基于AnnAGNPS模型的黄土高原小流域土壤侵蚀和养分流失定量评价

摘要

水土流失是全球性的环境问题。它不仅造成土壤侵蚀、土地生产力下降，而且严重破环了生态环境，同时，侵蚀的泥沙淤积水库、塘坝，淤塞河床并严重影响库容、航运。另一方面，各种养分和污染物质随水土流失进入水体，导致水环境恶化，这已成为非点源污染的主要原因。 本研究选择位于黄土丘陵沟壑区的晋西北河曲县砖窑沟流域为试验区，在3S技术的支持下，使用非点源污染模型AnnAGNPS进行径流量、土壤侵蚀和养分流失定量评价，为控制水土流失利非点源污染提供依据。 通过深入分析流域降雨特征、模拟单元的划分、土壤相关参数的转换、航片判读解译、土地利用管理特点等，进行了模型参数的选择，建立AnnAGNPS模型数据库。 在流域出口建立卡口站，进行基于过程的汛期水文水质全面监测，同时在流域内设立径流小区，分析了径流事件中径流量、沉积物量、氮和磷负荷规律。敏感性分析针对不同土地利用类型径流曲线CN值的选择对径流量和沉积物量的影响，其敏感性大小的排列顺序为：黄土沟壑地＞裸岩＞马铃薯地＞糜子地＞荒地＞刺槐和杨树地＞天然草地＞灌木林地。基于流域水文水质监测，进行了模型检验。在三年的(1988年、1989年和2004年)模拟中，径流量模拟值是观测总值的110％，沉积物量模拟值是观测总值的90％，可见AnnAGNPS模型能够比较理想的模拟流域长期的径流量和沉积物量；2004年流域出口全氮和全磷总负荷的模拟值分别是观测值的58％和108％，其中，全氮模拟误差较大，但仍在接受范围之内，模型可以用来研究黄土丘陵沟壑区氮磷养分流失。 在模型检验的基础上，模拟砖窑沟流域不同土地利用状况下基于地块单元的土壤侵蚀和养分流失空间分布，从土壤侵蚀和养分流失与环境因子的关系分析入手，研究黄土丘陵沟壑区地块单元上径流量、土壤侵蚀、全氮和全磷侵蚀在的时空变化及其影响因子。结果表明，在1987年和2004年土地利用状况下，平均径流深分别为23.4mm·yr-1和22.4mm·yr-1；平均土壤侵蚀强度分别为3590Mg·km-2·yr-1和3512Mg·km-2·yr-1；平均全氮侵蚀强度分别为1295kg·km-2·yr-1和1319kg·km-2·yr-1；平均全磷侵蚀模数分别为1748kg·km-2·yr-1和1767kg·km-2·yr-1。径流量、土壤侵蚀、氮和磷侵蚀在各种土地利用类型之间存在明显差异，尤其是土壤侵蚀。黄土沟壑地平均的土壤侵蚀强度、全氮侵蚀强度和全磷侵蚀强度明显高于其它类型，造成的土壤侵蚀量、全氮和全磷侵蚀量均占总侵蚀量的90％左右，其次为荒地。黄土沟壑地、居民点和裸岩的平均径流量均较大，其次为坡地、坝地和梯田。由于土地利用受坡度、坡向、海拔等地形因子的影响，土壤侵蚀和养分流失存在明显的地形分异。 通过研究确定了流域土壤侵蚀风险区，占流域总面积的36.65％(1987年)和35.63％(2004年)，平均的土壤侵蚀强度为9663Mg·km-2·yr-1(1987年)和9670Mg·km-2·yr-1(2004年)，并集中在黄土沟壑地和荒地。由于沟道存在很强的沟床和沟壁侵蚀，沟道也成为土壤侵蚀风险区。在此基础上，进行流域土地利用规划，模拟结果显示：流域平均土壤侵蚀强度比2004年降低了64.51％，淤地坝起到了一定的拦水拦沙效益，土壤侵蚀风险显著降低。 综上所述，模型能够成功的应用在黄土高原丘陵沟壑区，进行水土流失研究和控制，是实现流域优化管理的有效工具，可在其它区域借鉴使用。

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第一章绪论

1.1研究背景和选题意义

1.2非点源污染模型概述

1.3 AnnAGNPS模型概述

1.4 AnnAGNPS模型应用研究

1.5研究内容和技术路线

第二章研究流域概况

2.1自然特点

2.2社会经济发展状况

2.3生态环境保护

第三章AnnAGNPS模型数据库建立和分析

3.1引言

3.2综合降雨分布类型

3.3降雨侵蚀力研究

3.4基于DEM的汇流网络划分

3.5建立数字化土壤图和参数转换

3.6数字化土地利用图层

3.7地表随机粗糙度

3.8耕作管理和径流曲线值(CN)的确定

3.9淤地坝

3.10作物参数

3.11施肥参数

第四章流域水文水质监测与模型检验

4.1流域卡口站水文水质监测

4.2径流小区水文水质监测

4.3敏感性分析

4.4模型检验

第五章流域水土流失特征和时空分析

5.1土地利用空间分布及其变化分析

5.2不同土地利用状况下水土流失定量评价

5.2.1强度等级分析

5.2.2时间分布

5.2.3空间分布特征

5.3基于土壤侵蚀风险区诊断的土地利用规划

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

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