黄土高原流域生态环境修复中的水沙响应模拟研究

发布时间：2020-08-27 10:22

【摘要】： 人类活动对水土流失区生态环境影响的研究是目前学术界普遍关注的热点问题。土地利用变化是影响流域水土流失过程的主要因素,也是人类活动影响流域水土流失环境的主要途径。本文运用水文学、泥沙运动学、水土保持学、生态学等交叉学科理论,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,以黄土高原典型流域为研究对象,利用降雨资料和流域下垫面资料对降雨产汇流过程进行了反演,探索了流域土地利用变化对流域水沙变化过程的作用机制,建立了考虑土地利用类型剧烈变化的流域次暴雨产流产沙模型;在此基础上,结合相关的土地利用变化资料和流域水土保持与生态环境建设规划,采用分布式流域水沙模拟方法,预测了未来50年黄土高原水土流失环境演变趋势。本文的主要研究成果如下: (1)建立了由基于Horton入渗曲线法的变雨强降雨逐时段产流计算模型和和Nash瞬时单位线模型构成的流域次暴雨产汇流模型;并采用五点高斯-拉盖尔求积公式结合龙贝格求积公式推求S(t)曲线值数值解,该方法与传统计算方法相比具有计算速度快和精度高等优点。 (2)提出了野外径流小区次降雨径流过程的反演方法。利用变雨强降雨逐时段产流计算方法和基于改进形心加权单纯形法的模型参数优选方法,对野外不同土地利用类型径流小区的次降雨径流过程进行了反演;初步验证结果表明,该方法可以反推野外径流小区次降雨条件下的径流过程且具有较高的计算精度,可以用于对大量已有的坡面径流小区降雨径流观测信息进行深度挖掘。 (3)提出了用于描述流域水蚀过程侵蚀输沙动力的径流侵蚀功率的概念,并建立了利用流域次暴雨洪峰流量模数和径流深两个洪水过程特征值计算径流侵蚀功率的方法;分析了坡面、坡沟和流域等不同空间尺度条件下径流侵蚀功率与次暴雨输沙模数之间的相关性,建立了基于径流侵蚀功率的次暴雨水沙响应模型;结果表明,该模型具有较高的计算精度,适用于黄土高原不同空间尺度和不同治理度的流域次暴雨产沙计算。从坡面和流域尺度上对比分析了径流侵蚀功率和降雨侵蚀力在水蚀过程中的作用,结果表明,径流侵蚀功率直接反映了降雨和流域下垫面的时空差异对水蚀过程的作用,更好地表达了水蚀动力特性,比降雨侵蚀力更敏感地反映了次降雨侵蚀产沙过程的侵蚀动力机制。 (4)以具有长期土地利用观测资料的纸坊沟实验流域为典型流域,将流域划分为农地、林地、草地、园地和非生产用地五种土地利用类型单元,在分析了不同土地利用类型单元的产流特征的基础上,以本文建立的流域次暴雨产汇流模型和基于径流侵蚀功率的次暴雨水沙响应模型为基础,建立了考虑土地利用类型剧烈变化的流域次暴雨产流产沙模型,初步验证的结果表明,模型具有较好的计算精度。 (5)在系统分析了黄土高原主要水土保持治理措施(包括林草措施、水平梯田和淤地坝等)的时空分布规律、作用过程和演化特征的基础上,利用分布式流域水沙模拟方法,以《黄河流域水土保持基本资料》和《黄土高原地区水土保持淤地坝规划》上的数据为基础资料,以2000年为现状年,以黄土高原40个支流片为计算单元,预测了2010、2015、2020、2030和2050年黄土高原的水土流失环境演变趋势,给出了相应的植被盖度、侵蚀模数、径流模数变化趋势图,初步阐明了未来黄土高原大规模水土保持生态治理的环境效应。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：X171.4;TV14
【图文】：

过程图,入渗能力,雨强,降雨入渗

p时，随着降雨强度持续的超过土壤入渗率，地表开始产流，直至降雨结束。在整个降雨过程中的实际土壤入渗过程是图2-1中的abc曲线而并不是ab’c’曲线。本文将'pt 称为虚拟积水产流时刻，而将 tp称为积水产流时刻。从图 2-1 及上述分析可以得出，定雨强降雨条件下的土壤入渗过程可以划分为两个不同的阶段，第一阶段为积水前入渗阶段（tp以前），第二阶段为积水后入渗阶段（tp以后）。在积水前入渗阶段，土壤入渗属无压入渗，主要受降雨强度控制，土壤入渗率等于降雨强度；在积水后入渗阶段，土壤入渗属有压入渗，主要受土壤入渗能力控制，土壤入渗率等于入渗能力，而与降雨强度大小无关。如果土壤入渗能力曲线采用 Horton 入渗公式描述,则实际土壤入渗率 f(t)可以表达为：( )( ) íì+->￡=--p()pttttpkttccfIfeIf t（2.2）式中：f(t)为 t 时刻的实际土壤入渗率；I 为降雨强度；f0、fc分别为土壤初始入渗率和稳定入渗率；tp为积水产流时间； k 为入渗参数。b. 产流计算方法当某定雨强降雨的平均降雨强度 I、降雨历时 tt 和降雨前期土壤含水量 S0已知时

系列图,纸坊沟流域,系列图,土地利用

分析得到的 1938～1999 年期间纸坊沟流域各类土地利用面积数据详见表 5-1。图5-1 为纸坊沟流域 1938、1958、1975、1978、1987、1990、1995、1999 年土地利用图【237】。从表 5-1 和图 5-1 可以看出，在 1938 年以来的 60 多年里，随着时间的推移，纸坊沟流域的土地利用发生了很大的变化，特别是从 1975 年开始开展水土保持综合治理以后更

分布图,分区图,流域,黄土高原

西安理工大学博士学位论文个山川秀美的西北地区”这一宏伟目标，以退耕还林换草为主要措施的生态环境建设必将对黄土高原地区的生态环境、植被生长和分布模式、不同植被类型的时空分布特征以及未来变化趋势产生深远的影响，进而对黄土高原的水土流失环境起到重大的改善作用。为了使目前的生态环境建设建立在一个科学、合理的基础上，并使决策部门对其未来的发展趋势有一个清晰的了解，需要对黄土高原未来植被覆盖的变化进行分析。6.1.1 研究方法依据植被分布的地带性特征及降雨量的分布规律，将黄土高原 44.2 万 km2的水土流失面积划分为 5 个植被带【244，245】（见表 6-1）；将黄土高原按水系划分为 40 个支流片的基础上，将支流片分布图与上述 5 个植被带在 GIS 平台上进行叠加得到各支流片在不同植被带的分布，共 93 个子单元（见图 6-1）。将每个子单元的土地利用类型划分为有林地、灌丛林地、疏林地、高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地和退耕还林地等 7 种（划分标准见表 6-2）。在此基础上，根据不同植被带内的不同植被类型的演替规律，建立了植被覆盖度与植被生长年限之间的回归关系。

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