小理河流域径流泥沙对气候和土地利用变化的响应研究

摘要

研究气候变化和人类活动对流域水沙变化的影响，不但为流域水沙灾害的预警提供理论支持，也为科学评价生态建设的环境效应提供重要科学依据。本论文针对当前极端降水变化和土地利用空间格局对流域水沙影响研究的不足，以黄河中游黄土丘陵沟壑区小理河流域为研究区，采用滑动平均、距平分析、Sen斜率估计法、Mann-Kendall非参数检验和突变点检验法等，分析了小理河流域1959-2013年极端降水、极端气温、径流、泥沙的动态变化特征;利用GIS技术和土地利用转移矩阵、土地利用动态度、空间自相关格局分析、景观格局分析等方法，分析了小理河流域1990年以来土地利用的时空过程、土地利用空间自相关格局、土地利用景观格局的时空变化及其随地形变化的空间分异特征;基于对径流和泥沙突变点检验，筛选了影响流域径流和输沙的最优极端降水指标，利用双累积曲线法和回归分析法量化了极端降水变化和人类活动对流域径流泥沙变化的贡献率;在对SWAT模型参数率定和模型验证的基础上，通过输入不同的土地利用和气候情景，探讨流域径流泥沙对土地利用景观格局变化的响应机制，并定量研究流域径流泥沙对气候变化、土地利用变化和其他人类活动的响应特征。主要研究结论如下:
　　(1)55a间，年、汛期、春季、夏季、秋季降水量皆呈不显著减少趋势，而冬季降水量呈不显著增加趋势。17个极端降水指标（R10、R20、R50、R10p、R20p、R50p、R1d、R5d、SDII、R90p、R90t、R95p、R95t、R99p、R99t、CDD、CWD）中，仅最长连续干旱天数CDD和平均降水强度SDII呈不显著增加趋势，而其他15个极端降水指标均呈不显著减少趋势。年和四季平均气温均呈增加趋势，其中，年、春季、冬季气温呈显著增加趋势。16个极端气温指标中，冷指标(FD、ID、TN10p、TX10p、TNn、CSDI)呈减少趋势，其中ID、TX10p、TN10p呈显著减少趋势;暖指标(TR、HD、SU、TN90p、TX90p、TNx、TXn、TXx、WSDI和DTR)呈增加趋势，其中SU、DTR、HD、TN90p呈显著增加趋势，说明流域变暖趋势明显。
　　(2)流域各土地利用类型都表现出全局空间正自相关特性，但空间正自相关性随着距离的增加而逐渐减弱。土地利用类型存在不同的局部空间聚集或异常特征，局部聚集区随高程、坡度和坡向的变化呈现空间分异。从1990年到2009年，流域景观格局破碎化程度增高，景观形状趋于复杂化，景观类型趋于多样化，景观异质性增加。景观格局指数与高程、坡度和坡向有显著的相关性。
　　(3)55a间，流域年、汛期径流量和输沙量呈极显著减少趋势，年和汛期径流量年均减少量分别为29.13×104m3和18.6×104m3，年和汛期输沙量年均减少量分别为6.33×104t和6.49×104t。1970年为小理河流域径流泥沙变化的突变年。据此，将整个研究时段划分为两个时期:1959-1970年基准期（天然情景期）和1971-2013年措施期。与基准期相比，措施期年和汛期径流量分别减少近40％和50％，年和汛期输沙量分别减少近72％。在基准期，流域径流量和输沙量与降水量、汛期降水量和16个极端降水指标之间相关系数变化于0.28～0.9之间，而在措施期流域径流量和输沙量与各降水指标之间相关系数变化于0.18～0.62之间;说明在基准期径流量、输沙量受降水影响较大，而在措施期径流量、输沙量受到降水和人类活动二者共同影响。在基准期、措施期和整个研究期，R90p（大于1961-1990年90％分位值的降水量总量）是各降水指标中与径流量、输沙量相关性最好的降水指标。
　　(4)以R90p作为表征极端降水的最佳降水指标，评估了极端降水变化和人类活动对流域径流泥沙变化的贡献率。结果表明，在20世纪70、80年代和1999-2013年，人类活动是影响流域径流泥沙变化的主要因素，人类活动对径流量减少的贡献率分别为57.3％、62.1％和75.4％，人类活动对输沙量减少的贡献率分别为91.8％、92.9％和90.3％，人类活动对输沙量的影响大于其对径流量的影响。而在1990-1998年，极端降水变化是影响流域径流泥沙变化的主要因素，R90p对径流量、输沙量减少的贡献率分别为78.2％和57.9％，极端降水变化对径流量的影响大于其对输沙量的影响。
　　(5)构建了适用于小理河流域的SWAT模型参数库，通过模型参数敏感性分析、率定和模型精度验证，模拟效果评价指标R2、NSE和PBAIS分别在0.84～0.89、0.80～0.86和-7.6％～2.3％之间，说明模型模拟效果较好。基于率定的SWAT模型，输入不同的土地利用和气候情景，分析了流域土地利用景观格局变化对径流和泥沙的影响，评估了气候变化、土地利用变化和其他人类活动对流域径流泥沙变化的贡献率。结果表明:流域土地利用景观格局显著影响流域径流和输沙。流域径流量和输沙量与斑块数量、斑块密度、景观形状指数和香农多样性指数呈显著正相关，而二者与最大斑块面积比例、斑块凝聚度、斑块蔓延度和香农均匀度指数呈显著负相关。以1971-1998年为基准，1999-2013年气候变化和土地利用变化对径流减少的贡献率分别为29.8％和70.2％，对输沙量减少的贡献率分别为13％和87％。同时，1999-2013年土地利用变化以外的其他人类活动（如工程建设、水保措施等）对流域径流量、输沙量减少的贡献率分别为5.2％和3.4％。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景、目的和意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 气候变化对流域径流和泥沙的影响

1．2．2 土地利用／覆被变化对流域径流和泥沙的影响

1．2．3 气候和土地利用变化对流域径流和泥沙的影响评估

1．3 目前研究存在的问题

第二章 研究内容与研究方法

2．1 研究目标

2．2 主要研究内容

2．2．1 小理河流域平均降水和极端降水动态变化

2．2．2 小理河流域平均气温和极端气温动态变化

2．2．3 小理河流域土地利用时空变化分析

2．2．4 小理河流域极端降水变化和人类活动对径流泥沙的影响

2．2．5 基于SWAT模型的小理河流域径流和泥沙模拟

2．2．6 小理河流域径流泥沙对气候和土地利用变化的响应

2．3 研究区概况

2．4 数据源与数据预处理

2．4．1 基础数据与质量控制

2．4．2 空间数据预处理

2．5 研究方法

2．5．1 极端气候指标的选取

2．5．2 气候与径流泥沙动态变化的分析方法

2．5．3 土地利用时空变化的分析方法

2．5．4 气候和土地利用变化对径流泥沙的影响分割

2．6 技术路线

第三章 流域平均降水和极端降水动态变化

3．1．1 年际变化

3．1．2 年代际变化

3．1．3 长期变化趋势

3．2 1959-2013年流域极端降水动态变化

3．2．1 年际变化

3．2．2 年代际变化

3．2．3 长期变化趋势

3．3 本章小结

第四章 流域平均气温和极端气温动态变化

4．1．1 年际变化

4．1．2 年代际变化

4．1．3 长期变化趋势

4．2 1959-2013年流域极端气温动态变化

4．2．1 年际变化

4．2．2 年代际变化

4．2．3 长期变化趋势

4．3 本章小结

第五章 流域土地利用时空变化分析

5．1 流域土地利用时空变化

5．1．1 土地利用结构及其数量变化

5．1．2 土地利用动态度

5．1．3 土地利用类型的地形分异特征

5．2 流域土地利用空间自相关格局分析

5．2．1 流域土地利用空间自相关格局

5．2．2 土地利用空间自相关格局的地形分异特征

5．3 流域土地利用景观格局分析

5．3．1 土地利用景观格局指数动态变化

5．3．2 土地利用景观格局指数的地形分异特征

5．4 本章小结

第六章 流域极端降水和人类活动对径流泥沙的影响

6．1．1 年际变化

6．1．2 年代际变化

6．1．3 长期变化趋势

6．2 1959-2013年极端降水变化和人类活动对流域水沙变化的影响

6．2．1 突变点前后降水、径流和泥沙变化分析

6．2．2 径流量、输沙量与各降水指标的相关性分析

6．2．3 极端降水变化和人类活动对流域水沙变化的影响评估

6．3 本章小结

第七章 基于SWAT模型的流域径流泥沙对气候和土地利用变化的响应研究

7．1 基于SWAT模型的小理河流域径流泥沙模拟

7．1．1 SWAT模型中流域数据库的构建

7．1．2 SWAT模型模拟与参数率定、结果验证

7．2 流域径流泥沙对土地利用景观格局变化的响应

7．3 流域径流泥沙对气候和土地利用变化情景的响应

7．3．1 流域径流泥沙对土地利用变化情景的响应

7．3．2 流域径流泥沙对气候变化情景的响应

7．3．3 流域径流泥沙对气侯和土地利用同时变化情景的响应

7．4 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 主要结论

8．2 论文创新点

8．3 论文的不足及研究展望

参考文献

致谢

作者简介