黄土高原北洛河上游流域退耕还林草的水文响应模拟

摘要

黄土高原地区水土流失严重，水资源短缺，生态系统脆弱。为了遏制严重的土壤侵蚀，1999年后，我国在黄土高原地区实施了大范围的退耕还林还草等水土保持措施。土地利用及土地覆盖发生的显著变化，深刻影响着黄土高原的生态系统-水文响应过程，成为多领域专家学者关注的热点地区。
　　本研究以黄土高原丘陵沟壑区北洛河上游吴起水文站控制范围为研究区域，以实测数据为基础，用Mann-kendall非参数检验法等水文统计法对1963-2012年流域的降雨、径流和输沙量进行了趋势和阶段分析;解译LandsatTM影像，分析了流域1995、2007、2010和2014年等不同时期植被覆盖度和土地利用的时空变化;对SWAT模型进行参数率定和模型验证，定量评价了土地利用和气候变化对径流量变化的贡献程度，模拟流域内径流、蒸发和土壤含水量等地表生态水文过程并进行时空变化分析;利用修正通用流失方程RUSLE模拟流域内土壤侵蚀时空变化趋势;最后通过设定不同土地利用和气候的变化情景，模拟分析了不同情景下的生态水文响应。本研究取得的主要成果如下:
　　(1)采用1979年和2002年为阶段划分时间节点，分析了流域气象水文要素的年变化趋势和阶段变化特征。北洛河上游流域1963-2012年间平均降水量为440.3mm。50年间降雨量的变化表现出不显著的下降趋势(P＜0.05)。1963-1978年间降雨量均值为416.9mm，但年降雨量呈不显著下降趋势，趋势线性率为-2.3mm·a-1;1979-2001年期间降雨量均值为441.9mm,呈不显著上升趋势，趋势线性率为0.2mm·a-1;2002-2012年间降雨量均值为449.1mm，呈不显著下降趋势，下降斜率为-0.4 mm·a-1。
　　(2)流域1963-2012年的径流量和输沙量均呈现出显著减少趋势(P＜0.01)，年均变率分别为-0.32 mm·a-1、-170.18 t·km-2·a-1。1963-1978年间径流量均值为31.6mm，呈不显著下降趋势，趋势线性率为-0.9mm·a-1;1979-2001年期间径流量均值为28.5mm，呈不显著上升趋势，趋势线性率为0.3 mm·a-1;2002-2012年间径流量均值为16.5mm，呈显著下降趋势(P＜0.05)，下降斜率为-0.7 mm·a-1。
　　1963-1978年间年输沙模数均值为13828.1 t·km-2·a-1，呈不显著下降趋势，趋势线性率为-851.1 t·km-2·a-1;1979-2001年期间年输沙模数均值为10375.1 t·km-2·a-1，呈不显著上升趋势，趋势线性率为148.9 t·km-2·a-1;2002-2012年间年输沙模数均值为2023.3t·km-2·a-1，呈显著下降趋势(P＜0.05)，下降斜率为-376.8 t·km-2·a-1。
　　(3)1995年北洛河上游流域内以耕地和草地为主，其面积分别占总面积的46.79％和49.94％，呈现出以农、牧地为主的土地利用结构特征。2000年，耕地和草地为主要用地类型的格局没有变化，耕地面积稍有减少。1995-2000年，耕地面积减少了8.8％，林、草地面积分别增加了5.1％、8.5％。而2010年耕地面积锐减68.8％，林、草地面积扩大了6.5倍和27.0％。研究区农、林、草用地面积的数量结构，从1990年的1∶0.1∶1.1，2000年的1∶0.1∶1.3，改变为2010年的1∶1.4∶4.3。2000-2010年间耕地、草地和林地的变化幅度显著大于1995-2000期间。
　　从植被覆盖度分析来看，北洛河上游流域在1995-2014年平均覆盖度从20.21％增加到51.22％。通过对植被覆盖度进行分级，并对不同级别间的转化进行分析发现，1995年到2007年，≤40％的低、中低盖度级别植被的面积数量迅速和持续减少，先转化为40-60％的中盖度植被，到2014年，又迅速向盖度60-80％和＞80％的植被转化的特征。海拔越低，坡度越陡，越向阴坡，低盖度植被向高盖度植被转化程度越大，面积越广，三时期植被覆盖差异越大。
　　(4) SWAT模拟流域近30年中气候和土地利用变化下的水文响应。以1986-1995年为基准期，1996-2005年和2006-2012年分别为气候和人类活动综合影响下的两个变化期。SWAT模拟结果表明，人类活动变化对径流减少的贡献程度从第二阶段的56.5％增加至第三阶段的77.8％。
　　随着流域内植被覆盖度逐渐增加，流域时段平均地表径流量从1986-1995年间的26.8mm，减少至1996-2005年间20.9mm，2006-2012年间的11.9mm。相应地，流域时段平均土壤含水量41.8mm，减少到33.7mm和26.9mm。而蒸发量从362.7mm，增加到370.1mm和406.7mm。空间上地表径流量和土壤含水量均呈现出由东北部向西南部、南部和东部呈逐渐递减的趋势。而蒸发量在空间上的变化趋势则与地表径流量和土壤含水量相反，表现出由北部、东北部地区逐渐南部和西南部地区递增趋势。
　　(5)采用RUSLE模型模拟了1990、2000和2010年三时期土壤侵蚀时空变化特征。结果表明，三时期间流域平均土壤侵蚀模数从15220.09、6471.08，减小到2591.94t·km-2·a-1。3时期的土壤侵蚀量在地形上的分布表现出趋同性，即高程上均在1475-1575m内平均侵蚀模数和侵蚀量表现出峰值。随着坡度增加，平均侵蚀模数增加，流域内75％以上的侵蚀量均来自于＞15°区域。3时期平均侵蚀模数均遵循阳坡＞半阳坡＞半阴坡＞阴坡的规律。
　　(6)分析流域土地利用的地形地貌分布，进行优化设置，模拟产流和侵蚀过程。结果表明，空间优化配置情景下，与原2010年土地利用相比，耕地由原来的14.59％降到9.99％;草地由原来的63.43％下降到49.79％;林地则呈上升趋势，由20.95％增加到了39.20％。相对于2010年土地利用和土地覆盖，流域径流深降低了16.98％;平均侵蚀模数降低了18.65％。
　　采用2010年土地利用，分析未来气候情景下的水文响应发现，在年尺度下，RCP4.5和RCP8.5两个情景下的2021-2050模拟径流深与历史期模拟值相比均有不同程度的增加。在月尺度下，未来2021-2050年内，RCP4.5和RCP8.5两个情景下的气候数据预测径流深表明，径流深在1-3月份和10-11月份将会呈现出不同程度的减少趋势，而6-8月份的径流深在RCP4.5情景下可能呈现增加的趋势，在RCP8.5情景下可能呈现出减少的趋势。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 气候变化对水文水资源影响

1．2．2 土地利甩覆被变化的生态水文响应

1．2．3 黄土高原气候和土地利用变化的水文响应研究

第二章 研究区域概况

2．1 自然概况

2．2 气候

2．3 土壤

2．4 植被

2．5 水文

2．6 地质地貌

2．7 社会经济

第三章 研究内容和方法

3．1 研究目标和研究内容

3．2 技术路线

3．3 数据收集

3．4 研究方法

3．4．1 水文气象要素变化趋势的分析方法

3．4．2 遥感影像的获取与预处理

3．4．3 模型简介

第四章 流域气象水文要素阶段变化分析

4．1 降水量的变化特征

4．1．1 年降水量的阶段变化特征

4．1．2 降水量的四季变化特征

4．1．3 不同月份降水量的分配

4．2 径流量和输沙量的变化特征

4．2．1 年径流量的阶段变化特征分析

4．2．2 输沙量的变化特征分析

4．2．3 径流和输沙量的年内变化特征

4．3 小结

第五章 1995-2014年北洛河流域土地利用／覆被变化分析

5．1 北洛河流域植被覆盖度变化分析

5．1．1 植被覆盖度分级及地形要素分级

5．1．2 1995-2014年北洛河流域植被覆盖变化趋势及分区特征

5．1．3 1995-2014年北洛河流域植被不同盖度级别间的转化

5．1．4 北洛河流域植被覆盖度空间动态变化分析

5．2 北洛河上游流域植被覆盖度在不同地形特征上的分布趋势

5．2．1 植被覆盖度随不同高程带谱的分布趋势

5．2．2 植被覆盖度在不同坡度带谱的分布趋势

5．2．3 植被覆盖度在不同坡向带谱的分布趋势

5．3 北洛河上游流域土地利用变化分析

5．4 小结

第六章 SWAT模型数据库的建立、参数率定和验证

6．1 SWAT模型流域数据库的构建

6．1．1 DEM的建立

6．1．2 土地利用／覆被数据库的建立

6．1．3 土壤数据库的建立

6．1．4 气象数据库的建立

6．1．5 子流域及水文响应单元的划分

6．2 模型方法的选择

6．3 SWAT模型参数的率定

6．4 模型模拟与结果验证

6．4．1 年尺度径流模拟

6．4．2 月尺度径流模拟

6．5 小结

第七章 基于SWAT的流域径流对气候和土地利用变化的响应

7．1 气候变化和人类活动的影响程度分析

7．2 土地利用变化对水文过程的影响

7．2．1 不同植被覆盖地类的水量平衡比较

7．2．2 年水量平衡分量的时空格局

7．3 小结

第八章 基于RUSLE模型的流域土壤侵蚀模拟

8．1 RUSLE模型

8．1．1 降雨侵蚀力因子R

8．1．2 土壤可蚀性K值

8．1．3 地形因子LS

8．1．4 植被覆盖因子C

8．1．5 水土保持措施因子P值的确定

8．2 北洛河上游流域土壤侵蚀与空间分布

8．3 土壤侵蚀与地形因子的关系

8．3．1 不同海拔高度下的土壤侵蚀

8．3．2 不同坡度下的土壤侵蚀

8．3．3 不同坡向下的土壤侵蚀

8．4 小结

第九章 不同土地利用和气候变化情景的生态水文响应

9．1 流域不同土地利用变化情景设置

9．1．1 不同土地利用情景下的径流变化分析

9．1．2 不同土地利用情景下的土壤侵蚀变化分析

9．2 流域土地利用空间优化配置情景

9．3 气候变化情景下的生态水文影响

9．4 小结

第十章 结论与研究展望

10．1 主要结论

10．2 研究展望

参考文献

致谢

作者简介