【摘要】：干旱缺水与水土流失并存是制约黄土高原生态建设与经济社会可持续发展的主要瓶颈。降雨径流调控利用是同步缓解干旱缺水与水土流失两大难题的有效途径。如何在揭示黄土高原干旱时空变异规律基础上，科学确定区域雨水资源化潜力是实现降雨径流调控与高效利用的基础。本文利用流域水文模型、地理信息系统、遥感技术、经典统计学以及地统计学等方法，对比分析多种干旱指数的优缺点，构建基于水文过程的干旱评价方法，利用多种不同干旱指数分析和评价黄土高原干旱时空变异过程。利用遥感影像探究退耕还林（草）工程实施对黄土高原植被恢复的影响。在气候暖干化和植被恢复引起区域生态用水量增加的大背景下，定量评价黄土高原不同区域雨水资源化潜力大小、构成及其时空分布，得到如下主要研究结果： （1）针对传统帕默尔干旱指数（Palmer Drought Severity Index, PDSI）在统计各水量平衡分量时，采用基于简单水量平衡原理的双层水桶模型估算区域内蒸散发、径流和上下层土壤含水量的变化，未考虑不同土壤、植被类型以及地形对区域水量平衡的影响，本研究利用可变下渗容量（Variable Infiltration Capacity，VIC）模型代替了传统PDSI指数中的双层水桶模型，并采用分级修正的方式，改进了传统PDSI指数中气候特征系数K的确定方法，建立了基于水文过程的帕默尔干旱指数（VIC-PDSI）。该指数能够较为准确的反映黄土高原干旱时空变异过程。由于VIC-PDSI指数考虑因素全面，物理机制清晰，在实时监测和评估干旱发生发展过程及其时空分布上存在较大应用潜力。 （2）建立了基于水文过程的多时间尺度干旱指数：标准化水分距平指数（Standardized Moisture Anomaly Index，SZI）。由于VIC-PDSI不具备分析不同时间尺度干旱时空变异的功能，且其空间可比性较差；而标准化降水蒸散指数（SPEI）未考虑区域真实的水量平衡过程，其物理意义不明确，无法完整反映干旱发生发展物理过程。本研究综合考虑了VIC-PDSI和SPEI的优缺点，基于可变下渗容量模型对区域水文过程的模拟，得到水量平衡各分量逐月的实际值、可能值和它们相应的多年平均值，进而计算气候适宜降P^ 水量，得到逐月水分距平指数Z。利用Z指数代替SPEI中的降水量与潜在蒸发蒸散量之差D，采用log-logistic概率分布函数来描述水分盈亏量的变化，经正态标准化得到SZI。由于区域的真正水分支出量应为实际蒸发蒸散量（ET），而非PE，且PE往往远远高于ET，某些地区ET与PE之间甚至是负相关关系。因此，水分距平指数Z是一个比P与PE之差D更好的水分盈亏评价指标。SZI与NDVI、标准化径流指数之间较高的相关性表明其能够更准确的反映区域干湿变化过程。由于SZI考虑了区域水文循环的物理过程，可同时反映水分供给与水分需求对干旱时空变异的影响，且具有多时间尺度分析功能，空间可比性较强，故该指数的建立可为区域干旱时空变异研究提供新思路和新方法。 （3）基于多种不同干旱指数对黄土高原干旱时空变异过程进行了分析，并统筹考虑不同干旱指数所得结果，综合分析黄土高原干旱时空变异特征。结果表明，近40年黄土高原大部分区域呈现出显著的暖干化趋势，其突变时间为20世纪90年代初。对于黄土高原全区而言，其多年平均干旱面积比例为27.1%，中等程度以上干旱面积比例为10.8%。黄土高原干旱频数和严重程度均呈现出由东南向西北递增趋势，位于黄河上游的4~6分区干旱频数和严重程度明显高于地处黄河中游的1~3分区，其中4~6分区部分区域干旱频数超过了25%，干旱发生概率极高。基于VIC-PDSI的干旱统计结果表明黄土高原大部分极端干旱事件发生于1976~1982、1997~2001和2003~2008年间，因此这3个时间段为黄土高原最旱时段。此外，本研究基于VIC-PDSI与ArcGIS软件，建立了能够综合反映干旱程度、干旱频率、持续时间和空间范围的干旱权重指数（DAI），结果表明黄土高原受干旱长期性影响程度空间上呈由东南向西北递增趋势，其DAI取值范围为11~26（注：DAI值越大说明受干旱长期性影响越严重）。黄土高原1~3分区是退耕还林（草）工程的重点区域，近年来其主要定位为生态恢复区，而4~6分区坐落着许多大型灌区，如河套灌区、宁夏沿黄灌区等，因此该区是黄土高原的主要农业生产区域。由于4~6分区较为缺水，且频繁的受到干旱的危害，加之其干旱频率和受旱面积呈现出逐年增加的趋势，因此有关部门需采取一定的有效措施，合理调控利用区域地表水和土壤水资源，以缓解干旱缺水对黄土高原农业生产的不利影响。（注：1区为黄河河龙区间；2区为泾洛渭区域；3区为汾河-伊洛沁河区域；4区为黄河内蒙古河段；5区为祖历河清水河区域；6区为风沙区） （4）采用GIMMS和SPOT VGT两种数据集的归一化植被指数作为植被覆盖度评价指标，并结合坡度数据和土地利用数据，综合分析了近30年黄土高原不同坡度植被覆盖时空演变趋势和植被类型转化方向。结果表明：大规模植被建设实施前，黄土高原植被覆盖呈现出年际波动状态，个别地区植被覆盖状况虽有所好转，但大部分区域植被无明显的恢复趋势。自1999年退耕还林（草）工程实施以来，大规模植被建设促进了该区植被恢复，黄土高原年度NDVI平均值和最大化值增加显著。同时，研究区植被覆盖在空间上也呈现出明显的区域性增加趋势，其中以黄土高原丘陵沟壑区植被恢复态势最为明显。黄土高原易发生土壤侵蚀的坡耕地大面积的转化为了草地和林地，未利用地面积明显减少，坡地植被覆盖状况得到了明显改善。黄土高原植被生长的水分敏感期为5~8月，大规模植被建设提高了植被恢复应对干旱缺水的能力。退耕还林（草）工程实施后，研究区植被状况虽有所好转，但截止2012年，处于较低植被覆盖水平的区域面积依然占较大比例，黄土高原生态环境建设有待于进一步加强。 （5）构建了基于可变下渗容量模型的黄土高原雨水资源化潜力计算方法，定量评价和计算了不同区域雨水资源化潜力的大小、构成及时空分布，探讨了气候变化和植被恢复对雨水资源化潜力的影响。结果表明：黄土高原雨水资源化潜力多年平均值为731.10亿m3，平均水层深度为114.34mm，其中地表径流占39.6%，土壤有效水占60.4%。研究区雨水资源化潜力空间上呈由东南向西北递减趋势，可利用潜力较大的区域主要分布在黄河中游地区，主要包括黄河河龙区间、泾河、渭河、北洛河、汾河、沁河以及伊洛河流域。在气候暖干化和植被恢复的影响下，黄土高原大部分区域雨水资源化潜力呈现出一定的降低趋势，该降低趋势在未来存在一定的持续性；尤其是雨水资源化潜力较为丰富的黄土高原南部地区，其降低趋势显著，且该降低趋势持续性较强。由于土壤有效水是雨水资源化潜力的主要组成部分，因此在今后研究和生产实际过程中，应加大对土壤扩蓄增容、土壤抑蒸保墒和土壤水-作物水高效转化等技术的研发和应用，以充分利用雨水资源，促进生态建设和经济社会的可持续发展。对于雨水资源化潜力相对丰富的黄河河龙区间、泾洛渭流域和汾河-伊洛沁河流域，其地表径流占雨水资源化潜力比例相对较高，同时该区又是黄河泥沙的主要来源地，因此可重点开发和应用降雨径流汇集、蓄存和集雨补灌等相关技术，为区域农业生产和退耕还林（草）工程提供水源，以达到合理调控利用地表径流，减缓水土流失的双重目的。 研究通过5年的工作，建立了基于水文过程的帕默尔干旱指数和标准化水分距平指数；分析和评价了黄土高原干旱时空变异特征；探究了近30年黄土高原植被覆盖时空演变趋势及其对干旱的响应；构建了基于可变下渗容量模型的黄土高原雨水资源化潜力计算方法，定量评价了黄土高原不同区域雨水资源化潜力的大小、构成及其时空分布，研究结果可为黄土高原干旱防治规划和应急预案的制定、退耕还林（草）工程实施成效的评价，以及雨水资源化潜力评价和雨水资源高效利用提供理论依据和科技支撑。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S271
【参考文献】
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本文编号：
2738009
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