论文摘要
摘要：河流泥沙浓度的变化是区域生态环境发生变化的结果,不仅会直接引起河道的冲淤演变,对所处流域的工程、湿地、环境、生物多样性等也将产生难以预测的影响。我国多沙河流众多,泥沙问题非常严重,水沙灾害严重地制约着国民经济的持续快速发展,对泥沙的深入认识也成为了水文学研究的当务之急。本研究以红河支流盘龙河流域为研究区域,利用小波分析、混沌、分形、神经网络、“3S"技术等数学方法,研究了龙潭寨水文站输沙的变化规律,探讨了流域内气候、人类活动的各要素与泥沙之间的相互影响和响应状况,取得如下成果和认识：1.时间序列特征分析结果表明,盘龙河流域河流输沙率自1953至1997年一直呈现出波动上升的趋势,而1998年以来有下降的倾向；输沙率的变化具有多时间尺度特征,不同时段振荡强度不同；就周期性而言,输沙率存在有4、7、22年的振荡周期,其中22年的振荡周期最为明显,贯穿整个研究时段,4年和7年尺度上局部特征突出；在4、7、22年时间尺度上分析输沙率的突变特征得知,4年尺度上的突变有27次,7年尺度上的突变有15次,22年尺度上的突变有5次,长时间尺度上嵌套着短时间尺度。此外,输沙率时间序列的多时间尺度、周期性、突变性特征是由气候要素所决定。2.非线性特征分析结果表明,流域悬移质的输移过程具有混沌和分形这两种主要的非线性特征。从混沌特征来看,控制站龙潭寨水文站月均输沙率的最小嵌入维m=11,饱和关联维D2=1.8387,最大Lyapunov指数λ1=0.108,Kolmogorov熵K=0.1818,表征了盘龙河月均输沙率的最大可预报时间约为9个月,平均可预报时间约为6个月。从分形分析的结果来看,盘龙河月均输沙率的Hurst指数H=0.7781>0.5,分形维数D=1.2219。3.分析河流悬移质输移变化与土地利用变化之间的对应关系时表明,盘龙河流域河流悬移质输沙的趋势性特征是其对土地利用变化,特别是其中的林地面积变化的趋势性所作出的响应。这主要是由于土地利用与土壤侵蚀之间有密切的关系,土地利用方式变迁必然导致土壤侵蚀强度发生改变,从而引起侵蚀产沙与河流输沙的相应调整的结果。4.输沙率预测的小波神经网络耦合模型的因子选取结果表明,在构建气候水文变化对悬移质的影响模型中：加入径流量要素和考虑大雨及暴雨的影响后模型的预测效果更好；有一个月的滞后比没有滞后好,但不宜超过二个月；小波神经网络耦合模型的预测精度比普通BP模型高。在构建人类活动变化对悬移质的影响模型中：考虑林地面积和水库控制面积,及两者分别滞后一年,模型的预测精度有较大的提高,而加入耕地面积、水库库容、公路修建里程、水土保持面积、裸地面积、年采矿量、流域年末总人口等要素后,模型的预测精度有所提高,但没有明显的变化。5.气候变化对河流悬移质输移的影响分析结果表明,相对于基准期,气候变化对输沙变化的综合影响在不同时段有所不同。但总体而言,随着时间的推移,气候变化对输沙变化的贡献呈现出逐渐减弱的趋势。此外,不同气候要素对输沙变化还具有不同的影响作用,降雨量对输沙变化的贡献最为重要,均超过了85%；气温的贡献为负作用,并且小于3%；大雨和暴雨对输沙也有一定的影响,但在6%以内。河流悬移质对气候变化的响应分析结果为,降雨不变而气温升高将导致输沙的减少；气温不变,降雨增加则输沙增加,反之则减少,且降雨增加相同的幅度比减少相同幅度对输沙的影响更显著；气温升高同时降雨减少,则输沙朝减少的方向发展；气温升高同时降雨增加,输沙的变化相对较为复杂。此外,在人类活动加剧的情景下,输沙对同样的气候变化情景将变得更为敏感。6.人类活动对河流悬移质输移的影响分析结果表明,相对于基准期,人类活动变化对输沙变化的综合影响在不同时段也不尽相同。总体而言,随着时间的推移,人类活动对输沙的控制有逐渐加强的态势。此外,不同人类活动要素对输移变化的影响具有不同的作用,林地对输沙变化的贡献最大,均超过了70%；对于耕地,从1958年至2005年一直趋于减少状态,对减少输沙的贡献也相应增加；就水库控制面积和库容而言,减沙贡献主要表现在研究时段初期；公路修建和采矿,在研究时段初期,两者对输沙增加的贡献相对较小,而进入90年代以来,它们对输沙的增加已经不可忽视；就水土保持面积而言,进入2000年以来,对减沙的贡献才达5.64%；裸地面积对输沙的贡献在初期为4.23%,90年代达到11.26%,进入21世纪以来,又降为10.57%；流域年末总人口对输沙的贡献均在4%左右。河流悬移质对人类活动变化的响应分析结果为,耕地面积维持不变的情况下,林地面积的减少将导致输沙的升高,而林地面积增加将导致输沙减少；林地面积维持不变的情况下,耕地面积的减少将导致输沙的减少,反之则升高；耕地减少同时林地增加会导致输沙的减少；耕地增加同时林地减少将导致输沙的增加。此外,在气候变为较干旱时,输沙对同样的人类活动情景不敏感,反之则较为敏感。7.未来气候变化下输沙的可能变化预测结果为,以2000-2005年的输沙为基准,至2050年研究区输沙的可能变化范围是增加0.15～16.8%。如若考虑到人类控制的加剧,输沙总体将朝减少的方向发展。上述方法、思路与成果,为流域泥沙的研究注入了新的方法,拓展了泥沙研究的方向,丰富和完善了水文学的理论体系,加深了人类对流域泥沙过程的认知与理解,弥补了研究区相应领域的空白,具有积极的意义。