王茂沟流域生态建设对水沙连通性的影响研究

摘要

近年来黄河水沙锐减引起国内外学者广泛关注,黄土高原作为黄河泥沙主要来源地,该区大规模生态建设措施引起区域生态环境变化被认为是黄河水沙变化主要影响因素之一.本研究以黄土高原丘陵沟壑区王茂沟流域为研究对象,在总结王茂沟流域生态建设历程的基础上,通过地形图对流域生态建设前的地形进行复原,设置生态建设前、只进行坡面措施建设、只进行沟道措施建设、同时进行坡面措施和沟道措施建设4种生态建设情景,分析不同生态建设情景下王茂沟流域径流泥沙连通特征,阐明生态建设对流域水文连通、泥沙连通的影响.本文取得的主要研究成果如下: (1)使用地形图构建了王茂沟流域的高精度格网数字高程模型DEM,评价结果表明Hutchinson法的建模效果优于不规则三角网TIN法.采用TIN法构建DEM时直接引用等高线,将梁峁顶和坝地视为平地处理,对地表形态描述不充分;对TIN法建立DEM进行计算,发现坡度突变性较大,描述地形连续性较差,所提取径流路径不连续,容易出现多重平行梳状流路.Hutchinson法对地形图不能直接表达出来的信息进行地形插值和强化,DEM表面平滑且连续,所提取径流路径比较符合实际.基于5m等高线对Hutchinson法构建格网DEM进行参数优化,分辨率越高则所构建的DEM精度越高,5m等高线数据的分辨率应不大于2.5m;剖面曲率粗糙度系数对DEM精度的影响存在阈值,计算迭代次数应根据数据需求及实际情况设置为不小于20次. (2)相同生态建设情景下王茂沟小流域的径流长度指数FL由山脊向沟道递减,水文连通能力随之增加.不同生态建设情景下王茂沟小流域的径流长度指数均服从峰值向左偏、长尾向右延伸的正偏态分布,布设坡面措施、布设沟道措施、同时布设坡面和沟道措施使得流域的径流长度指数均值分别为进行生态建设前情景的2.05倍、1.65倍、2.69倍,进行生态建设后流域径流长度指数FL极显著增加(p<0.01),流域水文连通性降低;同时坡面措施和沟道措施的布设对水文连通性的阻碍能力大于单个措施,并且坡面措施阻碍水文连通的能力大于沟道措施. (3)相同生态建设情景下流域径流泥沙连通指数IC呈现由山脊向沟道递减趋势,即山脊径流泥沙连通性小于沟谷,导致沟谷更容易发生土壤侵蚀;在王茂沟流域主沟道中下游大量分布的建筑用地降低了其周围泥沙连通性,该区域容易发生泥沙沉积.生态建设措施极显著地降低了王茂沟流域的径流泥沙连通指数IC(p<0.01),降低了流域泥沙连通性,减少了土壤侵蚀的发生;布设生态措施使得本地发生土壤侵蚀可能性降低,同时增大了径流泥沙在输送过程中所受的阻力;与进行生态治理前情景相比,同时布设坡面措施和沟道措施使得流域平均Dup指数降低了75.27%,而只布设沟道措施仅降低了6.45%.

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 连通性定义

1.2.2 连通性影响因素

1.2.3 连通性研究进展

1.3 研究目标

1.4 研究内容

（1）小流域高精度DEM 插值构建

（2）小流域生态建设对水文连通性影响

（3）小流域生态建设对泥沙连通性影响

1.5 研究技术路线

2 研究区概况和方法

2.1 研究区概况

2.2 研究方法

2.2.1 水文连通性计算方法

2.2.2 泥沙连通性计算方法

2.3 数据来源

2.3.2 土地利用

2.4 本章小结

3 小流域高精度DEM插值构建

3.1 内插方法对小流域DEM构建的影响

3.1.1 DEM对地形起伏描述分析

3.1.2 DEM对坡度的反映

3.1.3 DEM对沟道特征反映

3.2 内插参数对小流域DEM构建的影响

3.2.1 分辨率对DEM构建的影响

3.2.2 剖面曲率粗糙度系数对 DEM 构建精度的影响

3.2.3 计算迭代次数对DEM构建精度的影响

3.3 小流域高精度DEM构建

3.3.1 无坝DEM插值构建

3.3.2 王茂沟小流域DEM 插值构建

3.4 本章小结

4 生态建设对小流域水文连通性的影响

4.1 生态建设过程

4.1.1 黄土高原生态建设过程

4.1.2 王茂沟生态建设过程

4.2 小流域生态建设情景及水文连通参数设置

4.2.1 生态建设情景设置

4.2.2 径流长度指数参数设置

4.2.3 DEM分辨率对径流长度指数影响

4.3 生态建设对小流域水文连通性的影响分析

4.4 生态建设措施对水文连通性影响分析

4.5 本章小结

5 生态建设对小流域泥沙连通性的影响

5.1 泥沙连通性指数IC实现

5.1.1 径流泥沙连通指数 IC

5.1.2 模型构建

5.1.3 DEM 分辨率对径流泥沙连通指数影响

5.2 不同生态建设情景下流域泥沙连通性分析

5.3 生态建设对流域来沙连通及输沙连通的影响

5.3.1 生态建设对流域来沙连通的影响

5.3.2 生态建设对流域输沙连通的影响

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录1

攻读学位期间主要研究成果