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基于多参数优化地理探测器的山洪灾害驱动力分析及风险评价

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水利水电技术(中英文) 2024年第6期 1-15页

作者：张晨钰张攀王伟肖培青王倩华河海大学港口海岸与近海工程学院黄河水利科学研究院河海大学水文水资源学院

【目的】大同市地处黄土高原东北边缘，区域内频繁的地下开采活动加剧了山洪灾害，严重威胁人民生命财产安全。为揭示该区域山洪灾害主要驱动力及对其进行风险性评价，【方法】基于大同市山洪灾害调查评价项目成果数据，采用多尺度网格... 详细信息

【目的】大同市地处黄土高原东北边缘，区域内频繁的地下开采活动加剧了山洪灾害，严重威胁人民生命财产安全。为揭示该区域山洪灾害主要驱动力及对其进行风险性评价，【方法】基于大同市山洪灾害调查评价项目成果数据，采用多尺度网格进行采样，并组合参数最优地理探测器对连续型驱动因子进行最优离散化处理，探测分析山洪灾害驱动因子解释力和各驱动因子分级的平均危险度，最后基于所得解释力和危险度进行定量风险性评价。【结果】结果表明：降雨是诱发山洪灾害的首要因素（q=0.088 8）,人类活动次之（q=0.061 8）,地表环境最弱（q=0.022 7）;在所选降雨指标中，6 h强降雨对大同市山洪灾害发生有平均最强解释力（q=0.141 2）,可在进一步山洪灾害临界雨量研究中予以考虑；大同市山洪灾害危险水平较高，中高危险区面积占比超3/5,高危险区灾害点密度达0.038 5个/km2。【结论】网格尺度和离散方式的优化选择均可有效提高地理探测器分析结果解释力；短历时（<6 h）强降雨若降雨不能持续，对山洪灾害的诱发力度大打折扣；整体来看大同市山洪灾害危险水平较高，且主要集中分布在易损性水平较低区域。研究结果可为定量进行山洪灾害风险性评价提供参考，为大同市山洪灾害防治区划提供一定的科学依据。

关键词：山洪灾害尺度效应参数最优地理探测器驱动力风险评价降雨人类活动影响因素

面向生态文明建设面向重大国家战略水利部黄土高原水土保持重点实验室推介

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中国水土保持 2024年第1期 I0001-I0004页

作者：肖培青焦鹏黄河水利委员会黄河水利科学研究院河南郑州450003

一、实验室简介“水利部黄土高原水土保持重点实验室”于2011年12月由水利部批准成立,依托单位为黄河水利委员会黄河水利科学研究院。实验室原名“水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室”,2021年1月经水利部重点实验室改革重组... 详细信息

一、实验室简介“水利部黄土高原水土保持重点实验室”于2011年12月由水利部批准成立,依托单位为黄河水利委员会黄河水利科学研究院。实验室原名“水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室”,2021年1月经水利部重点实验室改革重组后正式更名为“水利部黄土高原水土保持重点实验室”。实验室主任为肖培青正高级工程师(二级),实验室学术委员会主任为崔鹏院士。

关键词：重点实验室水土保持黄河水利委员会黄土高原实验室简介水土流失过程生态文明建设实验室主任

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黄河中游典型流域土地利用对径流的调控作用

水土保持研究 2024年第3期31卷 61-68,78页

作者：王倩华张攀王伟肖培青吴晓玲河海大学水文水资源学院南京210024 黄河水利委员会黄河水利科学研究院水利部黄土高原水土保持重点实验室郑州450003 河南省水土保持监测总站郑州450008

[目的]深入研究黄河中游不同土地利用对径流变化的调节效应及其阈值,对于山洪防治和流域高质量发展至关重要。[方法]以大理河流域为重点研究区域,分析其近20年来的土地利用变化特征,基于流域月尺度SWAT模型定量分析了土地利用变化对径... 详细信息

[目的]深入研究黄河中游不同土地利用对径流变化的调节效应及其阈值,对于山洪防治和流域高质量发展至关重要。[方法]以大理河流域为重点研究区域,分析其近20年来的土地利用变化特征,基于流域月尺度SWAT模型定量分析了土地利用变化对径流年内分配的影响;通过设置4种极端土地利用情况研究了不同土地利用类型对于汛期径流的影响;并通过设置12种不同的土地利用覆盖度情景,揭示了影响流域径流的土地利用的覆盖临界。[结果]大理河流域主要的土地利用方式为耕地、草地和林地,草地和林地对径流有抑制作用,耕地对径流存在促进作用,三者的影响系数分别为-0.125,-0.130,0.122。土地利用对径流的年内分配有一定的调控作用,但当土地利用变化较小时,这种调控作用不明显。土地利用覆盖度存在明显的边际效应,其下临界约为5%,草地的上临界为95%,林地的上临界为91%。[结论]由于流域内实际的植被条件较差,林草覆盖度仍处于较低水平,因此修复植被和适当地退耕、退草还林仍能对该流域的水土保持工作和防洪建设起到促进作用。

关键词： SWAT模型土地利用变化阈值大理河流域

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罗玉沟流域水沙变化趋势及影响因素

水土保持研究 2024年第1期31卷 151-158页

作者：秦瑞杰李平肖培青马田铂王柯凡黄河水利委员会天水水土保持科学试验站甘肃天水741000 黄河水利科学研究院水利部黄土高原水土保持重点实验室郑州450003

[目的]探讨小流域水沙变化趋势及影响因素,为黄土高原丘陵沟壑区水土流失治理和水土保持措施布设提供参考依据。[方法]采取Spearman秩次相关检验方法、累积距平法和双累积曲线法等对黄土丘陵沟壑区罗玉沟流域1986—2016年降水量、径流... 详细信息

[目的]探讨小流域水沙变化趋势及影响因素,为黄土高原丘陵沟壑区水土流失治理和水土保持措施布设提供参考依据。[方法]采取Spearman秩次相关检验方法、累积距平法和双累积曲线法等对黄土丘陵沟壑区罗玉沟流域1986—2016年降水量、径流量和输沙量变化趋势和演变过程进行分析。[结果](1) 1986—2016年罗玉沟流域年降水量趋势性变化不显著;流域年径流量和年输沙量变化具有明显的阶段性,以1993年为界,年径流量和年输沙量呈显著降低趋势。(2)降水和水土保持措施影响罗玉沟流域年径流量和输沙量,不同降水水平年,降水和水土保持措施对流域水沙变化的影响不同,水土保持措施使流域枯水年份径流量和输沙量减少最为显著。(3)水土保持措施对年径流量和年输沙量的减少贡献率分别为83.50%和80.97%。[结论]降水量变化不显著的情况下,水土保持措施对罗玉沟流域年径流量和年输沙量的减少起主导作用,水土保持综合治理对枯水年径流量和输沙量的影响幅度最大。

关键词：黄土丘陵沟壑区罗玉沟流域水沙变化影响因素

黄丘区小流域暴雨径流动力特征对淤地坝配置的响应

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农业工程学报 2022年第10期38卷 119-127页

作者：刘力玮张攀肖培青曹连海杨建臣华北水利水电大学测绘与地理信息学院郑州450045 黄河水利科学研究院水利部黄土高原水土保持重点实验室郑州450003

为定量揭示淤地坝措施配置对黄丘区小流域暴雨径流形成及演进过程的影响,采用室内小流域人工模拟降雨试验,对不同淤地坝措施布设情景下(无坝、单坝、双坝)小流域不同断面径流的水动力、侵蚀动力特征进行研究。结果表明:径流量与含沙量... 详细信息

为定量揭示淤地坝措施配置对黄丘区小流域暴雨径流形成及演进过程的影响,采用室内小流域人工模拟降雨试验,对不同淤地坝措施布设情景下(无坝、单坝、双坝)小流域不同断面径流的水动力、侵蚀动力特征进行研究。结果表明:径流量与含沙量整体均随时间推移而增大,无淤地坝布设情景下径流量增幅为114.60 cm^(3)/s,双坝情景的径流量增幅仅有70.11 cm^(3)/s;淤地坝对小流域暴雨径流演进过程的影响显著,淤地坝布设后径流流态由主要的紊流—缓流变为以层流—缓流为主,雷诺数Re减小幅度达到12.04%~85.85%;动力参数中径流功率ω和雷诺数Re可以被认为是能够较好描述不同淤地坝布设下侵蚀产沙的动力因子。研究结果对于揭示流域暴雨径流过程及成灾机理具有重要现实意义,可为科学评价水土保持措施调控径流过程的效应提供理论依据。

关键词：暴雨径流水动力侵蚀动力模拟降雨淤地坝配置

黄河流域砒砂岩区多动力侵蚀交互叠加效应研究

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水利学报 2022年第1期53卷 109-116页

作者：张攀姚文艺肖培青刘国彬杨春霞黄河水利委员会黄河水利科学研究院水利部黄土高原水土保持重点实验室河南郑州450003 中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心陕西杨凌712100

识别砒砂岩区多动力侵蚀的叠加效应,对于深化认识砒砂岩区土壤侵蚀与产沙机理,为黄河粗泥沙来源区水土流失治理及砒砂岩区生态恢复等实践提供科学依据具有重要意义。通过室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模型试验研究了砒砂岩区多动力侵... 详细信息

识别砒砂岩区多动力侵蚀的叠加效应,对于深化认识砒砂岩区土壤侵蚀与产沙机理,为黄河粗泥沙来源区水土流失治理及砒砂岩区生态恢复等实践提供科学依据具有重要意义。通过室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模型试验研究了砒砂岩区多动力侵蚀交互叠加效应。试验结果表明:单一的冻融、风蚀作用不会导致坡面产沙量的明显增加,而是增加了水力侵蚀的物质来源,只有在水力、重力等驱动因子的复合作用下才能对侵蚀产沙过程发生显著影响;砒砂岩表面风化层的存在是影响风蚀产沙的一个重要因素;复合侵蚀过程存在着显著的叠加放大效应,"冻-水"叠加效应约放大到127%,"冻-风-水"叠加效应放大至164%;砒砂岩区多动力交互作用产生的侵蚀叠加放大效应,是使其成为黄河粗泥沙核心来源区的重要原因之一。因此,复合侵蚀不是多类单相侵蚀的线性叠加,而是具有显著的非线性叠加放大效应。

关键词：冻融-风力-水力复合侵蚀多动力交互土壤侵蚀机理试验模拟砒砂岩区

横坡垄作措施下层状棕壤的积水入渗特征及其模拟

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中国水土保持科学(中英文) 2023年

作者：亓益品窦永辉王亚楠肖培青安娟山东省水土保持与环境保育重点实验室临沂大学资源环境学院水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室黄河水利科学研究院

横坡垄作系统中雨水/灌溉水易在垄沟低洼处积聚，诱发积水入渗，使得入渗特性有别于传统耕作系统。基于横坡垄作垄沟内积水特征，采用室内土柱供水实验，以层状棕壤为研究对象，分析5个积水深度(2、4、6、8和12 cm )下入渗率、湿润锋运... 详细信息

横坡垄作系统中雨水/灌溉水易在垄沟低洼处积聚，诱发积水入渗，使得入渗特性有别于传统耕作系统。基于横坡垄作垄沟内积水特征，采用室内土柱供水实验，以层状棕壤为研究对象，分析5个积水深度(2、4、6、8和12 cm )下入渗率、湿润锋运移动态变化，并利用修正的Green-Ampt模型对积水入渗过程进行模拟。结果表明：1)耕层阶段，入渗率呈急剧下降后趋于稳定趋势；过渡阶段，入渗率稳定一定时段后逐渐降低；犁底层阶段，入渗率趋于稳定；2)积水深度的增加均促进湿润锋的运移，但未改变湿润锋运移过程；3)初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率、累积入渗量等入渗参数均随积水深度增加呈幂函数增大，其中积水深度12、8、6 和4 cm下的平均入渗率较积水深度2 cm分别增加120.5%、65.4%、39.4%和29.9%；4)在解析积水深度(h)与饱和导水率(Ks(h))间呈线性正相关关系基础上(Ks(h)=0.092h+0.76)，结合湿润锋处土壤吸力(25.61 cm)，构建了模拟积水入渗过程的修正Green-Ampt模型。积水深度的增加加快土壤水分入渗，可利用修正Green-Ampt模型对积水入渗过程进行模拟。研究结果可为横坡垄作措施下水分高效利用、水资源调控提供科学依据。

关键词：积水深度入渗率湿润锋运移修正Green-Ampt模型横坡垄作

1986—2019年黄河流域地表水体动态变化及其影响因素

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地理学报 2022年第5期77卷 1153-1168页

作者：李崇巍王志慧汤秋鸿胡青峰肖培青吕锡芝刘杨华北水利水电大学测绘与地理信息学院郑州450046 黄河水利科学研究院水利部黄土高原水土保持重点实验室郑州450003 黄河水利科学研究院河南省黄河流域生态环境保护与修复重点实验室郑州450003 中国科学院地理科学与资源研究所北京100101

黄河流域水资源严重短缺,对地表水面积(SWA)开展动态监测有助于明晰地表水资源时空变化规律及其驱动机制。本文基于Google Earth Engine云平台技术,综合利用混合指数规则集、线性斜率、多元线性回归和偏微分分解等方法,揭示了黄河流域SW... 详细信息

黄河流域水资源严重短缺,对地表水面积(SWA)开展动态监测有助于明晰地表水资源时空变化规律及其驱动机制。本文基于Google Earth Engine云平台技术,综合利用混合指数规则集、线性斜率、多元线性回归和偏微分分解等方法,揭示了黄河流域SWA的年际变化及其空间分异规律,厘定了降雨、温度、植被叶面积指数、前一年SWA和水利水保措施与人类用水活动等其他因素对SWA的影响量和相对影响率。结果表明:①地表水体总体识别精度为97%。1986—2019年全流域永久性SWA年际增长速率49.82 km^(2)/a,其中主河道区贡献83.2%,且2001年为SWA变化由减小到增加的转折点;季节性SWA年际减小速率-79.2 km^(2)/a,其中子流域区贡献61.8%。②除红碱淖SWA呈显著持续减小外,其他主要天然湖泊SWA均较为稳定;6个主河道大型水库中,小浪底和龙羊峡水库SWA增加趋势最为显著;在86个子流域中,50个子流域SWA呈增加趋势,主要分布于流域中下游。③非气象要素对SWA的影响均大于气象要素影响作用。降雨对SWA的增加作用最小,温度上升造成中游地区SWA减小,但却导致源区SWA增加。植被叶面积指数增加导致主河道区和子流域区SWA变化斜率分别增加10.12 km^(2)/a和7.26 km^(2)/a。其他因素对子流域区SWA增加呈负作用,这表明子流域内剧烈用水活动对SWA的减小作用大于水利水保措施对SWA的增加作用,但是分布于主河道中的大型梯级水库调蓄功能可显著提升其对主河道区SWA的增加作用。

关键词：黄河流域地表水体面积 Google Earth Engine(GEE) 时空变化影响因素分析

黄丘区典型灌木和荒草地土壤含水量变化对降雨的响应

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水土保持研究 2022年第4期29卷 121-126页

作者：吴远菲肖培青郝仕龙杨春霞华北水利水电大学测绘与地理信息学院郑州450046 黄河水利科学研究院水利部黄土高原水土保持重点实验室郑州450003

为了研究不同土地利用方式下土壤水分的变化特征及其对降雨的响应,以黄丘区辛店沟流域坡面径流小区灌木和荒草地为研究对象,利用多探头土壤水分监测仪对研究对象0—50 cm土层土壤水分进行了连续定位观测,对不同下垫面下土壤水分的变化... 详细信息

为了研究不同土地利用方式下土壤水分的变化特征及其对降雨的响应,以黄丘区辛店沟流域坡面径流小区灌木和荒草地为研究对象,利用多探头土壤水分监测仪对研究对象0—50 cm土层土壤水分进行了连续定位观测,对不同下垫面下土壤水分的变化特征进行了系统的分析和研究。结果表明:(1)不同土地利用方式土壤水分表现出明显的季节变化特征,观测期内荒草地的平均土壤含水量为0.099,大于灌木地0.091,荒草地的土壤含水量总体要高于灌木地。(2)不同土地利用方式土壤含水量垂直变化趋势相似,总体上随着土层深度的增加而减少,具有明显的垂直变异性,灌木地对深层土壤含水量的消耗比荒草地多。(3)土壤含水量在垂直方向上对降雨的响应程度随着土层深度的增加而减小,灌木地和荒草地垂直方向上0—30 cm土层与30—50 cm土层对降雨响应表现为相反的规律。研究认为相比荒草地,灌木地土壤水分消耗更严重,且深层土壤水分受降雨补给有限,易引发土壤干层。

关键词：土壤含水量土地利用方式野外定点监测降雨黄土丘陵区