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壩控流域水土保持措施的合理性評價--基于壩地分層淤積信息 版權信息
- ISBN：9787030710291
- 條形碼：9787030710291 ; 978-7-03-071029-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
壩控流域水土保持措施的合理性評價--基于壩地分層淤積信息 內容簡介
本書以陜北地區黃土高原小流域的典型淤地壩為研究對象，利用典型淤地壩壩地淤積物包含的自然環境和人類活動的歷史變化信息，采用野外布點采樣、實地觀測與室內實驗分析的方法，提取典型淤地壩分層淤積信息；基于分層淤積信息和黃土高原暴雨徑流產沙理論，研究典型淤地壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨響應，溯源分層淤積泥沙對應的次暴雨或特大暴雨，量化侵蝕性降雨對淤積過程的影響；結合分層淤積物土壤顆粒大小分布和分形理論，評價典型淤地壩淤積年限內壩控流域已有水土保措施的合理性。 本書可供土壤侵蝕與水土保持、泥沙治理、地理、生態環境、水文、河流地貌等領域的科研工作者、管理者和技術人員參考，也可供相關專業高校師生參考使用。
壩控流域水土保持措施的合理性評價--基于壩地分層淤積信息 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景和意義 1
1.2 研究進展 2
1.2.1 淤地壩建設與發展歷程 2
1.2.2 淤地壩減水、減沙、減蝕研究 5
1.2.3 淤地壩水毀與壩系相對穩定 7
1.2.4 淤地壩壩地淤積物粒徑和水肥特征 12
1.2.5 淤地壩壩地淤積物在土壤侵蝕研究中的應用 13
1.3 本書主要內容 15
參考文獻 16
第2章 研究區概況 21
2.1 小河溝流域 22
2.2.1 流域自然地理概況 22
2.2.2 流域社會經濟情況 25
2.2 王茂溝流域 28
2.2.1 流域自然地理概況 28
2.2.2 流域社會經濟情況 31
2.3 紅河則流域 34
2.3.1 流域自然地理概況 34
2.3.2 流域社會經濟情況 36
參考文獻 38
第3章 典型淤地壩選取與分層淤積信息提取 42
3.1 典型淤地壩選取原則 42
3.2 典型淤地壩淤積層劃分與分層淤積土樣采集 44
3.2.1 典型淤地壩淤積層劃分標準 44
3.2.2 典型淤地壩壩地分層淤積土樣采集 45
3.3 典型淤地壩壩地分層淤積信息提取與分布特征 48
3.3.1 典型淤地壩壩地分層淤積信息提取 48
3.3.2 典型淤地壩壩地分層淤積信息分布特征 51
3.4 典型淤地壩壩地分層淤積量求解 67
3.4.1 壩控面積與壩控流域土地利用結構 67
3.4.2 典型淤地壩分層淤積量確定 70
參考文獻 73
第4章 侵蝕性降雨資料分析與典型淤地壩壩地淤積過程辨識 75
4.1 壩控流域侵蝕性降雨特性分析與降雨資料處理 75
4.2 典型淤地壩淤積過程辨識方法 78
4.3 典型淤地壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨響應結果 79
4.3.1 石畔峁壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨響應 80
4.3.2 花梁壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨響應 84
4.3.3 關地溝3號壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨響應 88
4.3.4 關地溝4號壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨響應 92
4.4 典型淤地壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨響應灰色關聯分析 97
4.4.1 石畔峁壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨灰色關聯分析 98
4.4.2 花梁壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨灰色關聯分析 99
4.4.3 關地溝 3號壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨灰色關聯分析 100
4.4.4 關地溝 4號壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨灰色關聯分析 102
參考文獻 103
第5章 基于分形理論的壩控流域水土保持措施合理性評價 106
5.1 分形理論原理與方法 106
5.2 壩控流域水土保持措施合理性評價 109
5.2.1 石畔峁壩壩控流域水土保持措施合理性評價 109
5.2.2 關地溝3號壩壩控流域水土保持措施合理性評價 111
5.2.3 關地溝4號壩壩控流域水土保持措施合理性評價 114
5.2.4 張山壩壩控流域水土保持措施合理性評價 117
參考文獻 119
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景和意義 1
1.2 研究進展 2
1.2.1 淤地壩建設與發展歷程 2
1.2.2 淤地壩減水、減沙、減蝕研究 5
1.2.3 淤地壩水毀與壩系相對穩定 7
1.2.4 淤地壩壩地淤積物粒徑和水肥特征 12
1.2.5 淤地壩壩地淤積物在土壤侵蝕研究中的應用 13
1.3 本書主要內容 15
參考文獻 16
第2章 研究區概況 21
2.1 小河溝流域 22
2.2.1 流域自然地理概況 22
2.2.2 流域社會經濟情況 25
2.2 王茂溝流域 28
2.2.1 流域自然地理概況 28
2.2.2 流域社會經濟情況 31
2.3 紅河則流域 34
2.3.1 流域自然地理概況 34
2.3.2 流域社會經濟情況 36
參考文獻 38
第3章 典型淤地壩選取與分層淤積信息提取 42
3.1 典型淤地壩選取原則 42
3.2 典型淤地壩淤積層劃分與分層淤積土樣采集 44
3.2.1 典型淤地壩淤積層劃分標準 44
3.2.2 典型淤地壩壩地分層淤積土樣采集 45
3.3 典型淤地壩壩地分層淤積信息提取與分布特征 48
3.3.1 典型淤地壩壩地分層淤積信息提取 48
3.3.2 典型淤地壩壩地分層淤積信息分布特征 51
3.4 典型淤地壩壩地分層淤積量求解 67
3.4.1 壩控面積與壩控流域土地利用結構 67
3.4.2 典型淤地壩分層淤積量確定 70
參考文獻 73
第4章 侵蝕性降雨資料分析與典型淤地壩壩地淤積過程辨識 75
4.1 壩控流域侵蝕性降雨特性分析與降雨資料處理 75
4.2 典型淤地壩淤積過程辨識方法 78
4.3 典型淤地壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨響應結果 79
4.3.1 石畔峁壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨響應 80
4.3.2 花梁壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨響應 84
4.3.3 關地溝3號壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨響應 88
4.3.4 關地溝4號壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨響應 92
4.4 典型淤地壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨響應灰色關聯分析 97
4.4.1 石畔峁壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨灰色關聯分析 98
4.4.2 花梁壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨灰色關聯分析 99
4.4.3 關地溝 3號壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨灰色關聯分析 100
4.4.4 關地溝 4號壩壩地淤積過程與侵蝕性降雨灰色關聯分析 102
參考文獻 103
第5章 基于分形理論的壩控流域水土保持措施合理性評價 106
5.1 分形理論原理與方法 106
5.2 壩控流域水土保持措施合理性評價 109
5.2.1 石畔峁壩壩控流域水土保持措施合理性評價 109
5.2.2 關地溝3號壩壩控流域水土保持措施合理性評價 111
5.2.3 關地溝4號壩壩控流域水土保持措施合理性評價 114
5.2.4 張山壩壩控流域水土保持措施合理性評價 117
參考文獻 119
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壩控流域水土保持措施的合理性評價--基于壩地分層淤積信息 節選
第1章緒論 1.1研究背景和意義 土壤侵蝕是世界性的重大環境問題。強烈的水土流失是生態環境惡化、土地資源退化乃至徹底破壞的重要原因，制約了土地生產潛力的發揮，嚴重影響當地工農業生產和生活水平，與當今世界可持續發展的理念相悖(Wei et al.，2016；Li et al.，2016，2011a，2011b；唐克麗，2004)。位于黃河中游地區的黃土高原是全球黃土分布面積*廣、厚度*大、地層分布*全的高地，面積約為63.5萬km2，是我國乃至世界土壤侵蝕與水土流失*為嚴重的地區之一。該地區地形破碎，溝壑縱橫，陡坡侵蝕、溝道侵蝕獨*且嚴重，產沙強度高。因此，它以強烈的土壤侵蝕并向黃河輸入大量的泥沙而著稱于世。研究表明，黃土高原向黃河貢獻了97%的泥沙(胡春宏等，2020a；劉曉燕，2020)，是黃河泥沙的主要來源區(Zhaoetal.，2019；劉曉燕等，2017；Wei et al.，2016；Li et al.，2016，2011a，2011b)。然而，黃河泥沙每年約有4億t淤積在下游河床，使黃河下游形成千里“懸河”，直接威脅著黃淮海地區人民的財產安全(穆興民等，2014；水利部等，2010)。“黃河之患，患在泥沙”，泥沙問題一直在黃河研究中占據重要地位。為加速黃土高原水土流失治理，減少入黃泥沙，根治黃河水害，自20世紀70年代，我國在黃土高原地區先后開展了小流域水土流失綜合治理、退耕還林還草、淤地壩建設和坡耕地整治等一系列生態工程(胡春宏等，2020a；Fu et al.，2017)，使黃土高原地區的土地利用和地表覆蓋條件發生強烈演變(胡春宏等，2020a；Feng et al.，2016；Chen et al.，2015)。經過幾十年的水土流失治理，黃土高原水土保持工作取得了重要進展(李宗善等，2019；劉國彬等，2016；董仁才等，2008；劉震，2005)，黃土高原主色調已由黃變綠，入黃泥沙量由1919～1959年16億t/a銳減至2000～2018年約2.5億t/a(劉曉燕，2020；陳祖煜等，2020；馮家豪等，2020；胡春宏等，2020a，2020b，2018；Zhengetal.，2019；穆興民等，2019；Wang et al.，2015；Yueet al.，2014)。雖然從總量上來看黃河泥沙顯著減少，但這并不能說明黃土高原的土壤侵蝕問題得到了控制和解決。由于氣候變化和人類活動的復雜影響，嚴峻的水土流失仍是黃土高原地區*大的環境問題。大量的泥沙不但加劇了黃河的洪水災害，嚴重威脅著黃河下游人民的生命安全，而且給黃河流域的水資源利用帶來極為不利的影響。可以說，能否在黃土高原地區有效控制水土流失，是根治黃河之患的關鍵，直接關系到當地生態環境保護和高質量發展目標的實現，以及我國經濟繁榮昌盛的進程。 實踐證明，單靠坡面水土保持措施很難在短時間內改善當地嚴重的土壤侵蝕和水土流失狀況。因此，以小流域為單元，坡面、溝道綜合治理在我國黃土高原地區被廣泛應用(劉國彬等，2016；彭珂珊，2013；董仁才等，2008；王禮先，2006；黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站，2005；劉震，2005)。現今，小流域綜合治理已成為我國乃至世界各國水土流失治理的典范，但由于缺乏權威和標準的綜合治理效益評價方法，評價結果存在很大的不確定性(董仁才等，2008)，且不能全面反映小流域綜合治理對流域生態系統和社會經濟的深遠影響(董仁才等，2008；康玲玲等，2002)。淤地壩作為小流域綜合治理過程中徑流泥沙控制的昀后一道防線，在小流域綜合治理過程中具有重要作用。壩地淤積物記錄著淤積年限內壩控流域氣候變化和侵蝕環境變化的重要信息，尤其是對于上方沒有任何支流匯入，壩體附近沒有任何泄洪設施的“悶葫蘆”壩，其壩地淤積物全部來自壩控流域不同土地利用類型表層或者更深層的土壤。因此，“悶葫蘆”壩壩地分層淤積物所蘊含的分層淤積信息可以反映壩控流域淤積年限內的水土流失情況，對分析壩控流域土壤侵蝕變化具有重要意義。同時，已有研究認為土壤是一種具有分形特征的分散多孔介質，土壤顆粒分形維數是反映土壤結構幾何形狀的參數，表現為黏粒含量越高、質地越細，分形維數越大；反之，砂粒含量越高、質地越粗，分形維數越小(Weietal.，2016；方萍等，2011；Liu et al.，2009；蘇永中等，2004)。此外，土壤顆粒分形維數能客觀地反映退化土壤結構狀況和退化程度，可以作為退化土壤結構的一個綜合性評價指標。鑒于此，本書對陜北黃土高原的淤地壩進行實際調研與勘測，選取典型淤地壩，提取其壩地分層淤積物信息，利用分形理論，評價淤積年限內典型淤地壩壩控流域已有水土保持措施的合理性。 1.2研究進展 1.2.1淤地壩建設與發展歷程 淤地壩是指在水土流失地區的各級溝道中，以攔泥淤地為目的修建的壩工建筑物，主要用于攔蓄坡面徑流泥沙，是防治溝道侵蝕的主要工程措施之一。淤地壩是黃土高原地區的廣大人民群眾在長期同水土流失的斗爭實踐中，創造的一種行之有效的既能攔截泥沙、保持水土，又能淤地造田、增加糧食產量而深受當地群眾歡迎的水土保持工程措施。淤地壩壩前淤積的泥沙穩定和抬高了溝道侵蝕基準面，防止溝底下切和溝岸坍塌，控制溝頭前進和溝壁擴張，可攔泥、蓄洪和削峰，減少入河入庫泥沙，減輕下游洪水泥沙災害，且淤積的泥沙顆粒養分含量高、水分條件好，因此壩地生產力明顯優于坡耕地，深受當地群眾歡迎。淤地壩的主要作用和效益具體體現在以下五方面。 1)溝道壩系建設是治理水土流失和減少入黃泥沙的關鍵措施 溝道是徑流泥沙的集中通道。有數據表明，占黃土高原地區總面積40%的溝谷地，其產沙量能占到總產沙量的60%以上。溝道淤地壩工程建設能夠快速、有效地攔蓄徑流泥沙，抬高侵蝕基準面，遏止溝床下切、溝岸擴張和溝頭前進，降低重力侵蝕的發生概率，從而減少進入流域下游的徑流泥沙量。實踐證明，不論是較大區間的重點支流，還是較小流域，淤地壩工程攔蓄徑流泥沙作用顯著，是其他水土保持措施無可比擬和無法替代的。 2)溝道壩系建設是實現區域產業結構調整和退耕還林還草的基礎 溝道壩系工程將洪水泥沙就地攔蓄，水土資源得到充分利用，使荒溝變良田。在人多地少的土壤侵蝕和水土流失嚴重地區，淤地壩建設成為增加基本農田面積的一個很重要的途徑。由于淤地壩所攔蓄的泥沙大多來源于流域內不同土地利用類型表層的土壤，腐殖質含量高，相應有機質含量也高，壩地水分充足，壩地地表比降小，給糧食高產、穩產提供了有利條件。 3)淤地壩建設改善群眾生產生活條件且促進區域經濟發展 淤地壩工程攔減了入黃泥沙，保護了下游安全，并且泥沙就地截留淤成壩地，實現了水沙資源的合理高效利用。同時，淤成的壩地變為高產、穩產的農田，促進了糧食產量的大幅度提高。尤其是隨著流域治理的規范化和科學化發展，水地、壩地、梯田等基本農田面積逐年增加，糧食產量大幅度提高，群眾的溫飽問題得到了解決。大量陡坡地得以退耕還林還草，為土地利用結構的調整和生態環境的改善創造了條件。由于黃土高原大規模建設淤地壩系，改善了農業生產條件，降低了人民群眾的勞動強度，大量剩余勞動力從繁重的農業勞動中解放出來，進入第二、第三產業，促進了群眾脫貧致富和區域經濟發展。 4)淤地壩抬高侵蝕基準面且降低重力侵蝕發生的風險 淤地壩攔淤泥沙后，侵蝕基準面抬高，阻止了溝底下切，使溝道比降變小，延緩了溯源侵蝕和溝岸擴張，提高了溝道的穩定性，降低了滑坡、崩塌、瀉溜等重力侵蝕發生的風險。同時，淤地壩運用初期能夠利用其庫容攔蓄洪水泥沙，還可以削減洪峰，減少下游沖刷，減緩地表徑流，增加地表落淤。淤地壩運用后期形成壩地，使流域產流、匯流條件發生變化，從而起到減少洪水泥沙的作用。 5)淤地壩建設能以壩代路且便利交通在黃土高原地區，長期嚴重的水土流失造成了千溝萬壑的破碎地貌。溝壑縱橫、交通不便是制約黃土高原地區脫貧致富、經濟發展的重要因素。修建淤地壩后，可以實現壩路結合，壩頂成為連接兩岸交通的橋梁，從而促進了壩系經濟區交通網絡的形成，大大改善了農業生產條件，方便了群眾的生產生活，促進了物資、文化交流和商品經濟的發展。 因此，淤地壩作為小流域綜合治理體系中的一道防線，通過其“攔”“蓄”“淤”的功能，既能將洪水泥沙就地攔蓄，有效防治水土流失，又能形成壩地，充分利用水土資源，使荒溝變成了高產穩產的基本農田，改善了當地生態環境和群眾生產生活條件，有效解決了黃土高原地區水土流失和干旱缺水兩大問題，促進了區域經濟發展，在黃土高原地區具有重要的戰略地位和不可替代的作用。 20世紀50年代以來，黃土高原地區的淤地壩建設大致經歷了四個發展階段：50年代的試驗示范階段，60年代的全面推廣階段，70年代的高潮階段和80～90年代的以治溝骨干工程為主體的壩系建設階段。2003年以來，黃土高原地區水土保持淤地壩建設作為水利部啟動的三大“亮點”工程(黃土高原淤地壩建設、牧區水利建設、小水電代燃料生態保護工程)之首，取得了大規模的進展。目前，在黃土高原丘陵溝壑區，溝道治理的淤地壩工程已得到廣泛的推廣。截至2019年11月統計，黃土高原地區共有淤地壩58776座，其中大型壩5905座、中型壩12169座、小型壩40702座，分別占淤地壩總數的10.05%、20.70%、69.25%(劉雅麗等，2020)。多沙區、多沙粗沙區和粗泥沙集中來源區是黃土高原地區水土流失的重點區域，其淤地壩數量分別為52241座、40876座和12072座，各占黃土高原地區淤地壩總數的88.88%、69.55%和20.54%(劉雅麗等，2020)，黃土高原地區水土流失重點區域淤地壩數量統計見表1.1。近年來，黃土高原的治理使得黃河水沙情勢發生劇烈變化(劉曉燕，2020；馮家豪等，2020；胡春宏等，2020a，2020b，2018；穆興民等，2019；姚文藝，2019)，其中潼關控制站年均輸沙量由1919～1959年的16億t減少至21世紀以來的2.45億t/a(胡春宏等，2020b；劉曉燕，2020)。有研究表明，在當前的侵蝕環境下，很多壩控流域實際侵蝕模數小于設計值，淤地壩大量空置(劉立峰等，2015)，壩內多有積水而無法利用，造成經濟資源和水土資源的雙重浪費。因此，應根據小流域侵蝕產沙現狀適當縮減淤地壩建設規模，以免造成水土資源浪費，影響下游的用水安全(梁越等，2019)；重點從“守底線、補短板、強監管”等方面著手，具體而言就是從加固除險、銷號、轉型、慎建四個方面開展工作(惠波等，2020；劉雅麗等，2020；曲嬋等，2016)；需要對黃土高原淤地壩建設戰略定位進行重新思考(陳祖煜等，2020)，以推進黃河流域生態保護和高質量發展。 1.2.2淤地壩減水、減沙、減蝕研究 1.淤地壩減水、減沙、減蝕效益定量分析 李靖等(1995)研究表明，淤地壩的減沙量占水土保持措施總減沙量的60%～70%。王宏等(1997)研究表明，20世紀50～60年代、70年代、80年代黃河河龍區間南片淤地壩年均減水效益分別為80.8%、67.6%、54.2%，年均減沙效益分別為83.5%、58.5%、66.4%。方學敏等(1998)研究表明，淤地壩不僅可以攔蓄徑流泥沙，還可以降低溝道比降，抬高局部侵蝕基準面，降低重力侵蝕發生風險，控制溝道沖刷侵蝕。田永宏等(1999)研究表明，韭園溝流域淤地壩在1953～1997年年均減沙效益為78.6%，流域輸沙模數減少了80.9%，基本實現了水沙不出溝，就地攔蓄消化。焦菊英等(2001)分析了皇甫川、窟野河、佳蘆河、禿尾河和大理河5條黃河支流上的淤地壩和壩系減水減沙效益。冉大川等(2004)認為，河龍區間1970～1996年淤地壩減水減沙量分別占該流域水土保持措施減水減沙總量的59.3%和64.7%。付凌(2007)利用分布式水文模型對淤地壩的減蝕作用進行了定量分析，提高了壩地減蝕
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