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黄土高原小流域典型暴雨下脉冲径流侵蚀事件特征

摘要

黄土高原暴雨侵蚀的脉冲事件是众所周知的，但关于流域尺度暴雨引起的表层土壤侵蚀过程特征的信息很少。本研究根据中国黄土高原小黄土流域1997年至2010年观测到的17次暴雨，统计评估了脉冲径流侵蚀事件的特征。结果表明：1）降雨是坡面土壤侵蚀的主要驱动力，但不同暴雨期间降雨径流与降雨沉积物的相关性往往因渗透过量径流和土壤保持措施而分散。2）每个暴雨事件的径流和沉积物之间的关系可以通过线性，幂，对数和指数函数来回归。聚类分析有助于对径流侵蚀事件进行分类，并为暴雨侵蚀制定土壤保持策略。3）不同水平脉冲径流侵蚀事件的沉积物产量响应特征不同。受降雨强度和持续时间的影响，不同洪水事件的流量和沉积物之间的相互作用可能发生很大变化。结果为径流侵蚀过程提供了新的见解，并将有助于黄土丘陵区的土壤保持规划。不同洪水事件的流量和沉积物之间的相互作用可能会发生很大的变化。结果为径流侵蚀过程提供了新的见解，并将有助于黄土丘陵区的土壤保持规划。不同洪水事件的流量和沉积物之间的相互作用可能会发生很大的变化。结果为径流侵蚀过程提供了新的见解，并将有助于黄土丘陵区的土壤保持规划。

介绍

水土壤侵蚀是世界范围内最广泛和最重大的生态环境问题，这将降低农业生产力，增加水的污染，不可持续的发展一个1，2，3，4，5。土壤侵蚀是一个复杂的物理过程中，基本的解释是沉淀和流域的表面之间的相互作用的综合6，7。在数学意义上，它是从表面流域和降雨条件径流泥沙高度非线性映射关系8，9。通常，影响降雨侵蚀产沙的主要因素包括：降雨强度，降雨历时，降雨时空特性，土壤性质，地质条件，植被，土地使用和前期土壤湿润条件10，11。雨量土壤侵蚀的最重要的活性剂中的一种，由于其潜在的击穿聚集体，分离土壤颗粒，并产生径流12，13，14。目前，许多学者在不同土壤类型，降雨强度，坡度，土地利用类型，植被覆盖度和节水措施的条件下，对径流和泥沙产量特征进行了实验和模拟研究。15。然而，大多数研究主要探讨径流和泥沙流失对径流小区 16，17。另一方面，其他研究侧重于流域尺度的降雨，径流和沉积物关系。他们主要分析了年度时间尺度上降雨径流与泥沙产量之间的关系 18。此外，有学者还建造了不同暴雨径流泥沙模型，但他们没有透露丘陵流域典型的黄土脉冲水沙关系，由于地方特色 19，20。

一般来说，黄土高原径流和泥沙变化的研究是基于模型模拟或实测数据分析。该模型模拟方法具有用于通过灵活参数调整的径流泥沙变化因果分析更好的前景21，22。然而，该模型只能用于抽象和概括自然现象，不能充分揭示自然现象的发生和演化机制23。因此，利用实测数据研究径流和沉积物的变化仍然是一种有效的方法。研究表明，使用测量数据对径流和沉积物变化的研究具有以下特征24：（i）在研究降雨强度和植被对降雨径流和沉积物产量的影响时，空间尺度主要集中在径流地块和坡面上。这些小尺度不能充分反映的水和沉淀物的区域变化规则大空间尺度25，26。（ii）当空间尺度扩大到更大的区域时，年降雨量对径流和沉积物的影响被认为是一个关键优先事项，但是一个降水期间降雨强度对大空间尺度下径流和泥沙产量的影响将是减弱27，28。（iii）统计分析是研究降雨 - 径流相互作用的重要方法29。聚类分析是一种无监督的学习过程，可以在数据集中找到一组相似的元素，对于水土保持的政策决策具有重要意义。因此，有必要研究黄土高原典型小流域个体监测暴雨事件下径流与泥沙产量的相关性。

黄土高原位于干旱和半干旱地区。年降雨量在200-600毫米之间。黄土高原的土壤侵蚀非常严重。侵蚀主要是由6-9个月的几次暴雨引起的，暴雨造成的侵蚀量占年度侵蚀总量的60％以上30。因此，暴雨径流侵蚀是沉积物产量的主要途径，也是其他侵蚀过程中泥沙输移的主要动力31。由于少数暴雨的高强度和持续时间短，黄土坡面上的暴雨迅速形成渗透 - 过量径流并导致非常高的径流速率32。由于黄土土壤具有高度侵蚀性，大量渗透 - 过量径流也会导致过度侵蚀，这使得该地区成为世界上受侵蚀最严重的地区之一33。因此，根据黄土高原的侵蚀特征，通过预​​测个体暴雨事件的径流和泥沙产量关系，与年度降雨 - 侵蚀关系研究相比，对于建立土壤侵蚀模型和土壤保持具有更重要的意义34。只有清楚地了解典型脉冲径流侵蚀事件下的侵蚀和沉积物产量特征，才能有效地科学管理流域尺度的水土保持。

本文的主要目的是：（1）研究黄土丘陵沟壑区脉冲径流侵蚀事件的特征;（2）评价暴雨与泥沙产量关系的影响机制。研究结果可为构建暴雨径流泥沙产量模型和流域治理决策提供理论依据。

学习区

纸坊沟是星子河的一级支流，位于陕西省安塞县延河中上游。纸坊沟流域（109°1346“-109°1603”E和36°4242“-36°4628”N）属于黄土丘陵沟壑区2号次区域。高原（图 1）。该流域面积为8.27公里2海拔在海拔1040-1425米之间。上游和下游河床的相对高度差为210米，平均河流坡度为37permil;。山顶和山谷之间的大部分高度差异为150-200米。土壤侵蚀主要是水蚀和重力侵蚀。板块侵蚀，沟壑和短暂的沟壑是丘陵山坡上的主要侵蚀形式，沟壑侵蚀和重力侵蚀是沟壑斜坡上的主要侵蚀形式35。

纸坊沟流域与延河流域的相对位置，纸坊沟流域的数字高程模型（图1由ArcGIS 10.2生成，延河是黄河的主要支流）。该流域属于暖温带气候下半湿润和半干旱之间的过渡带，年平均气温8.8℃，年平均降水量482.7毫米。降雨主要在暴雨中下降，集中在6月至9月，占年降雨量总量的73.6％。

根据1995年中国土壤分类系统，流域的主要土壤类型为黄土。黄土面积占土壤总面积的65.5％，其次是红壤和两种彩色土壤的25.1％。土壤机械组成包括粘土（lt;0.002 mm，53.9-74.8％，粉砂（0.002~0.05 mm，16-26％）和砂（0.05~2 mm，5.88-31.8％）36。土壤质地均匀，有机质含量低（6.82-34.6克/千克），结构松散，易分散运输（图 2）。流域治理前，流域植被稀疏，种植率高，土壤侵蚀严重37。多年来的沉积物产量模数le;14000t /（km²bull;一个）。自1997年开始实施综合流域管理以来，该流域由植树造林和草种植而植被38。

2013年延河流域安塞县坡面（a）和平地耕地（b）的沟壑侵蚀（图片由2013年11月安塞县雷武拍摄）

材料和流域监测

1997年至2010年，在纸坊沟流域观测到17次典型的脉冲暴雨，研究了降雨，径流和泥沙关系。17次暴雨具有自身局部特征，持续时间短，强度高，导致径流与泥沙产量之间存在不同的相互作用。在17次暴雨中，降雨量从1997年5月4日的13.4毫米到1998年5月20日的56.4毫米不等，降雨持续时间分别为150分钟和330分钟。2010年8月，发生了两次短暂的高强度降雨事件，降雨时间分别为2010年8月11日和2010年8月18日50和60分钟，降雨量分别为55.6和40.5毫米。

小流域水土保持监测指标包括降雨，水位，流量和洪水沉积物（悬浮泥沙）。在这项研究中，两种方法，包括雨量计和自动雨量记录仪，用于测量流域的降雨量。分别在流域的中部，上游和下游建立了三个降雨站。雨量计和自动雨水记录仪的同时测量相互检查，平均值作为流域降雨量。水位观测是径流站的基本测量之一，是流量估算的基础。通过水位计测量水位，并使用水槽堰流量公式39计算来自流域出口的流速。盆地出水口水位观测的基本要求是：在正常水位期间，每天水位在0800和2000（当地时间）测量，洪水水位由洪水上升，下降和水位测量。以不同的短间隔改变水平40。观察精度为plusmn;1厘米。通过收集径流样本分析沉积物。悬浮沉积物的观察通过人工观察方法进行。在产流的过程中，水浑浊的样品通过一个采样瓶在一定的时间间隔收集人工，沉积物含量通过在实验室中测得的干燥，整个盆地的沉积屈服然后计算41。样品瓶的体积为1000mL。在一场暴雨期间，采样时间分别为3,6,12和30分钟。

回归分析是研究小流域径流与泥沙产量关系的重要方法42。在这项研究中，统计分析软件（Excel和SPSS）被用来分析典型暴雨事件的径流和沉积物关系43。此外，聚类分析（MATLAB程序）是无监督学习的重要方法44。作为一种数据分析工具，其重要性已在各个领域得到广泛认可。执行聚类分析以找到数据集的“自然分组”，也称为“聚类”。通常，集群是类似元素的集合。相似系数和距离是聚类分析的两个重要参数。相似系数表示不同样本变量之间的相似度，范围为0-1。当其值接近1时，样本之间的相似度很强。如果值为0，则样本之间没有相关性。距离表示不同点之间的几何距离，距离与采样点的属性相关。聚类分析的基本思想是：第一个“ n”样本被分类为一个类别，其中最相似的类别被归类为新类别，此时，类别数量变为”n-1“。然后，计算新类与其他“n-2”类之间的相似度，并将最接近的近似值分类为另一个新类，总类数变为“n-2”。通过类比，该过程继续，直到所有变量被分类为一个类别。该聚类过程可以由聚类映射表示。本研究使用了153组数据集，其中17组和9类作为样本数据（表1）。首先，这些数据被标准化以消除尺寸差异，从而使指数具有可比性。其次，计算不同变量之间的距离或相似系数。然后，选择适当的分类方法并用于逐步聚类样本。

结果和讨论

每次暴雨事件的径流和沉积物浓度之间的关系

图 3 - 9示出在不同的暴雨事件沉积物浓度和径流量之间的回归关系。在不同的暴雨事件下，径流和沉积物产量之间的相关性是不同的。一般来说，沉积物浓度随着流速的增加而增加，但当沉积物浓度达到一定值时，即使流量不断增加，沉积物浓度的变化也很小。价值最终趋于稳定。研究还表明，在不同的降雨侵蚀事件中，流速对沉积物浓度的影响具有不同的影响。因此，相应的曲线拟合也可以在不同的暴雨事件45中改变。在所有暴雨侵蚀事件中，径流和沉积物产量之间并不总是存在很强的相关性。对17次暴雨事件的统计分析发现，1997年5月4日，1997年5月6日，1998年7月12日和2001年7月26日的回归关系较弱，R 2（测定系数）均小于0.5，p值均gt; 0.05。R的值2为暴雨事件2010年8月和21 18 1998年5月都lt;0.8，但有三个暴雨事件当R 2个值均gt; 0.95和p值均lt;0.01（23 26 1998年6月，八月2001年和2000年7月7日）。

不同暴雨事件下沉积物浓度（0-800 kg / m ³）与径流（0.002-0.022 m ³ / s）的关系。

不同暴雨事件下沉积物浓度（0-600 kg / m ³）与径流（0-18 m ³ / s）的关系。

不同暴雨事件下沉积物浓度（0-250 kg / m ³）与径流（0-8 m ³ / s）的关系。

不同暴雨事件下沉积物浓度（0-200 kg / m ³）与径流（0.004-0.016 m ³ / s）的关系。

不同暴雨事件下沉积物浓度（0-160 kg / m ³）与径流（0-7 m ³ / s）的关系。

不同暴雨事件下沉积物浓度（0-120 kg / m ³）与径流（0-0.7 m ³ / s）的关系。

不同暴雨事件下沉积物浓度（0-25 kg / m ³）与径流（0-0.01 m ³ / s）的关系。

就最强的相关性而言，17次暴雨侵蚀事件包括线性，功率，对数和指数函数。对数函数是上凸曲线，其特征是随着径流量的增加，沉积物产量急剧增加（图 3 - 9））。有代表性的暴雨事件是2000年7月7日，1998年6月23日和2001年8月16日。三场暴雨的侵蚀量大致在3000-5000吨之间。根据指数的大小，幂函数可以分为上凸或下凸类型。具体代表性降雨事件为2000年7月26日，2000年7月14日，2008年6月28日和1998年8月21日。径流量增加时的沉积物产量低于初始径流产量期间的对数函数。线性回归关系的沉积物产率是功率函数和对数函数之间。具体的降雨事件是1997年7月28日，2000年8月11日，2010年8月11日和2009年7月7日。1997年5月6日和2001年7月26日的回归关系最弱。2001年7月26日是一场强降雨侵蚀事件。1997年5月6日是长时间的降雨事件。由于1997年退耕还林工程处于初级阶段，沉积物产量与径流的关系不稳定。2009年，随着水土保持措施的有效性，小暴雨事件的泥沙产量与径流呈线性关系。具有代表性的降雨事件发生在2009年7月7日。这些结果也验证了黄土坡面的表面状况对径流和沉积物产量过程的显着影响。小暴雨事件的沉积物产量与径流呈线性关系。具有代表性的降雨事件发生在2009年7月7日。这些结果也验证了黄土坡面的表面状况对径流和沉积物产量过程的显着影响。小暴雨事件的沉积物产量与径流呈线性关系。具有代表性的降雨事件发生在2009年7月7日。这些结果也验证了黄土坡面的表面状况对径流和沉积物产量过程的显着影响。46。上述分析对于进一步总结径流与泥沙产量之间的关系，了解与不同暴雨事件相关的泥沙产量变化具有重要意义。

径流与泥沙产量之间的各种回归关联与黄土高原暴雨和土壤侵蚀的特征有关。一般来说，陕西省北部的暴风雨大多出现在一个站点，单次出现，表明该地区的暴风雨通常是当地的，风速持续时间最短47。黄土高原上的沟壑和浅沟侵蚀都非常严重，沟壑侵蚀也非常活跃。沟壑侵蚀的沉积物产量占流域总沉积物产量的70％以上。虽然河流和浅沟都很小，但它们很多，密集的网络覆盖了所有黄

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