基于植被恢复的黄土高原典型流域次洪水沙特征分析.pdf
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1、第3 7卷第4期2 0 2 3年8月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.4A u g.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 1-1 5 资助项目:陕西省教育厅专项科研计划项目(2 1 J K 0 4 6 4);陕西省科技厅自然科学基础研究计划青年项目(2 0 2 1 J Q-8 3 5);安康学院创新团队引导计划项目(2 0 1 9 AYQ J 1 4);国家自然科学基金项目(4 2 1 7 7 3 3 6)第一作者:韩勇(1 9 8 7-),男,博士,讲师,
2、主要从事土壤侵蚀及其环境演变研究。E-m a i l:h a n y o n g 2 0 0 61 6 3.c o m基于植被恢复的黄土高原典型流域次洪水沙特征分析韩 勇1,2,杨倩楠2,高海东2,许 浩1(1.安康学院旅游与资源环境学院,陕西 安康7 2 5 0 0 0;2.西安理工大学旱区生态水文与灾害防治国家林业和草原局重点实验室,西安7 1 0 0 4 8)摘要:研究大规模植被恢复条件下岔巴沟流域次洪水沙变化,对揭示黄土高原土壤侵蚀演变规律和黄河水沙调控具有重要作用。基于1 0 1场洪水事件,结合N D V I和降雨数据,通过分析不同生态建设时期岔巴沟流域次洪水沙变化特征,选取2场典型
3、洪水事件进行对比,揭示次洪输沙与径流侵蚀能量的关系。结果表明:时期的次洪平均径流量是时期I的1.8 6倍,但平均输沙量仅为0.5 2倍。在4个洪峰流量分级中,时期I的次洪平均输沙模数明显高于时期。与NO.2洪水事件相比,NO.1 0 0洪水事件的径流过程和输沙过程具有良好的同步性,洪水历时更长,洪峰流量、输沙峰值明显较低。时期I和的次洪输沙模数均随径流侵蚀功率的增加而增加,但时期的输沙模数整体低于时期I。研究结果表明大规模植被恢复对黄土高原典型流域次洪输沙的调控作用较径流更为显著。关键词:次洪水;水沙变化;N D V I;径流侵蚀功率;岔巴沟流域中图分类号:S 1 5 7.1 文献标识码:A
4、文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 4-0 2 7 8-0 6D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 4.0 3 4R u n o f fa n dS e d i m e n tC h a r a c t e r i s t i c so fF l o o dE v e n t i nT y p i c a lW a t e r s h e do nt h eL o e s sP l a t e a uB a s e do nV e g e t a t i o nR e s t o r a t i o n
5、HANY o n g1,2,YANGQ i a n n a n2,GAO H a i d o n g2,XU H a o1(1.S c h o o l o fT o u r i s ma n dE n v i r o n m e n t,A n k a n gU n i v e r s i t y,A n k a n g,S h a a n x i7 2 5 0 0 0;2.S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fE c o-h y d r a u l i c s i nN o r t h w e s tA r i dR e g i o no fC h i n
6、a,X ia nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,X ia n7 1 0 0 4 8)A b s t r a c t:T oa n a l y z e r u n o f f a n ds e d i m e n t c h a n g eo f f l o o de v e n t i nt h eC h a b a g o uw a t e r s h e du n d e r t h ec o n d i t i o no fl a r g e-s c a l ev e g e t a t i o nr e s t o r a t i o
7、 np l a y sa n i m p o r t a n t r o l e i nr e v e a l i n gt h ee v o l u t i o n l a wo f s o i l e r o s i o no nt h eL o e s sP l a t e a ua n dt h er e g u l a t i o no fr u n o f fa n ds e d i m e n ti nt h eY e l l o w R i v e r.B a s e do n1 0 1f l o o de v e n t s,c o m b i n e dw i t hN D
8、 V I a n dr a i n f a l l d a t a,t h ep a p e ra n a l y z e dr u n o f f a n ds e d i m e n t c h a r a c t e r i s t i c so f f l o o de v e n ti nC h a b a g o uw a t e r s h e dd u r i n gd i f f e r e n t e c o l o g i c a l c o n s t r u c t i o np e r i o d s,a n ds e l e c t e d t w o t y p
9、 i c a l f l o o de v e n t sf o rc o m p a r i s o nt or e v e a l t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns e d i m e n t t r a n s p o r ta n dr u n o f f e r o s i o ne n e r g y.T h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h ea v e r a g er u n o f f a m o u n to f f l o o de v e n t i nP e r i o d
10、w a s1.8 6t i m e st h a to fP e r i o dI,b u t t h ea v e r a g es e d i m e n ty i e l dw a so n l y0.5 2t i m e s.I nt h ef o u rp e a kd i s c h a r g ec l a s s i f i c a t i o n s,t h ea v e r a g es e d i m e n tt r a n s p o r tm o d u l u so f f l o o de v e n t i nP e r i o dIw a ss i g n
11、i f i c a n t l yh i g h e r t h a nt h a t i nP e r i o d.C o m p a r e dw i t ht h e f l o o de v e n tNO.2,t h er u n o f fa n ds e d i m e n tt r a n s p o r tp r o c e s so fNO.1 0 0i nP e r i o d s h o w e dg o o ds y n c h r o n i z a t i o n,a n dt h e f l o o dd u r a t i o nw a s l o n g e
12、 r.I na d d i t i o n,t h ep e a kf l o wa n dp e a ks e d i m e n t t r a n s p o r tw e r es i g n i f i c a n t l y l o w e r.T h es e d i m e n t t r a n s p o r tm o d u l u so f f l o o de v e n t i nb o t hp e r i o d sIa n d i n c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo f r u n o f f e r o
13、s i o np o w e r,b u t t h es e d i m e n t t r a n s p o r tm o d u l u s i nP e r i o d w a s l o w e r t h a nt h a t i nP e r i o dI.T h er e s u l t ss h o w e dt h a t l a r g e-s c a l ev e g e t a t i o nr e s t o r a t i o np l a y e dam o r es i g n i f i c a n tr o l e i nr e g u l a t i
14、n gs e d i m e n t t r a n s p o r to f f l o o de v e n t t h a nr u n o f f i nt y p i c a lw a t e r s h e do nt h eL o e s sP l a t e a u.K e y w o r d s:f l o o de v e n t;r u n o f f a n ds e d i m e n t c h a n g e s;N D V I;r u n o f f e r o s i o np o w e r;C h a b a g o uw a t e r s h e d
15、作为陆地生态系统的重要组成部分,植被对流域水文循环具有重要的调节作用1。但由于植被、地形、土壤等诸多因素的影响,关于植被能否削减洪峰的争论始终存在2-3。主流观点认为,植被能促进降雨径流再分配,进而减少洪量、削减洪峰,延长洪水历时4-6。但也有学者7-8认为,植被对洪水的调控作用较为有限,尤其是多峰洪水。该观点认为,当流域首个洪峰形成后,植被对降雨径流的拦蓄作用已基本消失,从而对后续洪峰丧失调控作用。甚至有观点9认为,在遭遇连续强降水时,流域因为植被的拦蓄作用而出现洪水叠加现象,导致洪峰流量进一步增大,进而引发洪水灾害。有关黄土高原植被变化对流域洪水径流影响的研究自2 0世纪9 0年代开始就受
16、到广泛重视1 0-1 1。但同样,学界关于植被对黄土高原流域水沙过程的调控效应亦存在不同观点1 2。刘昌明等1 0通过对比黄土高原多条流域认为,植被条件向好会明显减少径流量;而黄明斌等1 3则认为,黄土高原植被具有很好的调洪补枯作用。针对这种情况,有研究1 4通过分析近几十年来黄土高原不同时期的主导水土保持措施,得出流域产水产沙特征呈阶段性变化的结论,且这种阶段性变化以退耕还林(草)工程开展以来最为明显。自1 9 9 9年黄土高原实施大规模生态恢复以来,黄河中游地区植被不断向好,流域径流量和输沙量显著减少,洪水发生频率有所降低1 5,洪水过程特征也发生明显改变1 6-1 7。但其实在植被条件较
17、差的早期,黄土高原流域的洪水过程总体呈现峰高、量小、历时短、洪峰陡涨陡落的特征1 8。随着黄土高原植被条件改善,流域次洪水沙特征也逐渐改变。顾朝军等5通过对比延河流域1 9 7 7年和2 0 1 3年的2次洪水事件发现,相比1 9 7 7年,2 0 1 3年的洪水过程呈现缓升缓降的变化特征,且径流量和产沙量都显著减少,并认为洪水过程中水沙变化主要受植被恢复影响;莫淑红等1 9对岔巴沟流域不同级别洪水事件的分析结果表明,以植被恢复为主的下垫面条件变化,不仅能明显消减大洪水和中洪水的洪峰流量,还能使小洪水的过程曲线变得更加平缓。即使像“72 6”这样的暴雨(2 0 1 7年7月2 6日),无定河流
18、域的长期生态工程建设也对洪峰流量表现出一定的调控能力2 0。此外,植被恢复还改变整个流域的侵蚀动力,尤其是对径流侵蚀能量产生影响2 1-2 2。岔巴沟流域作为黄河中游重要支流,是黄河干流洪水和泥沙的重要来源。研究植被恢复对岔巴沟流域次洪水沙的影响,不仅有利于揭示黄土高原土壤侵蚀演变规律,也能为黄河水沙调控提供科学依据。因此,本研究基于1 0 1场洪水事件的降水、径流和泥沙数据,试图分析不同生态建设时期岔巴沟流域次洪水沙特征,对比不同时期流域次洪水文特性变化,并探讨植被恢复条件下次洪输沙与径流侵蚀能量的关系。研究结果以期为黄土高原生态建设科学推进以及黄河流域生态保护和可持续发展提供理论支持。1
19、数据来源与研究方法1.1 研究区概况岔巴沟流域(3 7 4 3 N,1 0 9 5 5 E)位于黄河中游地区,为无定河流域二级支流,属于黄土丘陵沟壑第一副区。流域面积为2 0 5k m2,形状基本沿主沟道对称(图1),平均海拔10 8 0 m,沟道密度1.0 5k m/k m2。流域气候属于干旱半干旱大陆性季风气候,多年平均降雨量4 5 0mm,降雨年内分布不均,主要集中在79月,且多为短历时强降雨。流域内沟道发育,地形破碎复杂,土壤结构松散,水土流失严重。图1 岔巴沟流域位置、雨量站和水文站分布1.2 数据来源N D V I(归一化植被指数)摘录自G I MM SN D V I和MO D I
20、 SN D V I数据集。其中,G I MM SN D V I数据集的时间序列为1 9 8 12 0 1 5年,空间分辨率为8k m,时间分辨率为1 5天;MO D I SN D V I数据集时间序列为2 0 0 02 0 2 0年,空间分辨率为2 5 0m,时间分辨率为1 6天。为保证N D V I数据序列长度,需对G I MM SN D V I数据集和MO D I SN D V I数据集进行合成,具体方法2 3为:(1)将S R TM 9 0 m分 辨 率D EM利用G I MM SN D V I数据和MO D I SN D V I数据重新采样成8k m,并分别计算坐标及地形参数;(2)分
21、别利用G I MM SN D V I栅格和MO D I SN D V I栅格对9 0m D EM做区域统计运算,提取各自的高程信息;(3)用G I MM SN D V I对MO D I SN D V I数据做区域统计运算,提取G I MM SN D V I栅格内的N D-V I均值;(4)将G I MM SN D V I栅格转化成点,用点提取坐标、地形因子(高程、坡度、坡向等)及N D V I均值,用这些因子进行多元线性回归,并保留残差;(5)将残差做克里金插值得到残差插值曲面,导出为2 5 0m分辨率栅格数据;(6)利用最大合成法将时间分辨率为1 5/1 6天的G I MM SN D V I
22、数据和MO D I SN D V I数据分别合成月N D V I,后用m a x函数分别获972第4期 韩勇等:基于植被恢复的黄土高原典型流域次洪水沙特征分析取其最 大 值,作 为 年N D V Im a x;(7)将2个 数 据 集2 0 0 02 0 1 5年的年N D V Im a x进行相关分析及一致性检验,且满足要求(R=0.9 5 73,p 0.0 0 1)。通过上述方式处理,最终得到研究区1 9 8 12 0 2 0年的N D V I数据。次洪水事件是指从径流量增加至超过基流量开始,到径流量减少至基流量为止的整个过程2 4。次洪水事件的降雨量、径流和泥沙数据均摘录自 黄河流域水文
23、手册(1 9 7 0-1 9 9 0年、2 0 0 6-2 0 1 8年)2 5,其中,降雨量为小时数据,径流、泥沙浓度数据为小时过程线。因此,需先利用数字滤波法2 6将每个径流过程线的基流量去除掉,进而获得真实的洪水过程以及径流量和洪峰流量。接着从这些洪水过程中筛选洪峰流量大于5 m3/s,且有对应泥沙数据的事件。最终,从3 4年的数据中筛选出1 0 1场次洪水事件,并根据发生时间顺序命名为NO.1,NO.2,NO.1 0 1。1.3 计算方法1.3.1 输沙量(s e d i m e n td i s c h a r g e,S Y)根据泥沙数据特征,本文定义单次洪水输沙量计算公式:S Y
24、=nn=212qn-1sn-1+qnsn()tn-tn-1()(n=2,3,m-1,m)(1)式中:S Y为单次洪水输沙量(k g);q为单次洪水某段时间内的径流量(m3/s);s为单次洪水某段时间的泥沙量(k g/m3)。1.3.2 降雨侵蚀力(r a i n f a l l e r o s i v i t y,R E)计算降雨侵蚀力时,须先对次降雨进行筛选(次降雨的划分标准为降雨量超过5mm或降雨间歇超过6h2 7)。对照所筛选的次降雨,从 黄河流域水文手册2 5的次降雨记录表中摘录出时段雨量。降雨侵蚀力计算采用章文波等2 8提出的公式:R E=lr=1(erVr)(2)er=0.2 91
25、-0.7 2 e x p-0.0 5ir()(3)式中:ir为 时 段 雨 强(mm/h);er为 单 位 降 雨 动 能M J/(h m2mm);Vr为时段雨量(mm);l为时段数目。1.3.3 径流侵蚀功率(r u n o f f e r o s i o np o w e r,R E P)单次洪水事件的径流侵蚀功率计算参考鲁克新等2 1提出的公式:R E P=QmH(4)式中:H为径流深度(m);Qm为洪峰流量模数m3/(sk m2);R E P为径流侵蚀功率m4/(sk m2)。2 结果与分析2.1 N D V I变化特征近几十年,尤其自1 9 9 9年退耕还林还草工程启动以来,黄土高原
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