大理河流域水沙变化特征的模拟研究

摘要

黄土高原是世界上水土流失最严重和生态环境最脆弱的地区之一，20世纪70年代以来，我国在黄河中游开展了大范围的水土流失治理措施和生态工程建设，这些措施使得流域的下垫面产生了很大变化，大量的研究结果表明黄河流域的径流、泥沙呈现显著的减少趋势，一般研究认为气候变化和人类活动的共同作用使得流域水沙发生改变，本文选取大理河流域作为研究对象，首先判断降水变化和人类活动对径流泥沙的贡献，分析流域出口站（绥德站）水沙的年内和年际变化特征，然后使用半分布半集总式水文模型SWAT在大理河流域建立符合流域实际情形的模型来定量的分析流域水沙变化的原因，分析主要包括不同降雨情景、不同土地利用情景以及淤地坝情景下水沙的变化情况，得出的主要研究结果如下： （1）通过对流域水文要素的分析可知：流域年内降雨量、径流量以及输沙量分配极不均，主要集中在6～9月，年际径流、输沙量呈显著的减少趋势，且显著性通过O.O1检验，而降雨量呈增加趋势，但变化并不显著，绥德站（出口站）的径流量、输沙量在1971～1972年左右发生突变；使用双累积曲线法计算贡献时得出：降雨变化对径流和输沙量减少的贡献分别为23.21%和7.14%，人类活动对径流量、输沙量减少的贡献分别为76.79%、92.86%，由此可知，人类活动是导致1960～2015年间大理河流域径流、输沙量显著减少的主要原因。 （2）以大理河流域的真实情况为参考，利用流域的已有的实测资料和数字资料构建能真实反映大理河流域实际情况的数据库，将1991～1993年作为模型的率定期，1994～2000年作为模型的验证期，使用半分布半集总式SWAT水文模型在大理河流域运行。通过SWAT-CUP对模型进行率定与验证，得出率定期(1991～1993)径流的决定系数R2和纳什系数NS分别为0.73和0.70，输沙的R2和NS分别为0.80和0.64，验证期(1994～2000)径流的R2和NS分别为0.84和0.82，输沙的R2和NS分别为0.83和0.82，本次模拟输出结果中的NS和R2均可以满足模型的精度的要求，因此使用SWAT模型得出大理河流域在时空尺度上的水沙值，可以较好的应用到实际分析过程中。 （3）利用SWAT模型将大理河流域分成91个子流域，将91个子流域1991～2000年（10年）的输出结果作为基础数据，分析流域1991-2000年降雨、蒸发、地表径流的时空分布规律，分析径流量、输沙量和径流侵蚀功率在流域上的汇聚过程，以及整个流域上径流模数、输沙模数、径流侵蚀功率的时空分布规律，研究得出1991~2000年年均降雨量主要集中在流域的东南部和西部，蒸散发量也集中在大理河流域的东南部和西部，流域的地表径流主要集中在流域下游，径流模数、输沙模数、径流侵蚀功率从上游到下游整体上呈递增的趋势，支流的径流模数、输沙模数整体小于干流，但支流的径流侵蚀功率大于干流。 （4）将大理河流域水沙变化的原因做定量的分析，利用SWAT模型具有的功能进行情景模拟，分析降水以及生态建设对流域径流、输沙的影响，分析得出：日降雨量每增加10%，流量、输沙量分别增加26.72%、25.39%，日降雨量每减少10%，流量、输沙量分别减少23.28%、21.77%；15°、25°以上均为林地、草地时流域的水沙值均会减沙，全流域均为耕地时流域出口的水沙会增加，流域全为林、草地时流域出口的水沙均表现为减少，林地的减水减沙效果要大于草地的减水减沙效果，淤地坝的存在会使流量、输沙量减少，且减沙效果优于减水效果。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 黄河流域水沙变化研究进展

1.2.2 SWAT模型与水沙关系的研究进展

1.2.3 生态措施与水沙关系的研究进展

1.3 研究内容与方法

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.3.3 技术路线

2 研究区概括及数据选取

2.1 研究区概况

2.1.1 研究区位置

2.1.2 地形与地貌

2.1.3 气候与水文

2.1.4 植被与土壤

2.1.5 水土流失情况

2.2 数据选取

3 大理河流域水文与气候要素的变化特征

3.1 分析方法

3.1.1 趋势检验

3.1.2 突变检验

3.1.3 双累积曲线法

3.2 气象、水文数据的收集和处理

3.2.1 降水、径流、输沙的年内变化特征

3.2.2 降水、径流、输沙的年际变化特征

3.2.3 降水、径流、输沙变化的趋势及突变点检验

3.3 降雨变化和人类活动对水沙影响的定量区分

3.3.1 数据的处理

3.3.2降雨变化与人类活动对水沙的影响

3.4 本章小结

4 SWAT模型在大理河流域的构建

4.1 SWAT模型简介

4.2 模型的数据库

4.2.1 LUCC数据

4.2.2 土壤数据库

4.2.3 气象数据库

4.2.4 DEM数据处理

4.2.5 子流域及坡度划分

4.3 模型参数敏感性分析

4.4 模型参数的率定、验证与评价

4.4.1 模型的率定、验证

4.4.2 模型的评价

4.5流域水沙模拟结果

4.6 本章小结

5 基于SWAT模型的大理河流域水沙时空分布规律

5.1流域水文要素的空间分布规律

5.2流量、输沙量、径流侵蚀功率的汇聚过程

5.3径流模数、输沙模数、径流侵蚀功率的时空分布规律

5.3.1径流模数的时空分布

5.3.2 输沙模数的时空分布

5.3.3 径流侵蚀功率的时空分布

5.3.4 径流模数、输沙模数、径流侵蚀功率的关系

5.4 本章小结

6大理河流域降雨、生态建设对水沙的影响

6.1降雨变化对水沙的影响

6.1.1降雨量的变化情况

6.1.2不同降雨情景下水沙的变化

6.2生态建设对水沙的影响

6.2.1土地利用的时空分布及变化方向

6.2.2 生态建设对水沙的影响分析

6.2.3 生态建设对水沙影响的定量研究

6.3本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 研究特色与创新

7.3 不足与展望

致谢

参考文献

附录