黄河中游皇甫川水沙变化及其对气候和人类活动的响应

发布时间：2018-11-20 13:24

【摘要】：黄河水沙变化一直是备受关注的热点。近年来,受气候变化和人类活动的影响,黄河水沙锐减,导致河道萎缩,断流现象频发。定量评价黄河水沙变化特征与驱动因素,对黄河水沙的科学调控、流域综合管理与区域生态环境的可持续发展具有重要意义。黄河河口镇—龙门区间是黄河中游暴雨洪水多发区和泥沙主要来源区,是黄河流域水土保持生态建设重点区。自20世纪80年代以来,河口镇—龙门区间径流量和输沙量大幅减少,水沙关系发生显著变化。本研究系统分析河口镇—龙门区间水沙变化特征,并选择典型支流—皇甫川流域为研究对象,采用Mann-Kendall趋势检验法、Pettitt突变检验法、水文法和弹性系数法研究了皇甫川流域1954—2012年降水、径流、输沙的演变特征,定量评价人类活动和降水变化对流域水沙的贡献率;同时采用SWAT水文模型评价了气候变化、土地利用/覆被和坝库工程对流域水沙的影响程度,并选取流域内的黄家沟淤地坝研究其淤积特征,并结合降水资料,计算了黄家沟小流域的侵蚀产沙强度,用与模型模拟结果对比验证。主要研究结论如下:(1)明确了黄河河口镇—龙门区间径流和输沙量变化特征及对降水和人类活动的响应。河口镇至龙门区间56年(1957—2012年)来径流量和输沙量均呈显著减小趋势,分别以每年1.101亿m3和0.195亿t的速度减少;径流量和输沙量以1979年为临界年份发生突变性减少,但年降水量并未发生显著突变;人类活动是导致降水—径流、降水—输沙关系变化的主要原因,其对区间径流量、输沙量减少的贡献率分别为79.2%和88.1%。(2)皇甫川流域1954—2012年降水、径流和输沙量年内分配极不均匀,降水集中期变化比较稳定,方位角变化范围为195.85°~234.54°,主要集中在7、8月份,多年平均不均匀系数为1.26;受降水影响,流域径流量和输沙量年内分配也主要集中在7、8月份。皇甫川流域在年降水量未发生显著变化的情况下,径流量和输沙量呈显著减少趋势,径流量于1984年发生突变,输沙量于1989年发生突变。人类活动依然是皇甫川流域水沙减少的主要因素,通过弹性系数法计算的径流对降水变化的敏感性为1.3,降水对径流减少的贡献率为16.9%,采用水文法计算的降水变化对径流减少的贡献率为23.7%,与采用弹性系数法计算结果基本一致。(3)基于皇甫川水沙序列突变特征,采用基准期1976—1984年皇甫站的月径流输沙数据对SWAT模型进行率定和验证,模型模拟径流输沙结果的纳什系数NS和决定系数R2均超过了0.6,说明模型模拟结果满足精度要求,能够反映皇甫川流域水沙逐月变化过程,可进一步评价水沙变化对气候、土地利用/覆被和坝库工程变化的响应。(4)研究了皇甫川流域不同时期土地利用/覆被和坝库工程建设动态变化。分析了1978年、1990年和2006年土地利用/覆被时空变化,1978—1990年间,耕地、居民地、林地呈增加趋势,其中耕地增加速度最快,1990—2006年间,耕地、沙地呈减少趋势,草地呈增加趋势;流域淤地坝建设分为三个时期,1972年之前为初步建设试验阶段,该时期淤地坝数量仅45座,1973—2003年为发展阶段,该时期淤地坝增加至303座,平均每年增加9.5座,2004—2009年为大规模建设阶段,流域淤地坝数量增加了200座,平均每年增加28.6座,总库容达5.7亿m3。(5)辨析了土地利用/覆被和坝库工程对皇甫川流域水沙变化的影响。近期(1999—2012年)人类活动对皇甫川流域径流和输沙量减少的贡献率分别为74.6%和89.2%,与水文法计算的贡献率相近;其中坝库工程数量、库容及拦沙量逐年增长是引起流域径流量、输沙量减少的主要因素,分别占人类活动引起径流及输沙减少量的65.7%和69.4%,未考虑坝库的径流量和输沙量多年平均(1978—1984年)模拟值比考虑坝库的模拟值分别偏高0.32亿m3和0.122亿t;不同时期流域土地利用/覆被变化对流域产流产沙影响不同,与1978年土地利用/覆被状况相比,1990年和2006年土地利用/覆被条件引起流域产流量分别减少15.9mm和20.8mm,引起流域产沙模数分别减少0.43万t/km2和0.62万t/km2。(6)结合野外调查、实验,对比验证SWAT模型模拟结果。皇甫川流域下游的黄家沟小流域1974—2015年年均侵蚀产沙模数为1.577万t/(km2·a),属于剧烈侵蚀区;该小流域淤地坝剖面的泥沙沉积颗粒组成中,砂粒含量最高,粘粒含量最低,剖面中值粒径随深度变化有增大趋势,说明近期淤地坝拦蓄的泥沙较细;2001—2012年皇甫川流域模拟多年平均产沙模数为1.854万t/(km2·a),而通过野外剖面采样计算的黄家沟小流域的多年平均产沙模数为1.551万t/(km2·a),模拟值与实测值的偏差为19.5%,模拟结果比实测值偏高。
[Abstract]:......
【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】：2016
【分类号】：S157
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本文编号：2345035