黄土高原流域生态环境修复中的水沙响应模拟研究

摘要

人类活动对水土流失区生态环境影响的研究是目前学术界普遍关注的热点问题。土地利用变化是影响流域水土流失过程的主要因素,也是人类活动影响流域水土流失环境的主要途径。本文运用水文学、泥沙运动学、水土保持学、生态学等交叉学科理论,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,以黄土高原典型流域为研究对象,利用降雨资料和流域下垫面资料对降雨产汇流过程进行了反演,探索了流域土地利用变化对流域水沙变化过程的作用机制,建立了考虑土地利用类型剧烈变化的流域次暴雨产流产沙模型;在此基础上,结合相关的土地利用变化资料和流域水土保持与生态环境建设规划,采用分布式流域水沙模拟方法,预测了未来50年黄土高原水土流失环境演变趋势。本文的主要研究成果如下:(1)建立了由基于Horton入渗曲线法的变雨强降雨逐时段产流计算模型和和Nash瞬时单位线模型构成的流域次暴雨产汇流模型;并采用五点高斯-拉盖尔求积公式结合龙贝格求积公式推求S(t)曲线值数值解,该方法与传统计算方法相比具有计算速度快和精度高等优点。(2)提出了野外径流小区次降雨径流过程的反演方法。利用变雨强降雨逐时段产流计算方法和基于改进形心加权单纯形法的模型参数优选方法,对野外不同土地利用类型径流小区的次降雨径流过程进行了反演;初步验证结果表明,该方法可以反推野外径流小区次降雨条件下的径流过程且具有较高的计算精度,可以用于对大量已有的坡面径流小区降雨径流观测信息进行深度挖掘。(3)提出了用于描述流域水蚀过程侵蚀输沙动力的径流侵蚀功率的概念,并建立了利用流域次暴雨洪峰流量模数和径流深两个洪水过程特征值计算径流侵蚀功率的方法;分析了坡面、坡沟和流域等不同空间尺度条件下径流侵蚀功率与次暴雨输沙模数之间的相关性,建立了基于径流侵蚀功率的次暴雨水沙响应模型;结果表明,该模型具有较高的计算精度,适用于黄土高原不同空间尺度和不同治理度的流域次暴雨产沙计算。从坡面和流域尺度上对比分析了径流侵蚀功率和降雨侵蚀力在水蚀过程中的作用,结果表明,径流侵蚀功率直接反映了降雨和流域下垫面的时空差异对水蚀过程的作用,更好地表达了水蚀动力特性,比降雨侵蚀力更敏感地反映了次降雨侵蚀产沙过程的侵蚀动力机制。(4)以具有长期土地利用观测资料的纸坊沟实验流域为典型流域,将流域划分为农地、林地、草地、园地和非生产用地五种土地利用类型单元,在分析了不同土地利用类型单元的产流特征的基础上,以本文建立的流域次暴雨产汇流模型和基于径流侵蚀功率的次暴雨水沙响应模型为基础,建立了考虑土地利用类型剧烈变化的流域次暴雨产流产沙模型,初步验证的结果表明,模型具有较好的计算精度。(5)在系统分析了黄土高原主要水土保持治理措施(包括林草措施、水平梯田和淤地坝等)的时空分布规律、作用过程和演化特征的基础上,利用分布式流域水沙模拟方法,以《黄河流域水土保持基本资料》和《黄土高原地区水土保持淤地坝规划》上的数据为基础资料,以2000年为现状年,以黄土高原40个支流片为计算单元,预测了2010、2015、2020、2030和2050年黄土高原的水土流失环境演变趋势,给出了相应的植被盖度、侵蚀模数、径流模数变化趋势图,初步阐明了未来黄土高原大规模水土保持生态治理的环境效应。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 流域土地利用/覆被变化的水文效应研究进展

1.2.2 流域土地利用/覆被变化与土壤侵蚀关系研究进展

1.2.3 次暴雨土壤侵蚀模型研究进展

1.2.4 流域基本空间单元的划分方法

1.3 论文的研究目的

1.4 研究内容

1.5 研究技术路线

1.6 论文主要创新点

2 流域产汇流模型

2.1 流域产流模型

2.1.1 黄土地区流域产流模式

2.1.2 降雨产流机制分析

2.1.3 定雨强降雨产流过程分析

2.1.4 变雨强降雨产流过程分析

2.2 流域汇流模型

2.2.1 Nash 瞬时单位线表达式

2.2.2 Nash 瞬时单位线的基本性质

2.2.3 Nash 瞬时单位线的时段转换

2.2.4 流域出口流量过程线的推求

2.2.5 Nash 瞬时单位线的参数推求

2.3 小结

3 野外径流小区次降雨径流过程的反演

3.1 次降雨径流过程的反演方法

3.2 反演方法验证及参数优选

3.2.1 王家沟流域径流小区

3.2.2 团山沟径流场

3.3 小结

4 基于径流侵蚀功率的流域次暴雨水沙响应模型

4.1 径流侵蚀功率

4.2 流域次暴雨水沙响应关系的建立

4.2.1 岔巴沟流域概况

4.2.2 次暴雨水沙响应关系

4.3 流域次暴雨水沙响应关系的验证

4.3.1 蛇家沟及团山沟

4.3.2 纸坊沟流域

4.3.3 窟野河流域

4.3.4 三川河流域

4.3.5 韭园沟流域

4.3.6 大理河流域

4.4 径流侵蚀功率在坡面侵蚀产沙中的应用

4.4.1 研究区域概况

4.4.2 坡面次暴雨水沙响应关系的建立

4.5 不同空间尺度集水区次暴雨水沙响应关系分析

4.6 基于径流侵蚀功率的流域次暴雨水沙响应模型

4.7 径流侵蚀功率与降雨侵蚀力比较研究

4.7.1 降雨侵蚀力理论

4.7.2 径流侵蚀功率与降雨侵蚀力比较分析

4.8 径流侵蚀功率在流域次暴雨产沙预报中的应用

4.9 有待于进一步研究的问题

4.10 小结

5 考虑土地利用变化的流域次暴雨产流产沙模型—以纸坊沟流域为例

5.1 纸坊沟流域概况

5.2 纸坊沟流域的土地利用动态变化

5.3 考虑土地利用变化的流域次暴雨产流产沙模型研究

5.3.1 模型基本假定

5.3.2 流域土地利用类型单元的划分

5.3.3 模型结构

5.3.4 模型参数的优化方法

5.3.5 模型资料选择

5.3.6 计算结果与分析

5.4 小结

6 考虑土地利用变化的黄土高原未来水土流失环境演变趋势预测

6.1 黄土高原未来植被覆盖变化趋势

6.1.1 研究方法

6.1.2 黄土高原典型植被覆盖度与生长年限关系

6.2 黄土高原未来坡面侵蚀模数、径流模数变化趋势

6.2.1 坡面植被措施减水减沙量计算

6.2.2 黄土高原水平梯田减水减沙量计算

6.2.3 黄土高原未来坡面径流模数和侵蚀模数分析结果

6.3 黄土高原流域淤地坝减水减沙模数分析

6.3.1 黄土高原水土保持淤地坝规划

6.3.2 黄土高原淤地坝减水减沙模数计算

6.4 黄土高原未来侵蚀模数变化趋势

6.5 黄土高原未来径流模数变化趋势

6.6 小结

7 结论与建议

7.1 结论

7.2 建议

致谢

参考文献

附录