于径流侵蚀功率的流域次暴雨输沙模型研究——以岔巴沟流域为例

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1、基于径流侵蚀功率的流域次暴雨输沙模型研究以岔巴沟流域为例第25卷第3期2008年6月长江科学院院报JournalofVanzeRiverScientificResearchInstituteVo1.25No.3Jun.2008文章编号:10015485(2008)03003104基于径流侵蚀功率的流域次暴雨输沙模型研究以岔巴沟流域为例鲁克新,李占斌,李鹏,鞠花(西安理工大学a.西北水资源与环境生态教育部重点实验室.理学院,西安710048)摘要:流域次暴雨侵蚀产沙模型研究是国内外土壤侵蚀研究的重点领域之一.提出了基于径流深和洪峰流量模数两个流域次暴雨洪水特征参数的径流侵蚀功率的概念;利用岔巴沟

2、曹坪水文站1959至1990年间历年实测的次暴雨洪水径流泥沙资料,系统研究了该流域次暴雨径流侵蚀功率与流域输沙模数之间的相关关系,建立和验证了基于径流侵蚀功率的岔巴沟流域次暴雨输沙模型.结果表明,岔巴沟流域次暴雨径流侵蚀功率与流域输沙模数之间具有极显着的幂函数相关关系;模型验证期的次暴雨输沙模数模拟值与实测值之间具有较好的一致性.关键词:流域;次暴雨;输沙模数;径流侵蚀功率;模型中图分类号:S157文献标识码:A大量研究表明,黄土高原大部分流域的年产沙量主要是由于每年汛期内一场或几场短历时,高强度暴雨造成的1-3.流域侵蚀产沙模型研究特别是流域次暴雨侵蚀产沙模型研究是国际土壤侵蚀研究的重点领域

3、之4-19.建立结构简单,计算方便的流域次暴雨侵蚀产沙模型对于黄土高原流域水土资源综合管理,水土流失防治,水土流失区域的良性生态环境的改善和恢复都具有重要的理论与实际意义.本文提出了表征水蚀过程侵蚀动力的流域次暴雨径流侵蚀功率的概念以及利用洪峰流量模数和径流深2个流域次暴雨洪水过程特征参数计算径流侵蚀功率的方法;并以岔巴沟曹坪站以上流域为研究对象,利用该站1959至1990年问实测的次暴雨径流泥沙资料,分析计算了岔巴沟流域的次暴雨径流侵蚀功率,并对径流侵蚀功率与流域次暴雨输沙模数之问的相关关系进行了研究,并初步将径流侵蚀功率应用于流域次暴雨输沙模数预报.1径流侵蚀功率的理论基础流域产流产沙过程

4、是一个极其复杂的物理过程,它是降雨与流域下垫面相互作用的结果,从数学意义上讲,则是从降雨和流域下垫面到流域出口产流产沙的一种高度非线性的映射关系.次暴雨条件下流域出口断面处的洪水过程特征是降雨与流域下垫面相互作用的最终体现.同时,雨滴击溅和地表径流不仅是流域坡面和沟道侵蚀产沙的根本动力,而且还是泥沙输运的主要载体,径流的多少在很大程度上决定了被输送的侵蚀泥沙的多少.因此,流域出口处的洪水过程特征间接反映了降雨和流域下垫面特性对流域侵蚀产沙的综合影响.径流深H和洪峰流量Q是反映流域次暴雨洪水过程特征的2个重要参数.径流深代表次暴雨在流域上产生洪水总量的多少,间接反映了降雨量的大小以及流域下垫面对

5、降雨再分配作用的强弱;而洪峰流量则代表洪水的强度,间接反映了降雨的时空分布特征和流域下垫面对径流汇流过程的影响.国内外学者一般采用H和Q的组合因子或单因子计算流域的产沙量4-7,13-17.上述研究结果表明,无论是径流深和洪峰流量的组合因子还是单因子,它们与流域次暴雨产沙量的相关程度都很高,说明H和Q是流域次暴雨侵蚀产沙的2个重要侵蚀动力因子.由此,可将表征流域次暴雨侵蚀产沙量大小的参数输沙模数表示为H和Q的函数,即=-厂(H,Q),(1)式中:M为流域次暴雨输沙模数;H和Q分别为次暴雨径流深和洪峰流量.如上所述,H和Q分别反映了流域次暴雨洪水的某些特性,但均不能反映次暴雨洪水的综合特性,特别

6、是在侵蚀产沙方面的特征.为消除流域面积的影响,本文将次暴雨洪水的径流深和洪峰流量模数的乘积作为流域次暴雨侵蚀产沙的侵蚀动力指收稿日期:20080314基金项目:国家自然科学基金资助项目(40771124);国家重点基础研究发展计划项目(2007CB407206)作者简介:鲁克新(1974一),男,山东新泰人,讲师,主要从事土壤侵蚀与水土保持等方面的研究,(电话)029-82312651(电子邮箱)1kx2942163C0.32长江科学院院报2008年标,并令E=QH,(2)式中:H为次暴雨径流深,mm;Q为洪峰流量模数,m3/(s?km2),其大小等于次暴雨洪水洪峰流量与流域面积的比值.为了进

7、一步明确指标E的物理含义,对式(2)进行如下变换:E=Q=?=?:?W?V=pgWV=?FV.(3)叶令Con=,则:门E=Con?FV.(4)式中:w为次暴雨的径流总量,m;E为径流深H和洪峰流量模数Q的乘积,m4/(S?km2);A为流域面积,m2;A为与Q对应的流域出口断面的过水面积,m2;V为流域出口断面与Q对应的平均流速,m/s;JD为水的密度,kg/m;g为重力加速度,m/s2;F为力,N.从公式(4)可以看出,指标E具有功率的量纲,它综合表征了在流域次暴雨产输沙过程中降雨和地表径流产沙,输沙的能力,因此定义指标E为径流侵蚀功率.2岔巴沟流域概况【14,22J岔巴沟流域位于黄土高原

8、丘陵沟壑区的第一副区,是无定河的一级支流大理河的支流.流域控制水文站曹坪站控制流域面积为187.0krn2,流域形状基本对称,沟道长24.1km.流域内沟壑纵横,沟谷发育剧烈,地貌支离破碎,沟壑密度为1.05km/km2.岔巴沟流域属于干燥少雨的大陆性气候,1959至1969年的实测资料表明,多年平均降水量约为480.0nlin,降雨季节分配不均,7至9月的降雨量约占全年总降雨量的70%,且多集中于几场高强度,短历时的暴雨中;年平均温度约8,最高气温38,最低气温一27,霜冻期约半年.由于流域内土质疏松,坡度陡峻,土地利用不合理,加之植被稀疏,降雨强度大等原因,流域内土壤侵蚀极为严重,流域平均

9、侵蚀模数22200t/(km?a),最大侵蚀模数达71100t/(In2?a),最小亦为2110t/(?a).该流域内暴雨洪水的特点为暴雨历时短,雨强大,洪水含沙量高,输沙量大,全年输沙量主要集中于年内少数几场大洪水中.岔巴沟流域治理工作始于1959年,治理措施以治沟为主,治坡为辅,工程措施为主,生物措施为辅.自1983年开始,岔巴沟流域被列入无定河重点治理区,主要进行以治坡为主的梯田,造林,种草建设.截止至1993年汛前,岔巴沟流域水土保持治理程度已达70%以上.3流域次暴雨输沙模型的建立及验证根据研究的需要,本文收集了岔巴沟流域曹坪站1959至1990年期间(缺少1970年)历年实测最大含

10、沙量大于100.0kg/m3的次暴雨洪水泥沙资料(合计139场);在此基础上,分析计算了各次洪水的洪峰流量模数,径流深和流域输沙模数以及相应的次暴雨径流侵蚀功率.3.1资料选取与划分本文将上述139场径流泥沙资料按发生年限划分为1959至1980年,1981至1990年2个研究时段,其中1959至1980年期间的103场资料用于岔巴沟流域次暴雨径流侵蚀功率与流域输沙模数之间的关系模型的建立;而1981至1990年期间的36场资料用于上述所建立的输沙模型的验证.3.2流域次暴雨输沙模型的建立图1为在双对数坐标系中点绘的岔巴沟流域曹坪站1959至1980年期间103场实测次暴雨洪水的径流侵蚀功率和

11、流域侵蚀模数之间的关系散点图.从图中点据的分布情况可以看出,在研究时段内,岔巴沟流域次暴雨输沙模数随着径流侵蚀功率的增大而增大,说明次暴雨径流侵蚀功率与流域产沙模数之间具有较好的相关关系.g糕螭径流侵蚀功率/(m4?S-I.km0)图1岔巴沟流域曹坪站径流侵蚀功率与流域输沙模数关系图Fig.1CorrelationofrunofferosionpowerandwatershedsedimenttransportmodulusatCaopingStationofChabagouWatershed根据图1中点据的分布规律,通过回归分析,建立的用于描述1959至1980年期间的各场次暴雨洪水的径流侵

12、蚀功率与侵蚀模数之间的定量关系的幂第3期鲁克新等基于径流侵蚀功率的流域次暴雨输沙模型研究以岔巴沟流域为例33函数型回归方程:73420.0E.?,R=0.9713,=103.(5)经分析计算,公式(5)的F检验值为3413.2.取a=0.05,由F分布表查得F095(1,101)=3.94,而3413.23.94,因此公式(5)通过a=5%的检验,具有较高的置信度.3.3流域次暴雨输沙模型的验证基于水沙响应关系回归方程(式5),以岔巴沟流域曹坪站未参与建模的1981至1990年期间36组次暴雨洪水的径流侵蚀功率计算值为输入数据,对相应各场次的侵蚀模数进行预测,进而将侵蚀模数的预测值与实测值进行

13、对比分析,并用相对误差合格率和NashSutcliffe效率系数来验证公式(5)的精度与合理性.经分析计算,在岔巴沟流域1981至1990年期间的36场次暴雨洪水中,次暴雨侵蚀模数预测值与实测值相对误差小于10%的场次共14场,占总场次的38.9%;相对误差小于20%的场次共25场,占总场次的69.4%;相对误差小于30%的场次共30场,占总场次的83.3%;相对误差小于35%的场次共33场,占总场次的91.7%;相对误差大于35%的场次共3场,占总场次的8.3%;总平均相对误差为l9.5%.图2为岔巴沟流域1981至1990年间次暴雨输沙模数计算值与实测值比较图.f互毫辍据暴湘场次(场)图2

14、岔巴沟流域19811990年间次暴雨输沙模数计算值与实测值比较图Fig.2Comparisonofcalculateddataandmeasuredonesofsedimenttransportmodulusforsinglerainstormfrom1981to1990inChabagouWatershed从图2可以看出,利用公式(5)计算得到的岔巴沟流域1981至1990年期间各次暴雨洪水的输沙模数预测值与实测值的变化曲线吻合良好.经计算,NashSutcliffe效率系数为0.94.4结论本文在借鉴前人已有研究成果的基础上,提出了基于径流深和洪峰流量模数两个流域次暴雨洪水特征参数的径流侵

15、蚀功率的概念;利用岔巴沟流域1959至1990年间历年实测的次暴雨洪水径流泥沙资料,系统研究了次暴雨径流侵蚀功率与流域输沙模数之间的相关关系,并建立和验证了基于径流侵蚀功率的岔巴沟流域次暴雨输沙模型.研究结果表明,岔巴沟流域次暴雨径流侵蚀功率与流域输沙模数之间具有极显着的幂函数相关关系;1981至1990年间历年次暴雨输沙模数实测值与模拟值之间具有较好的一致性.本文研究成果可以用于岔巴沟流域人类活动剧烈扰动下的流域次暴雨侵蚀产沙预报.参考文献:1李壁成.小流域水土流失与综合治理遥感监测M.北京:科学出版社,1995.2王万忠,焦菊英.黄土高原降雨侵蚀产沙与黄河输沙M.北京:科学出版社,1996

16、.3李占斌,符素华,解建仓.窟野河流域暴雨侵蚀产沙研究J.水利学报,1998,(1):1823.4DRAGOUNFJ.Rainfal1EnergyasRelatedtoSedimentYieldJ.JournalofGeophysicalResearch.1962,67(4):14951506.5WILLIAMSJR,BERNDTHD.SedimentYieldPredictionBasedonWatershedHydrologyJ.TransactionoftheASAE,1977,20(6):11001104.6江忠善,宋文经.黄河中游黄土丘陵沟壑区小流域产沙量计算C第一次河流泥沙国际学术

17、讨论会文集.北京:光华出版社,1980:6372.7牟金泽,熊贵枢.陕北小流域产沙量预报及水土保持措施拦沙计算C第一次河流泥沙国际学术讨论会文集.北京:光华出版社,1980:7382.8尹国康,陈钦峦.黄土高原小流域特性指标与产沙统计模式J.地理学报,1989,44(1):3244.9王孟楼,张仁.陕北岔巴沟流域次暴雨产沙模型的研究J.水土保持学报,1990,4(1):1118.10王治华,黄联捷.降雨与流域产沙一黄土高原产沙模型研究之-j.中国科学(B辑),1992,(9):19871993.11曹文洪,张启舜,姜乃森.黄土地区一次暴雨产沙数学模型的研究J.泥沙研究,1993,(1):113

18、.12李占斌,符素华,靳顶.流域降雨侵蚀产沙过程水沙传递关系研究J.土壤侵蚀与水土保持学报,1997,3(4):4449.13李怀恩,沈冰,樊尔兰.黑河流域水沙模型及其应用J.土壤侵蚀与水土保持学报,1999,5(4):6265.14蔡强国,刘纪根,刘前进.岔巴沟流域次暴雨产沙统计模型J.地理研究,2004,23(4):434439.15肖学年,崔灵周,李占斌.黄土高原小流域水沙关系空间变异研究J.水土保持研究,2004,11(2):140142.16黎四龙,蔡强国,吴淑安.次降雨侵蚀量的计算J.泥沙研究,1999,(1):4955.17田永宏,郭玉梅,张庆伟,等.黄丘一区一次降雨条件下的产流

19、产沙计算J.中国水土保持,1997,(2):14长江科学院院报2008年18.18蔡强国,陆兆熊,王贵平.黄土丘陵沟壑区典型小流域侵蚀产沙过程模型J.地理学报,1996,51(2):108117.19毕华兴,朱金兆,张学培.晋西黄土区小流域场暴雨径流泥沙模型研究J.北京林业大学学报,1998,20(6):1419.20李景玉,张楠,王荣彬.黄河流域土壤侵蚀产沙模型研究进展J.地理科学进展,2006,25(2):103111.21王占礼,黄新会,牛振华.国内主要流域侵蚀产沙模型评述J.水土保持研究,2004,11(4):2833.22张胜利.黄河中游多沙粗沙区水沙变化原因及发展趋势M.郑州:黄河

20、水利出版社,1998.(编辑:刘运飞)PredictionofWatershedSedimentTransportforSingleRainstormBasedonRunoffErosionPowerLUKe-xina,LIZhan-bina,LIPeng,JUHuab(a.KeyLabofNorthwestWaterResourcesandEnvironmentalEcologyofMinistryofEducationatXianUniversityofTechnology,Xian710048,China;b.SchmlofScience,XianUniversityofTechnolc

21、,y,Xian710048,China)Abstract:Apredictionmodelofrainfallerosionandsedimentyieldofawatershedforsinglerainstormeventisoneofkeystudyissuesofsoilerosionathomeandabroad.Onthebasisofthetwocharacteristicvaluesoffloodhydrograph,i.e.peakdischargemodulusandrunoffdepth,theconceptofwatershedrunofferosionpowerfor

22、singlerainstormeventwasproposed,AccordingtothehistoricallyobserveddataofrunoffandsedimentinsinglerainstormeventofChabagouwatershedduringtheperiodfrom1959to1990,thecorrelationofrunofferosionpowerandwatershedsedimenttransportmoduluswassystematicallyanalyzed.Then,thepredictionmodelofsedimenttransportfo

23、rsinglerainstormeventofChabagouwatershedbasedonrunofferosionpowerwasestablishedandvalidated.Theresultsindicatedthatanextremelysignificantpowerfunctioncorrelationexistedbetweenrunofferosionpowerandwatershedsedimenttransportmodulus,andthesimulatedvaluesofsedimenttransportmodulusfromtheestablishedmodel

24、forsinglerainstormeventduringtheperiodfrom1981to1990wereingoodaccordancewiththeobservedones.words:watershed;singlerainstormevent;sedimenttransportmodulus;runofferosionDower;model(上接第30页)StudyonThresholdofChannelInformationExtractioninHillyRegionofLoessPlateauCHENTao,ZHUJinzhao,MAHao,ZHANGMingfang2(1

25、.SchoolofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,13eijing100083,China;2.SchoolofEnvironmentandNaturalResources,RenminUniversityofChina,Beijin100872,China)Abstract:Channelisthebasicparameterofhydrologicinformation,theaccurateextractionofchannelinfolTnationprovidesaprerequisitefortheconstru

26、ctionofhydrologicmodelandtheclassificationoftheriverbasin.Atpresent,rivernetworkrecognitionmethodhasoftenbeenusedtoextractchannelinformation.However,theselectionofthresholdvaluemustbechangedforthedifferentriverbasins.Thispapertakesthedifferentwatershedsinhillyregionsofloessplateauasanexample,selects

27、DEMwithdifferentresolutionsrespectively,usesdifferentthresholdvaluestoextractchannelinformation,researchestheeffectofDEMresolutiontochannelinformationextraction,andfinallyverifiesthethresholdrangebasedontheactuallygullydensity.Astheresult,areasonablethresholdrangeissuggested,whichissuitableforthechannelinformationextractioninhillyregionsofloessplateau,Theresultalsoindicatesthatthechannelinformationextractedfromdifferentwatershedsintheresearchareahavecertainsimilarityintheirgullydensity.Keywords:channel;thresholdvalue;DEMresolution;loessplateau