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黄河流域典型支流水循环机理研究

    责任编辑:裴亮 来源:

  一、研究背景

  黄河流域黄土高原地区总面积约64万平方千米,其中水土流失面积45万平方千米,其中水土流失最强烈的地区是黄土丘陵沟壑区和黄土高原沟壑区,地形破碎,植被稀少,年侵蚀模数可达1—3万吨/平方千米,是黄河泥沙的主要来源地。经过多年治理,黄土高原水土流失区初步治理面积达到了18万平方千米,其中修建基本农田约10万亩,造林1.3万多万亩,人工种草0.4万多亩,修建骨干工程和淤地坝10万多座。流域下垫面、植被等环境条件发生了很大变化。随着下垫面条件的变化,流域水文过程的各个环节也相应发生变化,如蒸发、入渗、产流的量会加大或减小,水循环的路径和速率也会发生变化,也就是说,利用原来的降水-径流关系不能反映土地利用/土地覆被变化后的流域降水径流形成规律和水文循环过程,分析人类活动(土地利用/土地覆被变化)对流域降水—径流形成规律的影响成为当今我国水文循环研究的关键问题。开展水循环时空变化及其影响机理的科学研究,不仅对于揭示自然变化尤其是人类活动,如生态环境建设影响下的水循环演化规律认识,对流域入黄水量减少的原因,有十分重要的科学价值,而且对于解决黄河流域水资源评价中还原水量计算问题、对于变化环境下的水资源规划管理等,有着重要的意义。为此,2003年国家自然科学基金设立“黄河流域典型支流水循环机理研究”课题(No.50239050)对黄土沟壑区变化环境下的水循环机理进行研究。

  二、研发过程

  本研究运用地球系统科学理论,坚持室内实验与野外实验相结合,点、面不同尺度相结合,传统水文实验与环境同位素技术相结合的原则,全面研究高强度人类活动影响下的黄河流域典型支流水循环规律,建立适宜的流域水文模拟模型,分析变化条件下人类活动对流域水文过程的影响程度。基本思路是采用水文物理实验观测手段,认识坡面水循环过程中的“降水—地表水—土壤水”之间的水量转换过程机理;采用同位素示踪原理研究流域水循环“降水—地表水—土壤水—地下水”相互作用关系;基于高分辨率的遥感信息研究陆面土地利用/覆被变化对水循环的影响,在流域水循环机理认识和集成的综合基础上,建立流域水文循环分布式模型,量化自然变化和人类活动对水循环以及水资源形成规律的影响。

  三、项目内容简介

  本项目选取黄河流域黄土沟壑区水土流失治理比较好的典型支流,即一级入黄支流无定河上的大理河作为典型支流,其一级支流小理河作为研究区域,岔巴沟作为实验流域,曹坪西沟作为径流实验场区,三级流域相互嵌套,从点到面,将水文实验和水文模拟技术有机地相互结合,深入揭示变化环境条件的黄土丘陵沟壑区的水循环机理。

  (一)水循环实验

  结合以往的历史观测成果,选取黄河中游一级支流无定河的岔巴沟流域,并在岔巴沟曹坪水文站基本断面下游约50m处右岸支沟曹坪西沟设立实验小流域进行水循环实验。实验小流域内共建设有雨量观测及雨水样采集站点3个,土壤水观测站2个,土壤墒情(旱情)监测系统4个,被覆不同的小型径流实验场2个和标准气象场1处。2个径流实验场坡度均为15°17′,分别为天然草地和荒地。四周均由混凝土立墙与周围隔开,彼此水分循环相对独立。为解决实验期内由于自然降雨次数不足而造成的资料稀少问题,并配备了人工降雨设施。

  实验观测项目主要有降水、水化学成分、地下水位、水面蒸发量、土壤蒸发量、土壤含水率、土壤储水量、气温等。

  2004—2006年野外实验采集到的水文气象要素、同位素、土壤水等数据84万多条。

  (二)变化环境下黄土沟壑区水循环机理认识

  1、通过对裸地和草地的径流观测实验发现,裸地土壤对降雨径流的调节能力差,而草地由于其特殊的生物功能改善了土壤结构,使得土壤对降雨有较好的储蓄调节功能,但这种功能随降雨强度增加而明显减弱。前期土壤含水量对草地产流过程的影响差异小于裸地的影响差异。

  2、通过对不同下垫面条件的土壤水分观测发现,降雨过程中的蒸发以及降水过程的连续性,对于黄土土壤层的水分补给影响很大,连续的降水形成的有效补给比重最大。天然降雨条件下,降雨几乎无法入渗到30cm到50cm处,50cm成为黄土丘陵沟壑区的零通量面。表层10cm土壤水分受下垫面的影响最大, 耕地对降水的响应较荒坡迅速。20cm—30cm层土壤水分对小降雨事件几乎没有响应,20cm对降雨的响应仅在日降雨量33mm时有所反映,30cm响应的降雨则更高。

  在不同的降雨强度下,草地的土壤水转化率明显高于裸地,随着雨强的增加,二者的土壤水转化率均明显下降,但仍缓慢上升。在实验雨强较小时(22mm/h),草地的土壤水转化率可达0.9以上,如果雨强更小,可能不产流。

  翻耕对土壤水分的入渗过程有明显影响,不但整个降雨入渗过程发生了变化,翻耕之后土壤水分转化量可以达到原先转化量的1.5-2.5倍,因此人为活动(主要是耕作)对黄土丘陵沟壑区的径流减少起决定性作用。

  3、通过对降水、地下水同位素水样组分的对比分析发现,降水对地下水的补给并非来自当年降水的简单补给过程,而是经过缓慢的下渗,经过黄土层时水分经过充分混合之后才到达地下水面。地下水同位素组分充分融合了降水的同位素组分。在丘陵沟壑区小雨量降水很难到达地下水面形成对地下水形成有效补给。

  4、通过对岔巴沟地表水、地下水同位素水样组分的对比分析发现,流域内地表水和地下水都经历了强烈的蒸发作用,且前者比后者略强。旱季和雨季初,地下水是地表水的主要来源,而雨季中后期,地表水是地下水和降水混合作用的产物。旱季25mm降水18天后对西庄处地下水形成了50%以上的补给量;靠近沟道的地下水与地表水相互作用密切。

  (三)变化环境下黄土沟壑区水循环过程模拟技术

  1、在深入认识黄土沟壑区水循环机理的基础上,建立了适合黄土沟壑区的月、日、时三级分布式时变增益水文模型。该模型将非线性系统理论与水文物理过程相结合,能够适应不同的资料条件,有较好的模拟精度。从大理河、小理河、岔巴沟不同空间尺度流域的模拟结果来看,必须考虑降水空间的变异性,这样才不会遗漏局部高强度降水与降水的空间分布信息。

  2、基于流域下垫面变化与暴雨产流产沙的响应与耦合关系,在岔巴沟流域建立了分布式流域侵蚀产沙模型,揭示了黄土沟壑区暴雨产沙规律,分析了淤地坝对流域产沙的影响。该模型可以模拟产生流域坡面侵蚀的空间分布,由此可以清楚地知道流域中何处容易侵蚀,何处侵蚀量小,从而为流域的综合管理规划提供参考。

  四、创新点

  本项目属2003年承担的国家自然科学基金重点项目,于2007年3月通过了国家自然科学基金委组织的验收,且验收总体评价为A。创新点表现在以下5个方面:

  1、首次在黄土丘陵沟壑区开展了变化环境下小流域水文实验研究,建立了岔巴沟曹坪西沟实验小流域,采集了近84万条变化环境下典型流域水循环要素数据,为原始创新研究奠定了基础。

  2、基于原型实验和环境同位素技术,系统研究了不同下垫面条件下降雨径流关系、土壤入渗变化特点、降水对地下水补给特性、区域地表水与地下水转化关系、土地利用/覆被变化的水文效应等,首次揭示了变化环境下黄土沟壑区水循环机理,得出了不同覆被、不同耕作方式情况下降雨径流变化规律。

  3、利用3S技术,首次在大理河、小理河、岔巴沟三级流域上,建立了变化环境下月、日、时三级分布式时变增益水文模型。该模型将非线性系统理论与水文物理过程相结合,能够适应不同的资料条件,有较好的模拟精度。

  4、基于流域下垫面变化与暴雨产流产沙的响应与耦合关系,首次在岔巴沟流域建立了分布式流域侵蚀产沙模型以及淤地坝影响模拟分析模型,揭示了黄土沟壑区暴雨产沙规律。

  5、项目研究与生产实践紧密结合,同位素应用技术、变化环境下的流域水文效应分析及模拟技术等方法、理论在“三水”转换规律、水资源评价、水土保持效益分析、水文泥沙预报等方面得到了应用。

  五、取得的效益

  研究成果已经应用到黄河流域水资源调查评价、河西走廊黑河流域地表水与地下水转换规律研究、黄河中游皇甫川长滩水沙动态监测站建设、黄河中游水土保持措施蓄水保土效益分析等方面。

  出版专著1本,发表标注有基金号的文章75篇,其中18篇被SCI、EI收录。

  六、主要完成单位

  黄河水文水资源科学研究院、中国科学院地理科学与资源研究所

  中国水利水电科学研究院水资源研究所、黄委中游水文水资源局

  七、主要完成人

  王  玲  夏  军  张学成  宋献方  王  浩  杨向辉  徐建华

  李雪梅  潘启民  蒋秀华  陈  鸿  郭宝群  高亚军  杜得彦

  薛跃文  李丽娟  甘  泓  周祖昊  齐  斌  马文进  王生雄


发布时间:2011年08月14日
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