武陵山区低山丘陵小流域土壤侵蚀特征及产流产沙模拟预测

论文摘要

长江中下游低山丘陵生态退化区为防治好水土流失已开展了大规模的植被恢复工作,要了解植被恢复所产生的水土保持效应乃至生态环境效应,研究流域土壤侵蚀特征及规律,是必不可缺的。本文以了解植被恢复对长江中下游低山丘陵区所产生的水土保持效应为主要目的,选取湖南西北部武陵山区女儿寨小流域为研究流域,对降雨侵蚀力、土壤可蚀性K值等因素进行详细分析,在总结流域不同尺度产流产沙特征与植被恢复对水土流失改善效果的基础上,选用GIS结合USLE及分布式水文模型SWAT两种方式对流域产流产沙进行模拟预测,对模型在流域的适宜性进行评价,通过比较找出更适合于流域的预测方式,为流域今后水土流失治理提供基础数据,为今后指导武陵山区及长江中下游低山丘陵区相似流域的水土保持工作提供借鉴与参考。主要得出如下结论:（1）流域降雨侵蚀力时间分布不均匀,主要集中在4-8月。2000-2008年9年间降雨侵蚀力波动变幅较大。次降雨量与次降雨侵蚀力、月降雨量与月降雨侵蚀力、年降雨量与年降雨侵蚀力均为乘幂关系,其拟合的函数可用于相应降雨侵蚀力的计算,其中以月侵蚀性降雨量作为变量计算精度最大,决定系数达到0.8605。在流域内长期计算与分析降雨侵蚀力,EI结构中以EI30最为适宜。半月步长日雨量模型R=α（Dj）β和非线性多参数模型Rj=a{1+bsin[Π（j-1）/12]} Pkc适合流域降雨侵蚀力的评价。（2）小流域土壤可蚀性K值介于0.2451—0.4623之间,其变幅较大。土壤表层质地普遍偏粗,粘土所占比例较小。K值离差系数Cv为0.1295,存在中等程度的变异性。流域几种主要土壤类型K值为:黄壤0.332,黄棕壤0.326,红壤0.318。通过Kriging插值得到K值在流域范围内的空间分布图。今后,增加采样密度和优化采样方法将是提高K值空间分布图精度的有效途径。（3）流域内几种具有代表性的植被恢复模式径流小区,其产流产沙量在2000-2008年9年间存在巨大的差异,自2004年后产流产沙均显著减少并基本稳定,植被恢复对水土流失的效益从2004年开始得到明显体现。灌木林和润楠林小区具有良好的保水减沙效益,退耕还林措施同样带来了良好的效益。从产流产沙的年内分布来看,4-8月是水土流失的主要时期。随着植被恢复年限增大,林分郁闭度增加,降雨因子对产流产沙的显著作用有所增加,体现在2004年后降雨因子与产流产沙的相关系数明显增大,产流产沙回归方程的回归相关系数从2004年后除润楠林小区外普遍有了增加。各个小区产沙量均随产流量的增大而增大,以润楠林小区产沙随产流的变化最大。（4）对于植被恢复径流小区,乔层盖度是对产流产沙影响最大的环境因子,其次是毛管持水量,地形因子的坡度对产沙有较大影响;对于退耕还林小区,坡度是对产流产沙影响最大的环境因子,其次是土壤渗透速度,灌层盖度和草层盖度对产流产沙有较大影响且影响作用相同。（5）从流域尺度上来看,汛期是流域径流产生的主要时期,洪水是流域泥沙产生的主要来源。径流量2004年前和2004年后没有太大变化,而产沙量自2004年后显著减少,2004-2008年来泥沙特征值的变化幅度大于降雨与径流特征值变化幅度。流域径流量随着降雨量的增加而增加,汛期月径流深与月输沙量呈正相关关系。水文指标对流域土壤侵蚀量的相关性要高于降水指标。选择3种降水指标、4种水文指标及径流系数Cr,建立流域土壤侵蚀量S的定量计算方程式,经检验方程复相关系数平方R2达到0.96,可用于流域土壤侵蚀量的定量计算。（6）利用GIS并以USLE为评价模型预测了流域土壤侵蚀量。<5t/（hm2·a）的微度侵蚀占侵蚀总面积的66.02%。林地除竹林外均为微度侵蚀,也说明了林地防治土壤侵蚀的效益。海拔300-400m与200-300m地带的侵蚀量分别占到侵蚀总量的34.99%和29.89%,是需要预防土壤侵蚀的重点地带。坡度20-40o地带侵蚀量占总侵蚀量的55.5%,也是防治土壤侵蚀的主要区域。整个流域年均侵蚀模数为652.37 t/（km2·a）,与实测值相比未达到较为满意的结果,只能用于粗略的估算。（7）应用分布式水文模型SWAT对流域产流产沙进行预测。经过参数校准和模型验证,模型对径流深的模拟值相关系数（R2）与Nash-Suttclife系数（Ens）两个评价指标均在0.8以上,相对误差系数（RE）也仅为0.004;输沙模数整体值小于实测值,但R2为0.88,说明模拟值可以很好的反映泥沙变化的趋势,Ens为0.78也是模型可以接受的精度范围。结果表明,模型可以较好的模拟流域产流产沙,在流域内的适用性好于USLE模型。SWAT模型对产流的模拟效果要好于对产沙的模拟效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究目的与意义
• 1.1.3 项目来源与经费支持
• 1.2 国内外研究现状与评述
• 1.2.1 植被变化对流域径流泥沙过程的影响
• 1.2.2 土壤侵蚀研究进展
• 1.2.3 土壤侵蚀模型研究进展
• 1.2.4 国内土壤侵蚀模型研究进展
• 1.2.5 SWAT 模型概况及研究进展
• 1.2.6 土壤侵蚀模型应用存在问题及展望
• 1.2.7 长江流域土壤侵蚀模型的应用
• 1.3 研究目标与主要研究内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.4 研究技术路线
• 第二章 研究区概况与研究方法
• 2.1 研究区概况
• 2.1.1 地理位置
• 2.1.2 气候
• 2.1.3 地质地貌
• 2.1.4 土地利用
• 2.1.5 植被
• 2.1.6 土壤
• 2.2 研究方法
• 2.2.1 数据观测及收集
• 2.2.2 数据处理
• 2.2.3 模型介绍
• 第三章 流域降雨侵蚀力计算及其特征研究
• 3.1 基础数据
• 3.2 研究方法
• 3.3 结果分析
• 3.3.1 次降雨侵蚀力特征
• 3.3.2 月降雨侵蚀力特征
• 3.3.3 降雨侵蚀力年际变化
• 30比较分析及其适用性探讨'>3.3.4 几种模型计算结果与EI₃₀比较分析及其适用性探讨
• 3.4 讨论
• 3.5 小结
• 第四章 流域表层土壤可蚀性K 值空间变异
• 4.1 研究方法
• 4.1.1 样点布设与采样方法
• 4.1.2 计算方法
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 土壤可蚀性K 值的基本特征
• 4.2.2 土壤可蚀性K 值的正态分布性检验
• 4.2.3 土壤可蚀性K 值的半方差函数
• 4.2.4 土壤可蚀性K 值的空间变异特征
• 4.2.5 流域土壤分布图的生成
• 4.3 小结
• 第五章 流域不同尺度产流产沙分析
• 5.1 基础数据
• 5.2 研究方法
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 径流小区产流产沙特征
• 5.3.2 径流小区产流产沙的年内分布特征
• 5.3.3 降雨与产流产沙的关系
• 5.3.4 产流量与产沙量的关系
• 5.3.5 影响径流小区产流产沙的主导环境因子判断
• 5.3.6 流域尺度产流产沙的研究
• 5.4 小结
• 第六章 基于GIS 的流域土壤侵蚀评价
• 6.1 基础数据
• 6.2 研究方法
• 6.2.1 降雨侵蚀力（R）因子
• 6.2.2 土壤可蚀性（K）因子
• 6.2.3 坡长坡度（LS）因子
• 6.2.4 植被覆盖因子（C）和水土保持措施因子（P）
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 土壤侵蚀量的计算与分级
• 6.3.2 土地利用方式与侵蚀量关系分析
• 6.3.3 海拔高程与侵蚀量关系分析
• 6.3.4 坡度与侵蚀量关系分析
• 6.3.5 USLE 计算方法的适宜性评价
• 6.4 小结
• 第七章 基于SWAT 模型流域产流产沙研究
• 7.1 基础数据
• 7.1.1 模型系统
• 7.1.2 地形图件
• 7.1.3 DEM 的后处理
• 7.1.4 土地利用图
• 7.1.5 土壤图
• 7.2 模型主要的输入参数及相应计算方法
• 7.2.1 气象数据
• 7.2.2 土壤参数
• 7.3 模型处理过程
• 7.4 模型校准与验证
• 7.4.1 模型的参数率定
• 7.4.2 模型的验证
• 7.5 模拟结果分析
• 7.6 小结
• 第八章 结论与讨论
• 8.1 结论
• 8.2 讨论
• 8.3 展望
• 参考文献
• 在读期间的学术研究
• 致谢