北京怀柔东台沟小流域坡面径流与产沙特征研究

论文摘要

森林植被防治坡面水蚀机理的研究涵盖森林水文学、土壤学、水力学等多学科的知识,需要多学科交叉。本文以北京市怀柔区汤河口镇东台沟小流域设置的不同立地条件的标准径流小区为研究对象,在野外大气降水条件下,研究降雨变化特征、坡面径流响应过程,结合水力学、土壤侵蚀学等科学理论深入揭示不同植被格局对坡面产流产沙的影响、坡面侵蚀产沙与影响因子,应用坡面水文模型对坡面产流过程进行模拟,强化植被防治水蚀的机理,以期为北京山区的土壤水蚀治理提供一定的科学理论依据。主要结论如下：（1）1980-2009年间,研究区的总降雨量为11817.4mm,平均年降雨量为393.9mm,整体降雨量偏低。该研究区雨季即从5月到10月,该区间的各年月平均降雨量之和为354.1mm,干季降雨量为39.8mm；2000-2009各月平均降雨天数与各月平均降雨量的分布大致类似,干湿季明显,11月到次年4月的平均降雨天数总数为9.6d,而5-10月的平均降雨天数总数为32.4d。2001-2008年3-10月各月平均降雨强度的分布成单峰曲线形状,与降雨量的分布基本相似；0-1 mm/h、1-5mm/h、5-10 mm/h、>10 mm/h这4个等级的场次分别为93、147、29、34；降雨历时≤30 min、30-60 min、60-90 min、90-150 min、150-300 min、300-600 min和>600min这7个阶段的场次分别为44、41、20、43、49、62和44。属于小雨的降雨有213场,占总数的70.3%,占绝大多数,属于中雨的降雨有70场,占总数的23.1%,可见小雨和中雨的比例在当地的降雨组成中占绝大多数达93.4%。（2）无植被覆盖的径流小区径流系数明显大于有植被覆盖的径流小区,说明植被对于径流的形成有明显的作用,适当的植被覆盖及水土保持措施有利于减小径流,防止水土流失。径流量与降雨量单一因子并无明显线性关系,说明径流量的产生机理十分复杂,不仅仅受降雨量的影响。（3）裸地小区产沙量明显高于有措施的小区,相对于覆盖度高的小区,裸地产沙最大可以达到其他小区的1000倍以上；同样是在未搅动小区,植被覆盖度对产沙影响显著,在2004年和2007年19号小区植被覆盖度在75%以上,而18号小区植被覆盖度在30%以下,两者在这两年的产沙量差异性极显著；在怀柔地区主要产沙雨型为a型和b型雨,两者达到了近90%；小区产沙量与其影响因子多为幂函数关系,也有少数S函数关系；小区产沙与植被覆盖度之间的相关关系明显,用函数关系表达为：y=1.0461n（x）+4.3986,R2为0.5705。（4）刺槐的最大持水量较大,为25.93 t·hm-2,火炬树的最大持水量较小仅为8.54 t·hm-2,但其最大持水率相对较高；刺槐、火炬树枯落物最大持水率分别为556.64%和333.03%,刺槐>火炬树,与最大持水量一致。有枯落物层覆盖的径流小区,产流量较少,刺槐<火炬<裸地；裸地产沙量为1 459g/h,但两种有枯落物覆盖的地表产沙量仅为裸地的16.8%、32.1%。在典型中雨条件下,有无植被覆盖的径流小区的径流量、径流深、径流系数、单位面积径流量的平均值分别为0.055 m3、1.07mm、0.055、1010.9 m3/km2和0.318 m3、4.29 mm、0.22、4291.3 m3/km2；在典型大雨条件下,有无植被覆盖的径流小区的径流量、径流深、径流系数、单位面积径流量的平均值分别为0.12 m3、2.4、0.08、2416.5 m3/km2和0.59 m3、8.39 mm、0.29、8378.5 m3/km2。在典型中雨条件下,有植被和无植被覆盖条件下坡面产沙的泥沙冲刷量和单位面积冲刷量差异显著,而含沙量存在差异,但不够显著。在典型大雨条件下,有无植被覆盖条件下坡面产沙的含沙量、泥沙冲刷量、单位面积冲刷量差异显著。有植被覆盖的径流小区的含沙量、泥沙冲刷量、单位面积冲刷量的平均值分别为11.9 kg/m3、2.8 kg、58.0 t/km2,而无植被覆盖的径流小区的含沙量、泥沙冲刷量、单位面积冲刷量的平均值分别为45.3 kg/m3、85.3 kg、1062.3 t/km2。（5）经过BROOK90模拟,得出年平均总蒸散发量为414.84mm,平均年蒸腾量为160.90mm,平均年截留蒸发量,为46.39mm,平均年土壤蒸发量为205.16mm。而降雪蒸发和积雪蒸发在整个蒸散发耗水中占的比例很小,对林地蒸散发耗水水量分配不会造成太大的影响。对坡面径流情况进行了模拟,2001-2010年平均年径流量为11.26 mm,各年的径流量与年降水量的变化趋势大体一致。而年平均产流天数为48d,平均每次产流量0.218mm/d。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 引言
• 1 森林植被对坡面侵蚀影响研究
• 1.1 森林水文研究
• 1.1.1 森林对降水量的影响
• 1.1.2 森林对径流的影响
• 1.1.3 森林对洪水的影响
• 1.1.4 森林对蒸发散的影响
• 1.2 坡面水文过程研究
• 1.2.1 降雨过程特征研究
• 1.2.2 坡面径流过程特征研究
• 1.3 森林植被对坡面径流和侵蚀产沙的影响
• 1.3.1 森林植被对坡面产流的影响
• 1.3.2 森林植被对侵蚀产沙的影响
• 1.4 坡面产流产沙的影响因子
• 1.4.1 地形因素
• 1.4.2 土壤特性
• 1.4.3 降雨特性
• 1.4.4 土地利用类型
• 1.5 存在的问题及发展趋势
• 2 研究区概况
• 2.1 地理位置
• 2.2 自然概况
• 2.2.1 气候
• 2.2.2 地形地貌
• 2.2.3 地质土壤
• 2.2.4 植被
• 2.2.5 水资源
• 3 研究内容、方法与技术路线
• 3.1 研究目标与内容
• 3.1.1 研究目标
• 3.1.2 研究内容
• 3.2 研究技术路线
• 3.3 研究方法
• 3.3.1 径流小区的设置
• 3.3.2 仪器设备的布设
• 3.3.3 试验数据观测
• 4 降雨变化特征分析
• 4.1 降雨量变化特征
• 4.1.1 降雨量年际变化
• 4.1.2 降雨量年内变化
• 4.1.3 降雨天数变化
• 4.2 降雨强度分析
• 4.2.1 降雨强度月际分布规律
• 4.2.2 次降雨最大1h雨强概率等级分布
• 4.2.3 次降雨降雨历时时段概率分布
• 4.3 降雨类型
• 4.4 本章小结
• 5 不同植被对坡面径流泥沙的影响
• 5.1 植被影响因子
• 5.1.1 枯落物的作用
• 5.1.2 林冠截留分析
• 5.2 对比径流小区对坡面产流产沙的影响
• 5.2.1 对比径流小区对坡面产流的影响
• 5.2.2 对比径流小区对坡面产沙的影响
• 5.3 不同植被覆盖度对产沙的影响
• 5.4 本章小结
• 6 坡面径流过程特征
• 6.1 径流变化特征
• 6.1.1 径流总量变化特征
• 6.1.2 径流年际变化特征
• 6.1.3 径流系数变化特征
• 6.1.4 径流分级特征
• 6.2 降雨与径流
• 6.2.1 降雨量与径流量
• 6.2.2 降雨因子与径流量回归分析
• 6.3 不同径流小区径流差异性检验
• 6.3.1 径流量差异性检验
• 6.3.2 径流系数差异性检验
• 6.4 本章小结
• 7 坡面侵蚀产沙特征
• 7.1 土壤水分状况
• 7.2 不同径流小区对产沙的影响
• 7.2.1 产沙特征分析
• 7.2.2 小区减沙效益差异显著性检验
• 7.2.3 产沙量与降雨、径流因子关系
• 7.2.4 含沙量与降雨因子相关方程
• 7.3 本章小结
• 8 坡面径流过程模拟
• 8.1 BROOK90模型简介
• 8.2 模型的率定与验证
• 8.2.1 模型的率定
• 8.2.2 模型的验证
• 8.3 生态水文过程模拟分析
• 8.3.1 蒸散发耗水分配
• 8.3.2 坡面径流
• 8.4 本章小结
• 9 结论与建议
• 9.1 结论
• 9.2 建议
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 在读期间的主要成果
• 致谢