南方花岗岩地区红壤侵蚀与径流输沙规律研究 ——以湖南武水流域为例

论文摘要

土壤侵蚀是自然界中普遍存在的山地灾害现象之一,已成为当今资源和环境问题研究重点。本论文以长江以南花岗岩地区典型流域---湖南武水流域为研究对象,从坡面小区、小流域和中流域三种空间尺度,研究红壤侵蚀与径流输沙规律;基于流域30年土地利用变化,研究其与径流和输沙的耦合关系;基于ArcGIS建立基本属性数据库,构建研究流域分布式水文模型---PRMSStorm模型,并在中流域尺度对径流与输沙进行模拟与预报。以期在建立土壤侵蚀—土地利用—径流输沙三者有机联系的基础上,为定量监测和科学评价区域水土流失与生态环境状况,研究揭示典型流域侵蚀与径流输沙规律,指导区域水土保持生态建设提供理论依据与技术支持。通过调查取样,运用统计分析和分形理论,研究表明,不同土地利用类型间土壤理化性质、土壤结构及其分形特征分异规律明显。分形维数能客观反映土壤结构特征及其稳定性,林地土壤结构改善,稳定性好,人为扰动不利于土壤良好结构形成。同时,弹性分析与边际分析表明,土壤结构分形维与土壤基本理化性质指标相关程度不一。采用土壤理化性质综合指标法,选用16项指标进行主成分分析,可得到无机及胶粒因子、团聚类因子、水稳性团聚体因子和有机及微团聚类因子等4个主成分因子。等级聚类分析表明,不同土地利用类型间土壤抗蚀性分异规律显著,仅就土壤抗蚀性能而言,典型林分林地抗蚀性最强,依次为疏林地、旱地、荒地,最差为坡耕地,说明坡耕地、荒地、旱地、疏林地是研究区主要的流失地类,尤其是坡耕地。研究流域土壤侵蚀以水蚀为主,局部伴有崩岗重力侵蚀发生,30年（19782007年）来,土壤侵蚀面积减少,侵蚀强度也有所降低。本文以自然坡面小区为基本侵蚀单元,基于19场有效降雨实测资料,研究表明不同土地利用类型间地表径流与侵蚀产沙分异规律明显,裸露荒地、坡耕地、旱地和疏林地的实测地表径流分别是典型林分林地的1354.9%、1099.9%、712.3%和285.4%,土壤侵蚀模数排序为裸露荒地7744.2 t/km2>坡耕地3826 t/km2>旱地942.2 t/km2>疏林地336.5 t/km2>典型林分林地10.2 t/km2,裸露荒地、坡耕地、旱地、疏林地为研究区主要的流失地类,植被能有效地调蓄地表径流和保土减蚀。运用SPSS进行统计分析,建立了各土地利用类型坡面小区尺度次降雨条件下的径流与侵蚀产沙多元回归模型。以小流域、中流域两种空间尺度流域为研究对象,分别研究了降雨、径流及输沙规律;运用分形理论,研究表明,相同尺度间（小流域尺度）、以及两种空间尺度流域日降雨、日径流均具有明显的分形特征,即存在自相似性。这可为实现相同尺度间或不同尺度间资料、参数的引用,以及解决尺度转换问题提供一种思路与实现途径,同时也可为相同尺度间或不同尺度间资料、参数等的获取提供一种可行的研究手段。运用SPSS进行统计分析,分别建立了小流域、中流域两种空间尺度流域次降雨条件下的径流与输沙的多元回归模型。运用分形理论,研究了坡面小区尺度不同土地利用类型侵蚀泥沙和武水流域悬移质、推移质泥沙的组成及其分形特征。研究表明,在坡面小区尺度,不同土地利用类型侵蚀泥沙组成差异显著,悬移质（入池泥沙）中值粒径排序为裸露荒地<坡耕地<旱地<疏林地<典型林分林地;<0.005 mm中粉（砂）粒以下含量排序为裸露荒地>坡耕地>旱地>典型林分林地>疏林地;最大粒径排序为坡耕地>旱地>裸露荒地>疏林地>典型林分林地。由于人为耕作扰动,坡耕地、旱地土壤抗蚀性能减弱,大量泥沙被地表径流侵蚀、搬运,其坡面地表组成物质呈粗骨化趋势。对于推移质（留槽泥沙）,裸露荒地坡面小区推悬比为9.42,粗颗粒含量较高,坡耕地、旱地坡面小区推悬比分别为3.61、2.9。而在中流域尺度---武水流域,悬移质泥沙颗粒组成为粘粒11%、粉（砂）粒51%、细砂粒32%和粗砂粒6%,以粉（砂）粒和细砂粒为主。1981年以后,悬移质泥沙颗粒中粘粒和粉（砂）粒含量相对减少,颗粒组成呈变粗趋势;推移质泥沙以砂、石砾为主,平均中值粒径为0.874mm。分析表明,两种空间尺度流域悬移质、推移质泥沙颗粒组成均具有显著的分形特征。运用ArcGIS和景观分析软件FRAGSTATS,研究了武水流域30年来（19782007年）土地利用景观格局动态变化规律及其驱动力因素;基于流域不同时期土地利用变化及其对应的径流与输沙实测资料,探讨了流域径流、输沙与土地利用变化的耦合关系,并建立了相应的多元回归耦合模型。基于ArcGIS建立基本属性数据库,构建武水流域分布式水文模型--- PRMS Storm,通过模型拟合、验证和参数优选,典型降雨条件下,流域径流模拟平均预报精度为0.719,洪峰预报合格率为75%;流域输沙模拟平均预报精度为0.664,输沙总量预报（<20%）合格率为62.5%,输沙量峰值预报合格率为75%。按雨型分,长历时降雨预报精度普遍高于短历时降雨,大暴雨、暴雨预报精度高于大雨、中雨。基于2007年两次典型降雨过程,进行径流模拟和输沙量预报,其结果均可达到精度要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的与意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 土壤可蚀性与抗蚀性研究进展
• 1.3.2 流域侵蚀与输沙规律研究进展
• 1.3.3 土地利用及其变化对土壤侵蚀与径流输沙的影响研究进展
• 1.3.4 不同尺度土壤侵蚀与径流输沙模型研究进展
• 1.3.5 存在问题与发展趋势
• 2 研究区概况
• 2.1 研究流域概况
• 2.1.1 研究流域位置及其布局
• 2.1.2 中流域尺度----武水流域基本情况
• 2.1.3 小流域尺度----双溪小流域基本情况
• 2.2 坡面径流试验区概况
• 2.2.1 坡面径流试验区位置
• 2.2.2 坡面径流试验区基本概况
• 3 研究内容、方法与技术路线
• 3.1 研究内容
• 3.1.1 南方花岗岩红壤不同土地利用类型土壤抗蚀性分异规律研究
• 3.1.2 南方花岗岩红壤不同土地利用类型产流与侵蚀产沙分异规律研究
• 3.1.3 两种空间尺度流域径流输沙规律研究
• 3.1.4 武水流域土地利用/地表覆被动态变化及其与径流输沙耦合关系研究
• 3.1.5 基于场降雨条件下的武水流域分布式水文模型模拟预报研究
• 3.2 技术路线
• 3.3 研究方法与实验手段
• 3.3.1 流域研究区设置与观测
• 3.3.2 坡面试验区设置与观测
• 3.3.3 野外调查
• 3.3.4 实验方法
• 3.3.5 资料收集与处理
• 3.3.6 分析方法
• 4 南方花岗岩红壤不同土地利用类型土壤抗蚀性分异规律
• 4.1 典型土地利用类型地表覆被/植被覆盖特征
• 4.1.1 典型土地利用类型确定
• 4.1.2 典型林分林地、疏（残）林地植被覆盖特征
• 4.1.3 坡耕地地表覆被/植被覆盖特征
• 4.1.4 旱地地表覆被/植被覆盖特征
• 4.1.5 荒（草）地地表覆被/植被覆盖特征
• 4.2 不同土地利用类型土壤理化性质分异规律
• 4.2.1 土壤剖面特征及其分异规律
• 4.2.2 土壤基本理化性状及其分异规律
• 4.2.3 土壤结构分形特征及其分异规律
• 4.2.4 土壤分形特征与土壤性质的关系
• 4.2.5 小结
• 4.3 不同土地利用类型土壤抗蚀性及其分异规律
• 4.3.1 抗蚀性指标选取及其计算方法
• 4.3.2 各典型土地利用类型土壤抗蚀性指标主成分分析
• 4.3.3 各典型土地利用类型土壤抗蚀性层次聚类分析
• 4.3.4 典型土地利用类型土壤抗蚀性能对比分析综述
• 4.3.5 小结
• 4.4 小结与讨论
• 4.4.1 小结
• 4.4.2 讨论
• 5 典型土地利用类型坡面小区尺度径流与侵蚀产沙规律
• 5.1 坡面侵蚀单元及其基本特征
• 5.1.1 坡面侵蚀单元的确定
• 5.1.2 自然坡面小区基本特征与数据采集
• 5.2 研究区降雨特征分析
• 5.2.1 降雨类型划分
• 5.2.2 研究区降雨特征
• 5.3 典型土地利用类型坡面小区场降雨条件下地表径流特性分析
• 5.3.1 不同降雨强度条件下地表径流特性
• 5.3.2 地表径流对场降雨的响应分析
• 5.3.3 小结
• 5.4 典型土地利用类型坡面小区场降雨条件下侵蚀产沙特性分析
• 5.4.1 基于场降雨条件下不同土地利用类型的侵蚀产沙特性
• 5.4.2 不同土地利用类型侵蚀产沙对降雨、径流的响应分析
• 5.4.3 侵蚀泥沙特性分析
• 5.4.4 小结
• 5.5 小结与讨论
• 5.5.1 小结
• 5.5.2 讨论
• 6 二种空间尺度流域径流输沙规律研究
• 6.1 流域径流输沙规律研究的尺度问题及其研究方法
• 6.1.1 流域径流输沙规律研究的尺度问题
• 6.1.2 流域径流与输沙规律的尺度研究方法
• 6.2 分形理论及其在流域径流与输沙规律研究中的应用
• 6.2.1 分形理论及其基本概念
• 6.2.2 分形测度与分形维
• 6.2.3 单分形计算方法及其应用
• 6.2.4 多重分形计算方法及其应用
• 6.2.5 泥沙分形特征计算方法及其应用
• 6.3 小流域径流输沙规律研究
• 6.3.1 小流域降雨特征分析
• 6.3.2 小流域径流特征及其对降雨的响应
• 6.3.3 小流域输沙对降雨与径流的响应分析
• 6.3.4 小结
• 6.4 中流域----武水流域径流输沙规律研究
• 6.4.1 武水流域降雨特征分析
• 6.4.2 武水流域径流特征及其对降雨的响应分析
• 6.4.3 武水流域输沙特征及其对径流和降雨的响应分析
• 6.4.4 小结
• 6.5 小结与讨论
• 6.5.1 小结
• 6.5.2 讨论
• 7 武水流域土地利用/地表覆被动态变化及其驱动力分析
• 7.1 武水流域土地利用/地表覆被结构及其动态变化
• 7.1.1 武水流域不同时期土地利用特点
• 7.1.2 武水流域土地利用结构动态变化规律
• 7.2 武水流域土地利用空间格局及其动态变化
• 7.2.1 景观空间格局特征指数及其生态涵义
• 7.2.2 武水流域土地利用景观格局及其动态变化
• 7.3 武水流域土地利用/地表覆被动态变化驱动力分析
• 7.3.1 自然控制因子
• 7.3.2 社会经济驱动力因子
• 7.4 小结与讨论
• 7.4.1 小结
• 7.4.2 讨论
• 8 武水流域土壤侵蚀特性及径流输沙与土地利用变化耦合关系
• 8.1 武水流域土壤侵蚀特性
• 8.1.1 武水流域土壤侵蚀类型
• 8.1.2 武水流域土壤侵蚀面积与强度
• 8.2 武水流域径流与土地利用变化的耦合关系
• 8.2.1 武水流域土地利用变化对年径流的影响
• 8.2.2 武水流域径流与土地利用变化耦合模型建立
• 8.3 武水流域输沙与土地利用变化的耦合关系
• 8.3.1 武水流域土地利用变化对年输沙的影响
• 8.3.2 武水流域输沙与土地利用变化耦合关系模型建立
• 8.4 小结与讨论
• 8.4.1 小结
• 8.4.2 讨论
• 9 基于场降雨条件下的武水流域径流与输沙模拟预报研究
• 9.1 流域分布式径流与输沙模型构建
• 9.1.1 模型技术平台
• 9.1.2 模型的主要功能模块与结构
• 9.1.3 模型构建
• 9.2 数据输入与参数确定
• 9.2.1 水文响应单元（HRU）划分
• 9.2.2 数据文件的获取与整理
• 9.2.3 模型参数确定
• 9.3 模型拟合与验证
• 9.3.1 模型率定与检验
• 9.3.2 武水流域径流的拟合和验证
• 9.3.3 武水流域输沙的拟合和验证
• 9.4 武水流域径流模拟与输沙预报
• 9.4.1 典型降雨特征
• 9.4.2 武水流域径流模拟
• 9.4.3 武水流域输沙模拟预报
• 9.5 小结与讨论
• 9.5.1 小结
• 9.5.2 讨论
• 10 结论与建议
• 10.1 结论
• 10.2 建议
• 参考文献
• 个人简介
• 在读期间获得成果目录清单
• 导师简介
• 致谢