渭河流域上游水土资源利用及其对水文过程的影响研究

摘要

渭河流域属干旱半干旱地区，近年来地表水资源量锐减，特别是20世纪90年代，渭河水文循环规律发生了很大变化，引起河道干枯萎缩、生态环境恶化、河流功能性断流以及小流量高水位大灾害的频繁发生，严重制约了流域经济社会的可持续发展。土地利用与覆盖变化对流域尺度水文循环的影响研究是国际社会普遍关注的热点问题，也是水文科学的前沿领域，黄土高原实施的以水土保持为目标的大面积、高强度植被营造工程、梯田化建设工程、以及雨水集流和淤地坝工程等活动，其显著的减沙效益将如何影响流域水循环，并对下游水资源开发利用和经济社会发展产生何种程度的影响[刘苏峡]，是黄河流域广泛关注的核心问题之一。鉴于此，本论文针对渭河流域水资源变化特征和开发利用存在的问题，将研究区域界定为渭河流域宝鸡峡以上30775km2的范围，以水循环与水资源演化规律为基础，以流域水资源评价为主线，以自然因素和人类活动二元驱动力作用下渭河流域水沙过程变异为切入点，针对土地利用及覆被变化对流域年径流、季节径流、洪峰流量、枯水流量变化过程的影响机理以及流域水循环演变模拟等角度，取得了如下几方面的主要研究成果：
　　 1、利用渭河流域及周边地区54个雨量站、15个水文站的水文气象资料，通过插补延长，建立了流域统一的1956～2005年50年水文动态和水资源评价资料系列。流域按上、中、下游和左岸、右岸分区，对渭河流域近50年来的径流变化过程进行了系统分析，并在行政区按省、市、县(区)三级评价分区基础上，对流域水资源及其利用现状进行了系统分析评价。本论文对渭河流域水资源量的评价是目前采用水文气象资料系列最长，资料最新，分析成果较为可靠。渭河流域多年平均地表水资源量23.39亿m3，径流深76.0mm，径流系数0.15。
　　 2、论文采用1980年、1995年和2000年三期LanhdsatTM影像数据，引入了土地利用与覆被变化幅度、动态度、变化速率以及相对变化速率4个基本概念、9个判别指标反映区域土地利用与覆被变化的空间特征和变化趋势[靳孟贵，1997.6]。土地利用变化分析的分区原则遵循水资源分区原则，与水资源分区完全一致，使水文参数与土地利用数据相匹配。结果表明：(1)土地类型以耕地类型面积最大，面积12032.95km2，占总土地面积的46.66％，其次是草地类型，面积10375.13 km2，占总土地面积的40.23％。林地面积2648.893 km2，占总土地面积的10.27％。耕地、草地、林地是渭河流域的主要土地类型，三种土地类型面积25056.976 km2，占总土地面积的97.16％。(2)1980年到2000年21年期间，林地在保持稳定的情况下略有增涨，涨幅在4.28％。草地土地类型出现萎缩，土地变化率在-0.33～-1.14％。水域面积中，大量水土保持工程的实施，使得水库塘坝面积增长13.1％。在耕地土地类型中，总耕地面积21年来发生了较大的变化，1980～1995年耕地类土地类型增加22.5％，1995年以后随着退耕还林工程的实施，耕地面积有所回落，1995～2000年减少20.67％。耕地中平原旱耕地在减少，减幅1.7％，山地和丘陵旱耕地增加，增幅分别为1.37％和0.34％。
　　 3、50年来降水与径流的变化趋势基本一致，表现为中长周期变化基本一致，除渭源径流在20年尺度上出现了5个周期转换外，其它均为6个周期的转换。在1970s以前，降雨径流关系良好。80年代降水量上中游略有增加，下游降水略有减少，径流也显示上中游水量增加，下游水量持平，降雨径流关系较为匹配。90年代降雨径流的变化趋势一致，但降雨径流已经不再匹配。2000年以后，上游降水量减少7.7％，中下游基本持平，而上游径流减少35.4％，减少幅度超过三分之一，中游减少44.7％，下游减少49.1％，接近一半，原来密切的降雨径流关系已不复存在。
　　 4、论文分别选择了10个蒸发、气温代表站，对渭河流域蒸发量、气温变化特征进行了分析，探讨了蒸发与气温的相关关系。结果表明：渭河流域气温变化具有明显的多年变化规律，80年代以前气温普遍低于多年平均值0.1～0.4℃。渭河中游50、60年代气温与多年均值持平。进入90年代以后，气温表现为明显的上升趋势，90年代气温比多年均值升高0.3～0.6℃。2000年以后气温上升速度明显加快，气温比正常年份高0.3～1.0℃，以渭河下游气温升高最为剧烈。蒸发比气温的变化要复杂的多。蒸发并不是都随着气温的升高而增大，有些区域气温升高，而蒸发量降低。根据目前其它研究成果，在西北内陆地区及黄河流域也存在这一现象。
　　 5、通过对渭河流域11个水文站1298场洪水进行分析，渭河流域洪水主要集中在6～9月，流域洪水过程变态系数平均为0.18，最大的洪水过程变态系数0.77，最小的洪水过程变态系数0.01，涨峰段与落峰段洪水径流量极不对称，洪水过程呈现陡涨缓落的形态。
　　 在相同的气象条件条件下，通过对典型流域洪水分析，土地利用对洪水过程的影响是十分明显的。90年代与80年代比，洪峰流量和洪水模数消减了60％，径流量、径流深和径流系数分别消减了64％、62％和58％。2000年以后的洪水与80年代洪水比较，洪峰流量和洪峰模数消减33％，径流量和径流深分别消减71％、73％。2000年以后的洪水比80年代洪水洪峰流量和洪峰模数消减68％和69％，径流量、径流深和径流系数分别消减64％、66％、63％，输沙量减少了95％。
　　 6、论文选择了秦安、社棠、天水、武山和北道5个水文站历年年最小瞬时流量资料，利用概率统计法和时间序列分析法，对渭河流域葫芦河、牛头河、糟河三条支流和渭河干流的枯水流量特征进行了分析。结果表明：多年平均最小流量只有0.382m3/s，偏枯年份，最小流量只有0.024m3/s，在枯水年和极端枯水年，最小流量分别为0.005 m3/s和0.003 m3/s，实际上属断流状态。渭河干流上游多年平均最小流量2.547 m3/s，是年平均流量的1/7，下游最小流量2.909 m3/s，是年平均流量的1/13。
　　 耕地面积与最小流量间具有一定相关性，其中耕地面积与最小月平均流量相关性最好。耕地面积与枯水径流呈负相关关系，不同时期、不同量级的枯水流量随着耕地面积的增大而减小。
　　 7、渭河流域土地利用对年径流量影响十分明显，有些区段影响剧烈。土地利用对径流的影响随着流域面积的增大而呈现增长趋势。耕地面积与年径流量呈负(反)相关，面积越大，年径流量变得越小。耕地面积和灌溉面积对冬季流量的影响较小。冬季降水量小，耕地对降水产生的损耗也小，渭河流域冬季很少灌溉，灌溉面积几乎对冬季流量不产生影响。进入春季，降水量增加，在经过枯水季节后，土壤墒情差，含水量低，耕地对降水的损耗也大。春季是农业灌溉的关键时期，大量的农业灌溉，对春季河道流量影响较大。由于解放初期农业基础设施薄弱，耕地面积和灌溉面积在60年代以前对春季流量影响较小，60年代中期以后随着耕地面积和灌溉面积的扩大，对春季流量的影响程度逐步加强。
　　 8、基于渭河流域内及周围21个站点近40年来的气象资料，以北道站为控制站点建立了渭河流域的SWAT模型。模型校正期和验证期模拟的月径流值和年径流值，都取得了良好的模拟结果，模型很好的概化了研究区的参数，比较准确的描述了研究区的水文过程，模型较好的模拟了渭河流域的流量。
　　 利用1986年和2000年的两期土地利用资料和同期的气象资料，研究了径流对土地利用变化的响应。基于2000年的土地利用资料，模拟径流量减少，枯水期(1～3月，11～12月)的径流量减少更为显著。表明2000年的土地利用变化显著削减了产流量，特别是枯水期的产流量。

目录

文摘

英文文摘

前言

声明

第一章绪论

1.1立论意义

1.1.1研究背景

1.1.2国际水文学研究现状

1.1.3国内水文学研究现状

1.2研究目标

1.3研究方案

1.4研究区域

1.4.1分区原则

1.4.2行政分区

1.4.3流域分区

第二章水文循环研究现状

2.1水文系统与水文过程研究

2.1.1水文系统理论与发展

2.1.2水文系统特性分析

2.1.3水文过程分析

2.1.4洪水过程研究

2.2水文过程模拟研究

2.2.1水文过程模拟

2.2.2水文模型研究

2.3土地利用与覆被变化的水文效应研究方法

2.3.1水文模型分析方法

2.3.2水文统计分析方法

2.4渭河流域水文系统研究现状与存在的问题

2.4.1水文系统组成结构

2.4.2水文系统基本特征

2.4.3水文过程研究现状与问题

第三章 渭河流域基本情况

3.1自然地理概况

3.1.1地形地貌

3.1.2土壤植被

3.1.3河流水系

3.1.4水文气象

3.1.5水文站网

3.2社会经济

3.3区域水资源状况

3.3.1降水

3.3.2地表水资源

3.3.3地下水水资源

3.4水资源开发利用状况及存在问题

3.4.1水资源开发利用

3.4.2存在问题

3.5主要水利工程基本情况

第四章 流域土地利用及覆被变化

4.1土地利用变化分析方法

4.1.1土地利用与覆被变化幅度

4.1.2土地利用与覆被变化速率

4.1.3土地利用与覆被变化的动态度

4.2渭河流域土地利用与发展的空间格局

4.2.1渭河甘肃境内土地利用与覆被变化特征

4.2.2渭河源区土地利用与覆被变化特征

4.2.3渭河上游土地利用与覆被变化特征

4.2.4渭河中游土地利用与覆被变化特征

4.2.5渭河下游土地利用与覆被变化特征

4.3流域耕地类型变化的时序分析

4.3.1耕地变化情况分析

4.3.2灌溉面积发展状况分析

4.3.3流域粮食产量与虚拟水资源量

第五章 流域径流与降水变化规律研究

5.1小波分析与径流变化研究

5.2小波分析方法

5.2.1小波函数

5.2.2小波变换

5.2.3小波方差

5.2.4多尺度分析

5.3年径流量变化规律

5.3.1多年变化特征

5.3.2趋势性分析

5.3.3周期性分析

5.3.4突变性分析

5.4年平均降水量变化规律

5.4.1多年变化特征

5.4.2趋势性分析

5.4.3周期性分析

5.4.4突变性分析

5.5降水及径流变化规律对比分析

5.6降水与径流系统偏差数值分析

5.6.1降水量的系统偏离分析

5.6.2径流的系统偏离分析

5.6.3渭河北道径流变化时段划分

5.6.4渭河北道径流减少的数量计算

第六章流域气象变化特征分析

6.1渭河流域气温变化分析

6.1.1年平均气温多年变化规律

6.1.2趋势性分析

6.1.3突变性分析

6.1.4周期性分析

6.2蒸发量变化

6.2.1流域蒸发特征

6.2.2蒸发量年际变化特征

6.2.3趋势性分析

6.2.4突变性分析

6.2.5周期性分析

6.3气温与蒸发相关关系分析

6.3.1气温与蒸发的对应关系

6.3.2气温与蒸发关系的讨论

第七章 土地利用对洪水过程的影响研究

7.1依据的资料及统计指标

7.2流域洪水特征

7.2.1暴雨洪水类型特征

7.2.2泥石流

7.2.3冰凌洪水及融雪雨雪混合型洪水

7.3洪水发生频次

7.4渭河干流洪水

7.4.1干流洪水过程变态特征

7.4.2干流洪水过程峰平特征

7.4.3干流洪水过程量级特征

7.4.4干流洪水持续时间特征

7.4.5干流洪水过程变异特征

7.5洪水过程变异影响因素分析

7.5.1暴雨影响因素分析

7.5.2土地利用对洪水过程的影响

7.5.3植被覆盖对洪水过程的影响

7.6土地利用对洪水过程影响个例分析

7.6.1研究区基本情况

7.6.2雨洪分析计算

7.6.3成果分析

第八章 土地利用与覆被变化的枯水过程响应

8.1枯水研究概述

8.2枯水研究内容

8.2.1枯水的形成及其影响因素

8.2.2枯水径流研究方法

8.2.3枯水径流对生态环境的影响

8.3河川枯水径流特征

8.3.1年最小枯水流量特征

8.3.2月最小枯水流量特征

8.3.3枯水发生的时间

8.4枯水径流与极值形成的机理分析

8.4.1气象因素对枯水径流及极值的影响

8.4.2土地利用对枯水径流形成的影响

第九章土地利用与覆盖变化对流域年径流和季节流量的影响分析

9.1对年径流量的影响

9.1.1径流量的上下游对比

9.1.2耕地面积对径流量的影响

9.1.2水利工程对径流量的影响

9.2对季节径流的影响

9.2.1耕地对冬季平均流量的影响

9.2.2耕地对春季平均流量的影响

9.2.3实灌面积对冬季平均流量的影响

9.2.4实灌面积对春季平均流量的影响

9.3土地利用对径流的影响评价

第十章基于分布式模型SWAT的径流对LUCC的相应研究

10.1 SWAT模型的原理、结构与应用

10.1.1 SWAT模型概述

10.1.2 SWAT模型的主要特点

10.1.3 SWAT模型的水文过程原理

10.1.4 SWAT模型结构

10.2 SWAT模型需要的数据及处理

10.2.1 DEM数据及处理

10.2.2 LUCC数据及处理

10.2.3土壤分类数据及属性数据

10.2.4气象数据的处理及天气发生器数据库的制作

10.2.5水文观测资料

10.3基于ARCVIEW的模型参数提取

10.3.1流域的划分

10.3.2土地利用和土壤空间数据的输入及与属性数据的连接

10.3.3水文响应单元(Hydrology Response Unit，HRU)的划分

10.3.4气象数据及模型需要的参数的读入

10.3.5模型中各数据的修改和编辑

10.4.基于SWAT模型的径流模拟

10.4.1模型运行时间和输入频率的选择

10.4.2模型中模拟方法的选择

10.4.3基于流域尺度的模型参数的选择

10.4.4模型运行的过程和评价

10.4.5模型的运行结果和讨论

10.5 LUCC对水文过程的影响

10.5.1 LUCC的情景设置

10.5.2模拟结果及分析

10.6.小结

第十一章 结论

11.1水资源评价

11.2土地资源评价

11.3降水径流变化特征

11.4气象因子变化特征

11.5洪水变异特征

11.6最小流量变化特征

11.7土地利用对径流的影响

11.8分布式模型对径流的模拟

参考文献

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