

✎ 编者注

以上总结仅代表个人对论文的理解，仅供研究参考所用，不用于商业用途。若上述理解内容有误，请以论文原文为主。未经同意，禁止转载。

原文链接 ↓

https://www.nature.com/articles/s41598-018-22045-x

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http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIzODYwNzc0NQ==&mid=2247541349&idx=2&sn=9d36f97cc5a536f4a6540bb7051ff355

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