黄土高塬沟壑区砚瓦川流域径流泥沙对气候变化与人类活动的响应

发布时间：2017-07-19 07:24

  本文关键词：黄土高塬沟壑区砚瓦川流域径流泥沙对气候变化与人类活动的响应

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【摘要】：黄土高原是我国水土流失最严重的地区,全球气候变化和人类活动日益加剧,特别是近年来大范围退耕还林还草等水土保持措施的实施,对下垫面产生了极大影响。本研究以黄土高塬沟壑区砚瓦川流域为研究对象,采用1981-2009年流域主要气象站和水文站的实测资料以及三期(1985、1996和2009年)土地利用数据,运用数理统计分析结合RS、GIS等技术,及景观生态学方法,定性描述与定量分析相结合,建立砚瓦川流域的数字流域模型,分析气候水文要素特征和土地利用格局演变,计算流域综合治理后的减水减沙效应,并定量评估气候及人类活动因素对径流泥沙的影响,进而模拟次降雨产流并分析流域土壤侵蚀强度。论文主要研究结论如下:(1)1981-2009年砚瓦川流域年均气温呈显著上升趋势,上升幅度为0.081℃/a;四季平均气温均上升显著,上升幅度分别为0.125℃/a、0.065℃/a、0.067℃/a和0.082℃/a;1997年之前为偏冷时期,之后为偏暖时期。年极端最高气温呈显著上升趋势,上升幅度为0.094℃/a;年极端最低气温呈不显著下降趋势,下降幅度为-0.019℃/a。1981-2009年年降水呈不显著下降趋势,下降幅度为-1.521mm/a;四季中春季降水下降显著,秋季降水下降不显著,夏冬两季呈不显著上升趋势。年最大日降水量、极端降水量、极端降水频率和极端降水强度下降不显著,下降幅度分别为-0.064 mm/a、-0.864 mm/a、-0.080次/a和-0.008 mm·d-1/a;严重干旱事件增加不显著,增加幅度为0.085次/a。年降水量在空间上总体呈西高东低的态势。1981-2009年相对湿度呈不显著下降趋势,下降幅度为-0.178%/a,潜在蒸发散显著上升,上升幅度为5.672 mm/a。(2)采用1985、1996和2009年的土地利用数据,分析砚瓦川流域土地利用的时空变化特征,结果显示1985-1996年各地类相对稳定。1985-2009年林地增加程度最大,面积增加258.06%,动态度为10.75%;草地减少最多,面积减少38.22%,动态度为-1.59%;从转移矩阵上看面积转化最活跃的是林地、草地和耕地。从各地类重心变化上看,林地和草地的重心向西南方向迁移,居民地的重心向西北方向迁移,水域向西迁移。从景观角度分析土地利用景观异质性增大,景观平均程度提高,土地利用景观稳定性提高,水土流失的可能性降低。从植被覆盖上看,1981-2009年生长季NDVI呈显著上升趋势,上升幅度分别为每年0.0042。(3)1981-2009年年径流量呈显著下降趋势,变化幅度为-9.573万m3/a;汛期径流量下降趋势显著,下降幅度为-6.643万m3/a。四季中春夏两季径流量呈显著下降趋势,秋冬两季的下降趋势不显著,四季径流量下降幅度分别为-3.583万m3/a、-2.607万m3/a、-1.213万m3/a和-0.786万m3/a。1981-2009年年输沙量呈显著下降趋势,下降幅度为-2.458万t/a,汛期输沙量呈显著下降趋势,变化幅度为-2.389万t/a。四季输沙量均呈显著下降趋势,下降幅度分别为-0.736万t/a、-16.22万t/a、-0.702万t/a和-0.006万t/a。1981-2009年洪水发生频次呈显著下降趋势,大多发生在7-9月,最大洪峰多发生在7-8月。(4)采用双累积曲线等方法得到1997年为砚瓦川流域减水减沙作用明显生效的转折年,据此将整个研究时段分为两个时期,1981-1997年为基准期,1998-2009年为治理期。治理期砚瓦川水文站控制流域减水减沙效应值分别为27.2%和75.9%。治理期降雨因素有增加径流量和输沙量的作用,其平均降水量、降雨侵蚀力、极端降水量和极端降水强度较基准期分别增加2.61%、12.47%、3.19%和5.05%;而治理期下垫面状况的改善有减少径流量和输沙量的作用,其生长季NDVI值较基准期增长20.59%。在此基础上定量分析得到人类活动对减水减沙贡献率分别为108.9%和105.1%,降水对减水减沙贡献率为-8.9%和-5.1%。从1981-2009年径流深和输沙模数间的次降雨水沙关系特征上看,单位径流输沙量趋于稳定的临界径流深为3 mm;在年、次降雨时间尺度上,治理期较基准期水沙关系都变化显著,其单位径流的输沙量显著降低。(5)采用GIS与SCS模型相结合对基准期和治理期次降雨径流深的空间分布变化进行分析,结果显示治理期对下垫面的改造方向,即增加林地、减少荒草地以及提高植被覆盖度,使得产流量减少,其中,塬面径流减少程度较低,沟壑区径流减少程度较高。以20090816次降雨作为参照,在降雨条件不变的情况下设置不同的土地利用/覆被变化情景并模拟产流,结果显示在草地全部转成林地的情景下,径流深减少0.34 mm,径流量减少124.53万m3;在林草覆盖度由目前的中覆盖度提高到高覆盖度的情景下,径流深减少0.66 mm,径流量减少241.74万m3,且两种情景的土地利用/覆被变化都对流域中部沟壑区的径流影响较大。(6)采用GIS与RUSLE模型结合得到砚瓦川流域基准期和治理期的平均侵蚀模数分别为6474.82 t·km-2·a-1和3414.43 t·km-2·a-1,侵蚀强度由基准期的强度侵蚀降低到治理期的中度侵蚀。微度侵蚀主要集中在塬面,强度以上侵蚀主要集中在沟壑区。治理期与基准期的侵蚀强度相比,微度、轻度、中度和强度侵蚀面积都有所增加,分别增加7.87%、55.88%、1.99%和18.66%,极强度和剧烈侵蚀等级面积分别减少9.86%和58.59%;各侵蚀等级都较大程度地向低一等级的土壤侵蚀强度转化。平均土壤侵蚀模数随着坡度增大而增加,在不同坡向上排序为阳坡半阳坡半阴坡阴坡。并定量分析得到治理期降雨及土地利用变化因素减少土壤侵蚀的贡献率分别为-12.36%和112.36%。假设在降雨条件不变的前提下,若草地转成林地,侵蚀量将减少41.71%;若林草覆盖度由中覆盖度提高到高覆盖度,侵蚀量将减少38.19%。
【关键词】：黄土高塬沟壑区 砚瓦川流域 气候变化 人类活动 径流泥沙
【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】：2015
【分类号】：P333
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 前言15-23
• 1.1 研究背景及意义15-16
• 1.2 国内外研究进展16-23
• 1.2.1 气候对流域径流泥沙的影响16-18
• 1.2.2 人类活动对径流泥沙的影响18-20
• 1.2.3 水沙关系特征及变化研究20
• 1.2.4 SCS水文模型的研究进展20-22
• 1.2.5 RUSLE侵蚀模型的研究进展22-23
• 第二章 研究内容与方法23-30
• 2.1 研究区概况23-25
• 2.1.1 地理位置与地质地貌23
• 2.1.2 气候与水文条件23-24
• 2.1.3 土壤与植被24
• 2.1.4 社会经济概况24-25
• 2.1.5 水土流失与综合治理概况25
• 2.2 数据收集与预处理25-27
• 2.2.1 DEM数据25
• 2.2.2 气象与水文数据25-26
• 2.2.3 土壤与土地利用/覆被数据26-27
• 2.3 研究内容27-28
• 2.3.1 砚瓦川流域数字流域模型的建立27
• 2.3.2 砚瓦川流域气候水文要素的变化特征分析27
• 2.3.3 砚瓦川流域土地利用/覆被变化分析27
• 2.3.4 定量分析气候和人类活动对水沙变化的影响27
• 2.3.5 基于SCS模型的径流模拟27
• 2.3.6 基于RUSLE模型的土壤侵蚀评估27-28
• 2.4 研究方法28-29
• 2.4.1 气象水文数据分析方法28
• 2.4.2 土地利用变化分析28
• 2.4.3 减水减沙效应计算及气候与人类活动贡献率的定量评估28
• 2.4.4 模型模拟方法28-29
• 2.5 技术路线29-30
• 第三章 砚瓦川流域数字流域模型建立30-39
• 3.1 流域范围确定及河网提取30-33
• 3.1.1 计算水流方向30
• 3.1.2 洼地填充30-31
• 3.1.3 生成流域边界31-32
• 3.1.4 河网及河流长度提取32-33
• 3.2 DEM地形特征提取33-37
• 3.2.1 海拔33-34
• 3.2.2 坡度34-35
• 3.2.3 坡向35-36
• 3.2.4 地形起伏度36
• 3.2.5 地面粗糙度36-37
• 3.3 子流域划分及其地形特征37-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第四章 砚瓦川流域气候变化分析39-57
• 4.1 研究方法39-43
• 4.1.1 泰森多边形法39-40
• 4.1.2 Sen斜率估计法40
• 4.1.3 滑动平均法40-41
• 4.1.4 距平法41
• 4.1.5 Mann-Kendall趋势检验法41-42
• 4.1.6 克里金空间插值法42
• 4.1.7 极端事件阈值确定42
• 4.1.8 潜在蒸发散的计算方法42-43
• 4.2 气温变化分析43-48
• 4.2.1 平均气温统计参数分析43-44
• 4.2.2 平均气温趋势分析44-45
• 4.2.3 平均气温年内变化45
• 4.2.4 极端气温分析45-48
• 4.3 降水变化分析48-54
• 4.3.1 降水统计参数分析48-50
• 4.3.2 降水年际与季节变化趋势50
• 4.3.3 降水年内变化50-51
• 4.3.4 降水频率分析51-52
• 4.3.5 降水空间分布特征52-53
• 4.3.6 极端降水分析53-54
• 4.4 相对湿度54-55
• 4.5 潜在蒸发散55
• 4.6 本章小结55-57
• 第五章 砚瓦川流域土地利用/覆被变化57-66
• 5.1 研究方法57-60
• 5.1.1 支持向量机法57-58
• 5.1.2 土地利用/覆被变化幅度58
• 5.1.3 土地利用动态度58
• 5.1.4 土地利用变化强度指数58
• 5.1.5 土地利用转移矩阵58-59
• 5.1.6 土地利用重心变化分析59
• 5.1.7 景观特征指数的生态意义59-60
• 5.2 土地利用分类及空间结构特征60-61
• 5.2.1 土地利用分类60
• 5.2.2 土地利用空间结构特征60-61
• 5.3 土地利用变化分析61-63
• 5.3.1 土地利用变化的数量分析61-62
• 5.3.2 土地利用转移矩阵分析62
• 5.3.3 土地利用重心转移分析62-63
• 5.3.4 土地利用景观格局变化分析63
• 5.4 植被覆盖变化分析63-65
• 5.4.1 NDVI数据预处理63-64
• 5.4.2 NDVI统计参数及变化趋势分析64-65
• 5.4.3 NDVI与主要气候因子的关系65
• 5.5 本章小结65-66
• 第六章 砚瓦川流域水沙变化特征66-75
• 6.1 研究方法66
• 6.1.1 变化趋势分析法66
• 6.1.2 洪水频率分析66
• 6.2 径流变化特征66-69
• 6.2.1 径流统计参数分析66-68
• 6.2.2 径流趋势分析68
• 6.2.3 径流年内分布特征68-69
• 6.3 泥沙变化特征69-71
• 6.3.1 泥沙统计参数分析69-70
• 6.3.2 泥沙趋势分析70-71
• 6.3.3 泥沙年内分布71
• 6.4 洪水变化特征71-73
• 6.4.1 洪水统计分析71-72
• 6.4.2 洪水频率分析72-73
• 6.5 本章小结73-75
• 第七章 气候和人类活动对砚瓦川流域水沙变化的影响75-90
• 7.1 研究方法75-77
• 7.1.1 突变点检验法75-76
• 7.1.2 水沙效应计算方法76
• 7.1.3 气候和土地利用变化对水沙影响的贡献率的分割76
• 7.1.4 Kolmogorov-Smirnov检验76-77
• 7.1.5 带指示变量的回归分析77
• 7.2 径流泥沙变化时段确定77-81
• 7.2.1 水沙变化时段确定77-78
• 7.2.2 突变点前后的要素特征78-81
• 7.3 水沙效应分析81-82
• 7.4 降水与人类活动对水沙变化影响的定量评估82
• 7.5 水沙关系变化82-88
• 7.5.1 年水沙关系变化82-83
• 7.5.2 次降雨水沙关系变化83-87
• 7.5.3 流域治理对水沙关系变化的影响87-88
• 7.6 本章小结88-90
• 第八章 基于GIS和SCS模型的砚瓦川流域径流模拟90-98
• 8.1 SCS模型90-91
• 8.2 模型验证91-93
• 8.2.1 确定流域CN值91-92
• 8.2.2 产汇流计算92-93
• 8.2.3 参数 λ 率定93
• 8.3 产流空间模拟93-94
• 8.4 土地利用变化对径流的影响94-97
• 8.4.1 突变点前后土地利用变化对径流的影响94-96
• 8.4.2 设定土地利用变化情景下径流的响应分析96-97
• 8.5 本章小结97-98
• 第九章 基于GIS和RUSLE的砚瓦川流域土壤侵蚀评估98-108
• 9.1 RUSLE模型98
• 9.2 RUSLE模型因子的确立98-102
• 9.2.1 降雨侵蚀力因子R98-99
• 9.2.2 土壤可蚀性因子K99-100
• 9.2.3 地形因子LS100-101
• 9.2.4 覆盖与管理因子C101-102
• 9.2.5 水土保持措施因子P102
• 9.3 砚瓦川流域土壤侵蚀强度变化102-104
• 9.4 土壤侵蚀与地形因子的关系104-105
• 9.4.1 土壤侵蚀与坡度的关系104-105
• 9.4.2 土壤侵蚀与坡向的关系105
• 9.5 降水和土地利用变化对土壤侵蚀的影响105-106
• 9.6 土壤侵蚀情景模拟106
• 9.7 本章小结106-108
• 第十章 结论与研究展望108-112
• 10.1 主要结论108-111
• 10.1.1 气候时空变化特征108
• 10.1.2 土地利用/覆被动态变化及景观格局异质性研究108-109
• 10.1.3 水沙变化特征109
• 10.1.4 气候和人类活动对水沙变化的影响109-110
• 10.1.5 基于GIS和SCS的径流模拟110
• 10.1.6 基于GIS和RUSLE的土壤侵蚀评估110-111
• 10.2 研究展望111-112
• 参考文献112-128
• 致谢128-129
• 作者简介129

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本文编号：561763