黄土高原吕二沟流域环境演变的生态水文响应

论文摘要

环境变化的生态水文响应,以气候变化和由于人类活动引起的土地利用变化对生态水文过程影响集中表现出来。本研究通过对黄土高原吕二沟数据分析,预测未来40年内的气候和土地利用变化,在此基础上应用改进后的生态水文模型TOPOG对将来时刻的水文过程进行模拟,并分析其发生的成因,旨在为水土保持治理和土地利用改造建设提供技术支持。得出主要结论有：（1）吕二沟流域多年平均降水量为533.65mm,年际间变化波动大,在整个研究阶段不发生突变,一直处于明显的减少的趋势,6-9月份降水占全年降水的85.62%。降水量在空间上表现出越靠近流域上游、海拔越高其降水量愈大,空间异质性越大；研究流域60年来最高、平均和最低气温突变出现在1997-1999年之间,以平均0.024℃/a、0.0279℃/a和0.0289℃/a的速度升高；吕二沟流域实际蒸散发没有明显的发生突变,一直处于减少的趋势,主要受到降水影响,潜在蒸散发逐年升高,是由降水和气温变化共同决定；在分析气候变化趋势基础上,对未来40年气候变化进行预测。（2）在研究期间,黄土高原吕二沟流域土地利用方式发生了很大的改变,主要表现在草地和坡耕地面积减少,梯田和林地面积增大；在1986-1995年为土地利用整体规划期,类型和数量上的变化较大；1995-2001年为自我调整期,变化数量较小2001-2008年为稳定期,各种土地利用变化微弱；应用CA-Markov模型,借助IDRISI软件,在去除土地利用变化加速度的基础上,以土地利用变化速度为依据,对研究流域不同土地利用类型在数量上和空间上将来的变化进行模拟预测。（3）吕二沟流域土壤水文特征与土壤物理特性关系紧密。不同土地利用类型土壤,其颗粒组成不同,孔隙度存在差异,土壤含水量垂直方向上变化幅度不大；不同土地利用类型对土壤饱和渗透率影响较大,饱和渗透率表现出刺槐林>草地>耕地和果园的规律,同时发现土壤饱和渗透率与含水量无关,与土壤容重和非毛管孔隙相关性较大；研究区内土壤抗蚀指数在较小的变化区间内,草地土壤抗蚀指数最大,坡耕地抗蚀指数最小,土地利用类型土壤抗蚀指数k均表现出侵蚀沟上游<中游<下游的变化；不同的土地利用方式土壤抗冲系数C值大小排序为：刺槐林>草地>梯田>果园>坡耕地,土壤的抗冲特性与土壤中根系密度关系较大,土壤抗冲性随着坡度增加而减小（4）研究流域径流量和输沙量在年际间的变化表现出形同的趋势,泥沙对于径流的响应较为强烈；吕二沟流域径流和输沙量在基准期,非显著变化期和显著变化期变化程度不同,径流泥沙在非显著变化期和显著变化期中,土地利用贡献率降低,气候变化贡献率逐渐增高,治理措施在本流域减小径流损失和减弱泥沙流失具有重要作用。（5）研究区湿度指数随着净降水量和透水率的增加而增加,在不同季节中,附加辐射权重的湿度表现出夏季>春、秋分>冬季的趋势；在地表覆盖越好,流域侵蚀危险等级越低,地表裸露率越大,流域侵蚀危险等级越高；在同种地表盖度情况下,坡度较缓的地带侵蚀灾害指数较大。吕二沟流域土壤侵蚀主要发生在坡面上,而沟道侵蚀较弱；域流域较大范围的崩塌是由于10-50mm/d降雨形成的,崩塌危险指数空间分布表现坡上值小于坡下值,总体上游小于下游,在沟道之中最大,在同等降水情况下,上游和坡上发生崩塌概率最大,沟道之中发生崩塌概率最小；改进后的模型使得径流过程的纳什效率系数从0.68提升为0.81,输沙过程纳什系数从0.72提升到0.85,模拟值更加符合实际观测值。（6）在气候和土地利用预测的基础上,应用改进后的TOPOG模型,对环境演变下的对未来40年生态水文过程进行模拟分析,发现：未来40年内,吕二沟流域降水资源、径流输沙均逐渐减少,且表现出季节变化,蒸散发损耗水量在未来40年内占水资源比例逐渐增强,径流所占比例逐渐减弱；由于人类活动引起的土地利用变化对径流泥沙贡献率逐渐降低,而由于气候波动对径流泥沙影响越来越显著；气候变化对径流贡献率比对泥沙贡献率大,而土地利用变化对泥沙贡献率则大于对径流贡献率；一年之中,随着雨季来临,气候变化和土地利用变化与水文过程相关性增强,随着雨季结束而减弱,在不同的生态水文过程中,水文过程与气候相关系数均大于其与土地利用变化系数,在雨季表现更为明显。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 1 研究进展与评述
• 1.1 生态水文研究进展
• 1.1.1 生态水文学的概念
• 1.1.2 生态水文学的理论基础
• 1.1.3 生态水文学研究进展
• 1.2 生态水文过程模拟的进展
• 1.2.1 为什么要用模型
• 1.2.2 水文模型的发展
• 1.2.3 TOPOG模型的应用
• 1.3 存在主要问题及发展趋势
• 1.3.1 存在主要问题
• 1.3.2 发展趋势
• 2 研究区域概况
• 2.1 流域自然概况
• 2.1.1 地形地貌
• 2.1.2 土壤
• 2.1.3 气候
• 2.1.4 水文
• 2.1.5 植被
• 2.2 社会经济概况
• 2.3 流域治理概况
• 2.4 流域研究历史
• 3 研究内容及方法
• 3.1 研究内容
• 3.1.1 区域气候变化及预测
• 3.1.2 流域土地利用/覆被变化及趋势分析
• 3.1.3 不同土地利用方式土壤的水文特性
• 3.1.4 径流泥沙分析
• 3.1.5 流域土地利用/覆被和气候变化的生态水文响应
• 3.2 技术路线
• 3.3 数据获取方法
• 3.3.1 地形数据获取
• 3.3.2 气象数据获取
• 3.3.3 土地利用/覆盖数据获取
• 3.3.4 土壤数据获取
• 3.3.5 径流泥沙数据获取
• 3.4 数据处理方法
• 3.4.1 "3S"技术利软件
• 3.4.2 数理统计软件SAS
• 3.4.3 三维视图软件SURFER
• 3.4.4 非参数检验方法
• 3.4.5 CA-Markov耦合模型
• 3.4.6 环境演变对径流泥沙贡献分析方法
• 3.4.7 分布式生态水文模型TOPOG
• 4 区域气候变化及趋势分析
• 4.1 流域降水时空异质性分析
• 4.1.1 雨量站布设科学依据分析
• 4.1.2 降水的时间异质性
• 4.1.3 降水的空间异质性
• 4.2 区域气温变化规律研究
• 4.2.1 区域气温年际变化
• 4.2.2 区域气温年内变化
• 4.3 区域降水与气温关系分析
• 4.3.1 年际降水与气温关系
• 4.3.2 年内降水与气温关系
• 4.4 区域蒸散发变化规律研究
• 4.4.1 潜在蒸散发变化规律
• 4.4.2 实际蒸散发变化规律
• 4.4.3 潜在蒸散与实际蒸散比较分析
• 4.4.4 实际蒸散发与降水、气温关系
• 4.5 区域气候变化趋势分析
• 4.5.1 气候数据预置白处理与突变分析
• 4.5.2 区域气候变化预测
• 4.6 小结
• 5 土地利用/覆被景观变化及预测
• 5.1 土地利用/覆被景观变化分析
• 5.1.1 土地利用/覆被数据库建立
• 5.1.2 土地利用/变化分析
• 5.1.3 土地利用/覆被景观变化分析
• 5.2 土地利用演变驱动力分析
• 5.2.1 自然生物因素
• 5.2.2 人口因素
• 5.2.3 政策因素
• 5.2.4 经济和科技发展因素
• 5.3 基于CA-Markov模型的土地利用变化趋势预测
• 5.3.1 CA-Markov组成及规则制定
• 5.3.2 08年土地利用预测与检验
• 5.3.3 土地利用预测
• 5.4 小结
• 6 土壤特性分析
• 6.1 土壤物理特性分析
• 6.1.1 土壤容重及颗粒组成特征
• 6.1.2 土壤含水量特征
• 6.2 土壤渗透特性分析
• 6.2.1 土地利用类型对渗透率性能影响
• 6.2.2 土壤物理性质对饱和渗透率影响
• 6.2.3 土壤入渗过程研究
• 6.3 土壤抗蚀特性分析
• 6.3.1 土壤溶解过程
• 6.3.2 不同土地利用方式土壤抗蚀性
• 6.3.3 抗蚀指数空间异质性
• 6.4 土壤抗冲特性分析
• 6.4.1 不同土地利用类型抗冲性
• 6.4.2 土壤抗冲性与根系关系
• 6.4.3 土壤抗冲性与坡度关系
• 6.5 土壤水文特性与物理特性关系
• 6.6 小结
• 7 生态水文过程变化规律及成因分析
• 7.1 径流、泥沙变化过程分析
• 7.1.1 径流泥沙的年际变化
• 7.1.2 径流泥沙的年内变化
• 7.1.3 泥沙对径流响应分析
• 7.2 径流泥沙突序列划分及定量分析
• 7.2.1 径流泥沙突变分析
• 7.2.2 径流泥沙定量变化研究
• 7.3 径流泥沙对环境演变响应
• 7.3.1 径流对气候变化和土地利用/覆被变化的响应
• 7.3.2 泥沙对气候变化和土地利用/覆被变化的响应
• 7.4 环境演变各影响因素对径流泥沙影响分析
• 7.4.1 气候变化对径流泥沙影响分析
• 7.4.2 土地利用/覆被变化对径流泥沙影响分析
• 7.4.3 环境演变各因素对径流影响
• 7.4.4 环境演变各因素对输沙量影响
• 7.4.5 环境演变对径流、输沙量影响比较分析
• 7.5 治理措施对径流泥沙影响分析
• 7.5.1 治理措施对径流贡献分析
• 7.5.2 治理措施对泥沙贡献分析
• 7.6 小结
• 8 生态水文过程模拟优化与验证
• 8.1 TOPOG模型水文过程计算原理
• 8.1.1 湿度指数
• 8.1.2 侵蚀危险指数
• 8.1.3 崩塌危险指数
• 8.1.4 土壤水模块
• 8.1.5 溶质运移模块
• 8.1.6 蒸散模块
• 8.1.7 地表径流模块
• 8.1.8 沉积物搬运模块
• 8.2 TOPOG模型的优化
• 8.2.1 TOPOG模型存在问题
• 8.2.2 优化思路
• 8.2.3 模型优化
• 8.3 参数确定
• 8.3.1 土壤参数
• 8.3.2 气象参数
• 8.3.3 植被参数
• 8.3.4 径流泥沙参数
• 8.3.5 参数确定
• 8.4 地形分析
• 8.5 稳态模拟
• 8.5.1 湿度指数模拟分析
• 8.5.2 侵蚀危险指数模拟分析
• 8.5.3 崩塌危险指数模拟分析
• 8.6 生态水文过程动态模拟与适用性检验
• 8.6.1 评价指标的选取
• 8.6.2 径流模拟值与实际值对比分析
• 8.6.3 泥沙模拟值与实际值对比分析
• 8.6.4 TOPOG模型适应性检验
• 8.8 小结
• 9 环境演变的生态水文过程模拟分析
• 9.1 生态水文过程预测模拟
• 9.2 水资源变化及再分配分析
• 9.3 生态水文过程变化成因分析
• 9.3.1 生态水文过程年际变化成因分析
• 9.3.2 生态水文过程年内变化成因分析
• 9.4 小结
• 10 结论与讨论
• 10.1 结论
• 10.2 讨论
• 参考文献
• 个人简历
• 导师简介
• 在读期间获得成果目录清单
• 致谢