本文为土木工程专业的工程硕士论文，主要阐述了黄土高原丘陵区沟道整改工程的生态水文效用。

第一章 引言

1.1 研究背景

黄土高原南以秦岭为界，北以阴山为界，东以太行山为界，西以贺兰山、日月山为界。地理坐标处于东经 100°52′~114°33′，北纬 33°41′~41°16′之间，包含青、甘、宁、蒙、陕、晋、豫等七省（区），总面积 64.2 万 km2，约占国土面积的 6.5%，由于地形破碎、土壤抗蚀性差、暴雨强度大、植被稀疏，因此，水土流失异常严重，也使黄河成为闻名世界的多泥沙河流。根据水利部第二次遥感调查[1]，2002 年土壤侵蚀面积为 39.08 万 km2，占总面积的 62.63％。其中水力侵蚀 33.41 万km2，占黄土高原总面积的 53.54％，风力侵蚀 5.62 万 km2，占黄土高原总面积的 9.01％，冻融侵蚀 0.05 万 km2，占黄土高原总面积的 0.08％。水力侵蚀是黄土高原最主要的土壤侵蚀类型，分布非常广泛，总体反映了黄土高原土壤侵蚀的特点。其中，轻度水力侵蚀占 30.32％，中度水力侵蚀占 32.37％，强度以上水力侵蚀占 37.31％。风力侵蚀主要发生在黄河流域东北部地区，分布于内蒙古中西部、陕西北部和宁夏境内，强度以上的风力侵蚀占风力侵蚀总面积的 48.97％，表明该区风力侵蚀非常严重。冻融侵蚀主要分布于黄土高原西部山体的上部，由于该区地势较高、气温较低，冻融侵蚀比较活跃。根据水利部、中国科学院以及中国工程院的水土流失科考，黄土高原的土壤侵蚀具有：土壤侵蚀加速的趋势得到缓解，水土流失形势依然严峻；土壤侵蚀强度高，侵蚀类型多样；时空分布集中；重力侵蚀活跃、沟道侵蚀严重等特点。严重的水土流失和原有地面植被的破坏，恶化了生态环境，加剧了土地和小气候的干旱程度以及其它自然灾害的发生，进而造成土地瘠薄、肥力减退、破坏农业生产；而沟壑扩大，使大面积坡耕地支离破碎，耕种不便，以至弃耕荒废，造成耕地减少，水利部提供的统计资料显示：半个世纪以来，我国水土流失毁掉耕地 267 多万 hm2，直接影响了农田基本建设和农业生产的发展。水土流失还使黄河下游河床高出两岸外平地 3~10 m，最高处达 10 m 以上，成为举世瞩目的“地上悬河”，同时改变了河势，减小了行洪能力，直接威胁着下游两岸地区广大人民生命财产的安全。为了减少黄河下游河道淤积和降低河床的急剧抬高，每年需使用大量的水资源用于冲沙入海，严重影响了黄河流域有限水资源的综合利用。多年研究结果表明[1]：为不使黄河下游河道淤积进一步加剧，每年约需 200 亿~240 亿 m3的输沙水量，平均冲沙需水量为 33~60m3/t。水土流失还产生大量泥沙下泄，淤积水库，降低了水利设施的蓄水功能，影响了水资源的开发利用。严重的水土流失使土壤肥力衰减，粮食产量低而不稳，当地农民群众为了生存，不得不开垦坡地，广种薄收，形成了“越穷越垦、越垦越穷”的恶性循环，使生态环境不断恶化，制约了当地经济发展。

沟道工程措施包括治沟骨干工程、淤地坝、沟头防护、谷坊和塘坝等小型蓄水工程。坡面工程包括梯田、条田等；植物措施主要指开展人工林、经济林、果园、人工草地建设，实施封禁、轮牧退耕还林（草）等措施；耕作措施主要包括等高沟垄种植、草田轮作等。新中国建立近 60 年来，黄土高原地区水土保持工作，经历了由重点试验到全面发展的过程，在科学研究的指导与国家政策的支持下，水土保持工作逐渐深入，取得了瞩目的成果和快速发展，经历了几个不同的发展阶段和若干时段。从 1950～1963 年的探索治理阶段→1963～1970 年的重点治理阶段→1979～1980 年的全民治理阶段→1980～1990 年的小流域综合治理阶段→1991 以来的以法制建设和生态经济可持续发展为目标的全面发展阶段[2]。经过半个多世纪的探索历程，从造林种草、恢复植被、到改造坡地、修建基本农田、再到治理沟壑、筑坝拦沙淤地以及广泛实行封育等，经历了“探索—实践—再探索—再实践—全面发展”的历程，总结出了一条以小流域为基本单元，“山、水、田、林、路统一规划，沟、坪、梁、峁、坡综合治理”，植物措施、工程措施、耕作措施科学配置，生态效益、经济效益、社会效益协调发展的具有黄土高原特色的水土保持路子，较好地解决了治理与开发、治坡与治河的关系。水土保持在改善当地生态、生产、生活的同时，也为黄河的安澜和人与自然的和谐相处，发挥着重要作用。

第二章 研究区概况、研究内容与研究方法

2.1 研究区域概况

（1）韭园沟流域

韭园沟位于陕西省绥德县东北约 5km 处，是无定河左岸的一条支沟，流域面积70.5km2，介于东经 110°16′~110°26′，北纬 37°33′~37°38′之间。主沟长 18km，平均宽3.89km，平均比降 1.2%，沟壑密度 5.34km/km2，海拔高度为 820~1180m，沟底至峁顶相对高差 100~200m。属典型的黄土丘陵沟壑地貌，梁峁起伏，沟壑纵横，土地贫瘠，地形破碎，沟间地占 56.6%，沟谷地占 43.4%。地面坡度分布情况见表 2-1。韭园沟 5km 以上的支沟有 10 条，1km 以上的支沟有 68 条，200m 以上的支沟有 257 条。流域内沟峁坡面为黄土覆盖，厚度约 120~150m，其下为红土，见于沟坡陡崖，河槽两岸及沟底有基岩出露，岩层由浅灰带绿色的砂、页岩相间而成。据 1954~1990 年实测资料统计，流域多年平均降雨量 508.1mm，降雨年际变化大，年内分布不均，最大年降雨 735.3mm（1964 年），最小年降雨量 232.1mm（1965 年），汛期（6~9 月）降雨占年降雨量的 71.6%，且多以暴雨形式出现，最大雨强达3.5mm/min。年平均温度 9.3℃，绝对最高温度 39℃，绝对最低温度-27℃，无霜期150~180d，多西北风，最大风力 12.5m/s。土壤类型主要为黄棉土，质地疏松均匀，孔隙大、易冲刷，侵蚀严重，侵蚀方式以水力侵蚀为主，治理前，多年平均侵蚀模数为 1.8 万 t/km2。流域从 1953 年开展综合治理，到 1963 年底治理面积为 1278hm2，治理度 18.1%；到 1977 年底治理面积为2160hm2，治理度 30.6%；到 1983 年底治理面积为 3736hm2，治理度 52.8%；到 1994年底治理面积为 4158hm2，治理度 58.8%；到 1997 年已完成治理面积 4411hm2，治理度达 62.4%。到 2009 年已完成治理面积 5310hm2，治理度达 75.1%。

第三章 不同水土保持措施下的流域.......31

3.1 SEBAL 模型原理 ........ 33

3.2 研究区地表反照率特点 ......... 39

3.3 研究区净辐射特征 ..... 39

3.4 研究区土壤热通量特征 ......... 40

3.5 研究区感热通量特征 ....... 41

3.6 不同水土保持措施下流域蒸散发特征 ......... 41

3.7 本章小结 ......... 44

第四章 沟道治理工程对流域典型水文.....45

4.1 不同水体分布与转化的同位素示踪研究 ..... 45

4.2 次降雨下土壤含水量动态变化分析 ....... 51

4.2.1 不同水土保持措施下的土壤水分特征 ..... 52

4.2.2 坝地土壤水分垂直变化特征 ......... 54

4.3 沟道治理工程对流域地表径流的影响 ......... 55

4.4 本章小结 ......... 56

第五章 沟道治理工程与植被分布关系 .......57

5.1 黄土高原植被特征简述 ......... 57

5.2 沟道治理工程对植被分布的影响分析 ......... 58

5.2.1 沟道治理工程对植被生境影响分析 ......... 58

5.2.2 样方调查分析 ......... 59

5.3 不同治理条件下流域植被时空分布特征 ..... 66

5.4 本章小结 ......... 68

结论

综合各章小节，本文取得的主要结论如下：韭园沟和裴家峁的水体氢氧同位素分析结果表明：δ2H 和 δ18O 最高的为水库水，分别为-57.18 和-6.78，表明水库受到强烈的蒸发。土壤水的 δ2H 和 δ18O 值较低，受到蒸发较弱，且和降雨值相近，这表明土壤水分多来自于降水。地下水的 δ2H和 δ18O 与沟道水较为接近，这表明沟道水由地下水补给而来，与土壤水之间的联系较弱。流域不同土地利用类型下的土壤含水量分析表明：次降雨后，梯田和坡地表层土壤水分消退较慢，而退耕梯田和退耕坡地表层土壤水分消退较快；坝地土壤水分分层现象较为明显，土壤水分垂直变率大，平均为 0.21，其它土地利用类型土壤水分垂直变率较小，在垂直分布上较为一致，梯田为 0.08，退耕梯田为 0.07，坡耕地为0.04，退耕坡地为 0.07。选用径流系数与流域滞时两个指标，分析了淤地坝对流域径流过程的影响，结果显示：韭园沟相比于裴家峁径流系数减少 29.43%，相比于李家寨，王茂沟径流系数减少 34.63%，而想她沟相对团园沟径流系数减少了 16.78%。王茂沟流域的平均流域滞时为 117min，李家寨的流域滞时为 38min。王茂沟平均流域滞时为李家寨的 3倍。

参考文献

[1] 水利部, 中国科学院, 中国工程院. 中国水土流失防治与生态安全（西北黄土高原区卷）[M].北京: 科学出版社, 2010.

[2] 黄河上中游管理局. 黄河水土保持志[M]. 郑州: 河南人民出版社, 1993

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 水土保持术语GB/T 20465-2006[M]. 北京: 中国标准出版社, 2006.

[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 水土保持综合治理技术规范 沟壑治理技术 GBT16453.3-2008[S]. 中国标准出版社, 2008.

[5] 黄河上中游管理局. 淤地坝概论[M]. 北京: 中国计划出版社, 2005.

[6] 黄河上中游管理局. 黄河流域水土保持概论[M]. 郑州: 黄河水利出版社, 2011.

[7] 王浩, 杨贵羽, 贾仰文, 等. 基于区域ET结构的黄河流域土壤水资源消耗效用研究[J]. 中国科学D辑：地球科学, 2007,12(37):1643-1652.

[8] 毛慧慧, 冯平, 周潮洪. 基于集对原理的水资源补偿特性分析方法[J]. 应用基础与工程科学学报, 2009,2(17):188-193.

[9] 张诚, 严登华, 郝彩莲. 水的生态服务功能研究进展及关键支撑技术[J]. 水科学进展,2011,1(22):126-132.

[10] 欧阳志云. 中国生态建设与可持续发展[M]. 北京: 科学出版社, 2007.