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《中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心》 2017年
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延河与皇甫川流域典型淤地坝淤积特征及其对输沙变化的影响

魏艳红  
【摘要】:黄土高原严重的水土流失及其对黄河输沙的影响一直都是相关研究的热点问题。近年来,黄河输沙量快速减少,潼关站年均输沙量已由上世纪70年代前的16.0亿t锐减到2000–2015年的2.6亿t,已明显改变了以往人们对黄河泥沙的认识。自1999年退耕政策实施以来,经过十多年的恢复发展,至今已初见成效,林草措施和淤地坝建设的同步发展,极大地改善了自然生态环境。然而,淤地坝的实际拦沙量对黄河输沙量减少的贡献如何?以及现存淤地坝的淤积速度与拦淤潜力如何?这些都是认识近年来黄河输沙量锐减的重要环节,目前还尚不清楚。因此,本研究以黄河中游典型支流延河和皇甫川为例,通过详细的野外调查选取具有不同代表性的2个坝系和5个单坝作为研究对象,根据钻孔取样、淤积层次甄别及与产流降雨事件的对应分析,结合1:10000地形图与全站仪测量,建立淤地坝库容曲线来估算泥沙淤积量,进而反演坝控流域的产沙特征,并结合已有研究资料估算不同年代典型支流淤地坝的拦沙量,研究淤地坝拦沙作用对支流输沙变化的影响及贡献。取得如下主要结果:(1)库容曲线法能够更好地拟合建坝前的沟道形态,其应用和推广能够较准确地计算出淤地坝的泥沙淤积量。其中,延河和皇甫川流域各淤地坝旋廻层淤积量大小差异明显,这与淤地坝建坝时间和坝控面积大小有关。(2)延河和皇甫川各坝控流域在次、年尺度下的产沙模数变化差异较大。延河坊塌和皇甫川满红沟各坝控流域次产沙模数最大值分别是最小值的6~23倍和9~13倍;延河坊塌流域最大的次和年产沙模数均出现在坊塌1号坝,主要是由于该坝运行时间早,其坝控流域治理度低而导致流域产沙模数大;而皇甫川满红沟流域最大的次和年产沙模数均出现在麻耗沟坝,除了建坝时间早,也与该坝坝控面积较小有关。(3)小流域年产沙模数随时间变化呈显著减小趋势。进入21世纪以来,延河坊塌和皇甫川满红沟流域的年均产沙模数分别为2094.3 t/(km2·a)、12305.7 t/(km2·a),均大于该区的允许土壤流失量。(4)由于不同淤地坝控制流域内下垫面特征的不同,流域的最小产沙降雨量存在着差异,延河流域坝系和单坝的最小产沙降雨量均大于皇甫川流域。其中,延河坊塌流域的产沙降雨量30 mm,马家沟单坝20 mm,而皇甫川满红沟流域20 mm,特拉沟单坝在10 mm左右。不同淤地坝集水区及小流域的产沙模数和产沙降雨量在次、年尺度上均呈显著的相关关系。(5)由于有效的水土保持措施,延河和皇甫川流域淤地坝的拦沙量在逐渐减少。而在2010-2015年的暴雨年份,淤地坝年均拦沙量较2000-2009年增加了两倍以上,可见在暴雨年份淤地坝的拦沙作用依然显著。(6)降水变化对输沙减少的影响在突变后逐渐减弱,人类活动的影响却在逐渐增强,而淤地坝的拦沙贡献则相反。2000年以后延河与皇甫川输沙量减幅达到85%以上,而淤地坝拦沙量的贡献率分别小于10%和20%,说明淤地坝的拦沙作用在减弱,而植被的减沙作用在增强。延河与皇甫川流域由于土壤侵蚀环境的不同,特别是植被恢复效果的差异性,淤地坝在皇甫川流域对输沙减少的贡献比在延河流域要大。(7)土壤侵蚀仍然是黄土高原地区主要的生态环境问题,特别是在以砒砂岩为主的流域,今后需要投入更多的努力加强水土保持管理。
【关键词】:淤地坝 沉积旋廻 流域产沙 输沙量 延河 皇甫川 土壤侵蚀
【学位授予单位】:中国科学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】:2017
【分类号】:S157
【目录】:
  • 致谢5-7
  • 摘要7-9
  • Abstract9-15
  • 第1章 绪论15-31
  • 1.1 研究背景与意义15-16
  • 1.2 国内外研究进展16-28
  • 1.2.1 淤地坝发展概况16-21
  • 1.2.2 淤地坝泥沙淤积量估算及淤积特征研究21-24
  • 1.2.3 淤地坝减水减沙作用研究24-25
  • 1.2.4 河流水沙变化研究25-28
  • 1.3 研究目标与内容28-29
  • 1.3.1 研究目标28-29
  • 1.3.2 研究内容29
  • 1.4 技术路线29-30
  • 1.5 小结30-31
  • 第2章 研究区及淤地坝建设概况31-40
  • 2.1 支流概况31-36
  • 2.1.1 地理位置31
  • 2.1.2 地形地貌31-33
  • 2.1.3 土壤33
  • 2.1.4 植被33-34
  • 2.1.5 气候34
  • 2.1.6 水土保持34-36
  • 2.2 淤地坝的建设概况36-39
  • 2.2.1 延河流域36-38
  • 2.2.2 皇甫川流域38-39
  • 2.3 小结39-40
  • 第3章 典型淤地坝泥沙淤积量的估算40-71
  • 3.1 研究方法40-55
  • 3.1.1 典型坝选取及坝控流域特征40-43
  • 3.1.2 野外探测与样品分析43-45
  • 3.1.3 淤地坝库容曲线与DEM的建立45-48
  • 3.1.4 淤地坝淤积剖面旋廻层次判别48-49
  • 3.1.5 淤积量计算49
  • 3.1.6 淤积层次与产流降雨事件的对应关系49-55
  • 3.2 结果与分析55-67
  • 3.2.1 淤地坝淤积剖面的粒径特征55-59
  • 3.2.2 淤地坝运行期间的淤积总量59-61
  • 3.2.3 淤地坝淤积旋廻及其淤积量61-66
  • 3.2.4 淤地坝当前淤积量监测66-67
  • 3.3 讨论67-69
  • 3.3.1 淤地坝淤积泥沙的粒径分布特征67-68
  • 3.3.2 淤地坝泥沙淤积量估算方法68-69
  • 3.4 小结69-71
  • 第4章 典型坝控流域产沙特征反演71-97
  • 4.1 研究方法72-74
  • 4.1.1 产流降雨资料的统计与分析72
  • 4.1.2 坝控流域产沙模数计算72
  • 4.1.3 非参数统计检验法72-74
  • 4.1.4 小流域土地利用类型的获取74
  • 4.2 结果与分析74-90
  • 4.2.1 不同淤地坝控制流域次产沙模数变化特征74-78
  • 4.2.2 不同淤地坝控制流域年产沙模数变化特征78-80
  • 4.2.3 小流域产沙变化特征80-83
  • 4.2.4 小流域产沙与降雨、下垫面条件的关系83-90
  • 4.3 讨论90-95
  • 4.3.1 淤地坝对流域土壤侵蚀的影响90-91
  • 4.3.2 坝控流域的产沙模数91-93
  • 4.3.3 降雨对流域产沙的影响93-94
  • 4.3.4 下垫面对流域产沙的影响94-95
  • 4.4 小结95-97
  • 第5章 典型支流淤地坝拦沙对输沙变化的影响97-113
  • 5.1 研究方法97-100
  • 5.1.1 数据源97
  • 5.1.2 输沙年际变化特征值97-98
  • 5.1.3 淤地坝拦沙量估算98-99
  • 5.1.4 双累积曲线法99-100
  • 5.2 结果与分析100-109
  • 5.2.1 典型支流输沙量变化特征100-102
  • 5.2.2 典型支流淤地坝的拦沙量102-103
  • 5.2.3 典型支流输沙变化对淤地坝拦沙的响应103-105
  • 5.2.4 淤地坝拦沙对支流输沙减少的贡献105-107
  • 5.2.5 淤地坝对支流泥沙输移的影响107-109
  • 5.3 讨论109-111
  • 5.3.1 淤地坝的拦沙作用109-110
  • 5.3.2 淤地坝对下游径流泥沙的影响110-111
  • 5.4 小结111-113
  • 第6章 结论113-117
  • 6.1 主要结论113-115
  • 6.1.2 淤地坝泥沙淤积量的估算113-114
  • 6.1.3 坝控流域产沙特征114
  • 6.1.4 淤地坝拦沙对输沙变化的影响114-115
  • 6.2 有待进一步研究的问题115-117
  • 参考文献117-129
  • 个人简介129-130

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