第一章 绪论
1.1研究目的意义
人类社会发展的历史就是认识自然、改造自然的历史。随着科学技术的进步和社会经济的发展，人类对自然界的影响也愈来愈深刻，人类社会在发展的同时也给自然界带来巨大的压力，人口、粮食、能源、资源和环境等问题日趋严重，其中，环境问题首当其冲，已经引起了各国政府和人民的极大关注。环境问题从成因上可以分为原生环境问题和次生环境问题，包括全球变暖、淡水资源危机、能源短缺、森林资源锐减、土地荒漠化、水土流失等众多方面，其中水土流失问题是我国面临的突出环境问题之一。在世界上很多国家和地区，例如美国和欧盟等国家都面临着水土流失（土壤侵蚀）问题，特别是农田的水土流失严重影响了粮食生产，我国是世界上水土流失最严重的国家之一。
截至 2005 年，全国水土流失面积 356×104km2，占国土总面积的 37.1%，其中，水力侵蚀面积 165×104km2，风力侵蚀面积 191×104km2。黄土高原地区是我国乃至世界上水土流失最严重、生态环境最脆弱的地区，侵蚀模数大于 1000t/(km2 a)的轻度以上水土流失面积达 45.4×104km2，占区域土地总面积的 70.9%（吴普特等 2006）。黄土高原由于长期的过度开垦和放牧，大面积的毁林、毁草以及不合理的土地利用方式等使得土地退化、水土流失严重，洪灾、旱灾等各种灾害频繁发生，生态系统日益脆弱，环境问题日益严重。
历史上黄河经常在中下游地区发生泛滥、决口及改道等灾害，给黄河两岸的人民群众带来深重的灾难，究其原因主要是黄河中游地区的水土流失问题。我国劳动人民早在周朝时期就注意到了水土流失问题，诗经中就有“原隰既平，泉流既清”的诗句，《左传》中有论证土地利用方式的记载，《尚书》中就有沟洫管理的记载（辛树帜等 1982），沟洫管理其实就是小流域综合治理的开端。
二十世纪七十年代以来，为改善生态环境，防治水土流失，我国在黄土高原地区开展了大规模的水土流失治理工作，既有修建梯田、条田、鱼鳞坑、池塘、水坝等直接工程措施，还包括营造林草植被以改变下垫面的生物措施，开展水土保持工作 40 年来取得了很大成就，无论是水土流失面积还是侵蚀产沙量都大大减少。但是对于一些理论问题研究还不够深入，例如，流域产流产沙的基本理论问题，评价水土保持措施效益的问题，流域水土保持措施的规划和优化配置问题等，都需要深入研究。本文依据已有的研究成果，并结合秃尾河流域实测资料，对水土保持措施效益进行研究，为更好地治理黄河中游流域水土流失提供支持。
1.2研究进展及存在问题
水土保持措施是指为防治水土流失，保护、改良与合理利用水土资源而采取的土地利用调整、农业耕作、造林种草及工程措施的总称。当前，对水土保持措施蓄水保土效益评价的研究方法主要分为两大类，对比分析法和模拟分析法。对比分析法以实测资料为基础，根据治理与非治理流域(时期)实测的径流泥沙资料，分析流域综合治理对径流和泥沙输移的影响，该方法包括集水区对比分析法和时间序列对比分析法。在模拟分析法中，根据建立模型的不同，可以分为成因分析法（水保法）、统计模型法(水文法)和物理模型法等，其中最常用的是成因分析法和统计模型法，即水保法和水文法。
1.2.1对比分析方法
对比分析法可以分为集水区对比分析法和时间序列对比分析法。集水区对比分析法就是在同一地区，选择集水面积、地貌、土壤和气候等因素基本一致的集水区，对两个治理水平（措施）不同的的集水区同时进行较长期的降水、径流和泥沙等要素的观测，对比分析水土保持措施对径流变化和输沙量的影响。时间序列对比分析法以同一流域为研究对象，根据相同水文站的实测资料，分析实行水土流失治理前后水文要素的变化，评价水土保持措施的蓄水保土效益。
第二章 流域概况
2.1 流域位置
秃尾河是黄河中游右岸的一级支流，在窟野河与佳芦河之间。秃尾河在《水经注》中称为“诸次水”，因为上游支流稀少所以称“秃尾”。秃尾河发源于神木县瑶镇乡红碱淖，干流为西北-东南流向，流经神木县瑶镇、锦界、高家堡和乔岔滩等乡镇，在万镇乡的河口岔村汇入黄河。秃尾河流域位于陕西省北部，鄂尔多斯盆地东部，毛乌素沙漠边缘，在行政区划上流域分别属于榆林的神木县、佳县和榆阳区，地理位置在东经 109°45′~110°35′和北纬38°10′~39°10′之间，秃尾河干流全长 139.6km，流域面积 3294km2，平均比降 3.6‰。
2.2 气候与水文
秃尾河流域属于中温带寒冷大陆性气候区，光热资源丰富。根据神木县气象观测的气象资料，流域多年平均气温 8℃，最高月（7 月份）平均气温 23.9℃，最低月（1 月份）平均气温-9.8℃，多年平均日照 2871h，平均风速 2～3.6m/s，多年平均最大风速 19m/s，多年平均无霜期 175 天，多年平均冰封期 84 天，最大积雪深度 120mm，水温大于 15℃以上 150 天，年最大冻土深度 146cm。流域多年平均水面蒸发量为 1120mm，多年平均年降水量 393mm，年降水变差系数在 0.4 左右，降水量自东南向西北递减。流域降水量年内分布不均匀，6～9 月降水量占全年降水量的 60%以上。根据高家川站径流资料，多年平均流量为 11.1m3/s，多年平均径流量为 3.4×108m3，多年平均输沙量 1653×104t。
第三章 流域水文要素特性分析 .....................................19-42
3.1 水文时间序列分析方法 .....................................19-24
3.2 降水量变化特征分析..................................... 24-27
3.3 径流变化特征分析 .....................................27-32
3.4 输沙量变化特征分析..................................... 32-37
3.5 水土保持措施变化分析..................................... 37-39
3.6 洪水泥沙输移特征..................................... 39-41
3.7 小结..................................... 41-42
第四章 水土保持措施蓄水效益..................................... 42-53
4.1 蓄水效益统计模型..................................... 42-51
4.2 水保措施与蓄水效益关系..................................... 51-52
4.3 小结..................................... 52-53
第五章 水土保持措施保土效益..................................... 53-59
5.1 保土效益统计模型..................................... 53-56
5.1.1 双累积曲线法..................................... 53-54
5.1.2 降水输沙关系法..................................... 54-55
5.1.3 成因分割法..................................... 55
5.1.4 汛期分割法..................................... 55-56
5.1.5 保土效益分析结果..................................... 56
5.2 水保措施与保土效益关系.....................................56-58
5.3 小结 .....................................58-59
结论
本文以黄河中游秃尾河流域为研究对象，通过对分析流域年降水量、年径流量及年输沙量水文时间序列的趋势突变规律和水土保持措施变化特征，研究秃尾河流域水文变化情势，并利用多种方法分析评价秃尾河流域水土保持措施对径流量和输沙量的影响，比较分析各种方法得出的计算结果并研究各方法的计算特征，得出以下结论。
秃尾河流域年降水量及年输沙量年际变化大，并且具有阶段性特征。秃尾河流域年降水量基本没有显著的减小或增大趋势，径流量、输沙量减少趋势显著。利用基尼系数等分析，降水量和输沙量年内分配很不均匀，降水和输沙主要集中在7、8 月份，集中程度高。径流量年际变化不大，年内分配相对比较均匀。利用 Mann-Kendall 突变点检验、有序聚类和 Lee-Heghinian 法综合分析表明，高家堡站年径流量在 1978 年发生突变，年输沙量在 1971 年发生突变。洪水输沙特性分析表明，上世纪 50 年代至 70 年代末，高含沙水流频次很高，单位洪量携带的泥沙较多；70 年代末至 80 年代末，大规模的水土保持措施使高含沙水流发生的频次减小，且单位洪量携带的泥沙大量减少；80 年代末期，高含沙水流的发生频次及单位洪量携带的泥沙量再度增大。
利用不同的方法评价水土保持措施蓄水效益，双累积曲线法计算结果为，蓄水效益为 21.21×108m3，占径流总减少量的 61.4%，成因分割法计算的蓄水效益为 20.15×108m3，占径流总减少量的 58.3%，汛期分割法计算的蓄水效益为 23.56×108m3，占径流总减少量的 68.2%。双累积曲线法要求两因素的正比关系以及其关系的稳定性，秃尾河流域径流补给以地下水补给为主，其降雨-径流正比关系相对较差，计算结果误差较大。成因分割法和汛期分割法基本思路相似，都是将径流量分为两部分，分别计算其效益后相叠加，但是成因分割法计算结果较小，而汛期分割法较大。成因分割法基于径流循环特性分割计算，而汛期分割法则是将径流经验性的分割为汛期和非汛期径流，有一定的局限性，且汛期分割法中回归分析方法结果误差较大，综合考虑，成因分割法结果比较合理。秃尾河流域由于水土保持措施影响，1972~2005 年共减少径流量约 20×108m3，水土保持措施蓄水效益约为 60%。
通过分析水保措施与保土效益关系可以看出，保土效益波动较大。通过回归分析公式可以看出，梯田系数为负值，即随着梯田面积增加，保土效益呈减小趋势，这与大多数研究是不相符的，有待于进一步深入研究，而林地、草地和坝地的系数为正值，且以草地的系数最大，坝地系数次之，表明草地和坝地对保土效益的贡献率较大。