基于绿水理论的砚瓦川流域生态水文过程对变化环境的响应

发布时间：2020-04-16 10:50

【摘要】：黄土高塬沟壑区生态环境脆弱,水土流失严重。在全球气候波动以及区域实施退耕还林还草等水土保持措施的的背景下,有效揭示区域土地利用和气候变化的生态水文响应机理具有重要的意义。本研究以黄土高塬沟壑区的典型流域——砚瓦川流域为研究对象,以生态水文学中的蓝绿水理论为理论基础,分析了流域1981-2016年土地利用和气候变化规律并对未来变化趋势进行预测,在此基础上采用传统水文分析方法探讨了变化环境对生态水文过程的影响,同时利用分布式水文模型MIKE SHE和土壤侵蚀预测模型RUSLE对流域生态水文过程进行模拟,揭示绿水资源与植被生态需水的支撑耦合关系,并对未来时期变化环境下的生态水文过程进行预测。论文主要研究结论如下:(1)在不同土地利用时期,砚瓦川流域耕地面积均为最大,其次为草地,而居民地和林地面积处于此消彼长的状态,水域面积一直最小。总体来看,砚瓦川流域土地利用发生了较大的改变,主要表现在草地和居民地的减少以及林地的增加上,研究前期1981-1995年土地利用数量和空间变化很小,在中期1995-2000年土地利用变化逐渐明显,在后期2000-2016年土地利用变化达到了高潮。CA-Markov模型预测结果表明未来不同时期土地利用面积大小排序均为:耕地草地林地居民地水域,林地仍是增加最快的土地利用类型,耕地面积有所减小,草地面积有所增加,这些都与流域实施的退耕还林还草等生态恢复措施产生的土地利用驱动相吻合。(2)流域多年平均降水量为535.8 mm,整个研究期内年降水量呈现不显著的增加趋势,以平均每年1.351 mm的速度在增加,且未发生突变;流域多年平均日气温、日最高气温和日最低气温分别为9.3、14.4和5.4℃,且均呈现了极显著的增加趋势(p=0.01),各自的突变点分别发生在1 997年、1994年和1 997年;流域多年平均潜在蒸散发量为1172.1 mm,在年际上呈现极显著的增加趋势(p=0.01),以平均每年4.121 mm的速度在增加,且于1993年附近发生了突变,其中气温的升高和相对湿度的下降是造成砚瓦川流域潜在蒸散发显著增加的主要原因。未来降水及潜在蒸散发预测结果表明,降水最大的时期出现在2030s,其次为2040s,而降水最少的时期为2020s;潜在蒸散发最大的时期出现在2040s,其次为2020s,而最少的时期为2030s,但无论处于何种气候情景,流域降水和潜在蒸散发与1980-2009年均值相比均呈现增加的趋势。(3)流域多年平均绿水量、蓝水量和输沙量分别为514.2 mm、21.6 mm和1619.3 t·km-2,年绿水量存在不显著的增加趋势,而年蓝水量和输沙量呈现显著的减少趋势(p=0.05),并分别以1.865 mm·a-1、-0.118 mm·a-1和-25.825 t·km-2.a-1的速度在变化,另外,在研究期间年绿水量未发生突变,而年蓝水量和输沙量均在1998年附近发生了突变。流域降水、潜在蒸散发及下垫面变化对绿水变化的贡献率分别为65.9%、13.4%和20.7%,对蓝水变化的贡献率分别为-39.2%、54.5%和84.7%,而气候变化和土地利用变化对输沙变化的贡献率分别为12.8%和87.2%,可见,降水变化才是引起流域绿水变化的主要因素,而土地利用变化对于流域水沙变化的影响占主导地位。(4)MIKE SHE模型从整体上能较好地再现砚瓦川流域日径流动态变化,模型基准期的相关系数和纳什效率系数分别为0.836和0.629,变化期相应为0.781和0.589。根据MIKE SHE模型的输出结果,流域多年平均绿水量为509.2 mm,其中,植被蒸腾量、土壤蒸发量、植被截留量和土壤水蓄变量分别为227.1、252.3、28.4和1.4 mm,生产性绿水占到了绿水总量的44.7%。在最小生态需水量的限制下,绿水资源量能够满足植被基本生存的需水要求,而在适宜生态需水量的限制下,绿水资源量能够大体上维持草地植被正常生长,基本满足耕地农作物正常生长的需水要求,但完全不能满足林地植被正常生长的需水要求(多年平均盈亏程度为-23.7%)。(5)流域多年平均土壤侵蚀模数为3543.7 t·km-2,年土壤侵蚀模数呈现显著的下降趋势(p=0.05),其中,基准期和变化期平均土壤侵蚀模数分别为4254.0t·km-2和2917.4 t·km-2。流域土壤侵蚀呈现出较高侵蚀强度向较低侵蚀强度转化的变化特征,但是可能对于侵蚀较为强烈的地带如沟壑区及其产生的重力侵蚀还存在着一定的局限性。草地在所有土地利用类型中土壤侵蚀量占比最大,而侵蚀量最大的坡度出现在15-25°这个坡度等级,该土地利用类型和坡度区域应作为未来水土流失治理的重点区域,另外,分离评判法结果表明,土地利用和气候变化对于减小砚瓦川流域土壤侵蚀的贡献率分别为33.2%和66.8%,这说明气候变化对于流域土壤侵蚀量的减少起到了主导作用,但这是未考虑水库、淤地坝等工程措施对流域土壤侵蚀的影响所得出的结果。(6)在最小生态需水量的限制下,未来绿水资源量能够满足植被基本生存的需水要求,但是在适宜生态需水量的限制下,绿水资源量能够大体上维持草地和耕地的植被正常生长(但是在4月、5月和6月份会发生缺水),但完全不能满足林地植被正常生长的需水要求,林地在大部分月份都会出现生态缺水问题。流域RCP4·5和RCP8.5情景下的未来土壤侵蚀响应规律大致相同,以RCP4.5情景为例,砚瓦川流域2020s、2030s和2040s时期的土壤侵蚀模数平均值分别为3701.0 t·km-2、3930.2 t·km-2和3780.6 t·km-2,与现阶段2006-2016年平均土壤侵蚀模数(2251.5 t·km-2)相比,分别增加了64.4%、74.6%和67.9%。虽然在未来不同时期流域治理会继续降低流域土壤侵蚀强度,但是在降水增加的综合作用下,流域土壤侵蚀强度却呈现了较为明显的增加趋势。
【图文】：

2.1.1.1 地理位置砚瓦川流域位于甘肃省庆阳市西峰区及宁县境内，位于东经 107°37′~107°55′，北纬35°31′~35°44′，系泾河支流马莲河右岸的一条支沟。流域总面积 385.63 km2，主沟长 35.0km，海拔 947-1432 m，相对高差 485 m，沟壑密度 1.59 km/km2，沟道比降 1.29 ‰，，属于典型的黄土高塬沟壑区。砚瓦川流域地理位置及测站分布情况见图 2-1。

区地貌特征（见图 2-2）。塬面相对位置较高，地形宽阔平坦，坡度一般在 1°- 5°范围内，土壤较为肥沃，是主要的农业生产基地；梁峁坡是连接塬面与沟谷的缓坡地带，坡度多在5°-25°之间，多为农地和林牧地使用；梁峁坡以下为沟谷，沟谷坡度多大于 25°，一般在25°-70°之间，其形状在支沟多呈“V”字形，在主沟多呈“U”字形，沟谷由沟坡、沟床和河滩组成，是整个流域侵蚀最剧烈的部位。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X143


本文编号：2629698