本文關(guān)鍵詞：黃土高塬溝壑區(qū)硯瓦川流域徑流泥沙對氣候變化與人類活動的響應(yīng)

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【摘要】：黃土高原是我國水土流失最嚴重的地區(qū),全球氣候變化和人類活動日益加劇,特別是近年來大范圍退耕還林還草等水土保持措施的實施,對下墊面產(chǎn)生了極大影響。本研究以黃土高塬溝壑區(qū)硯瓦川流域為研究對象,采用1981-2009年流域主要氣象站和水文站的實測資料以及三期(1985、1996和2009年)土地利用數(shù)據(jù),運用數(shù)理統(tǒng)計分析結(jié)合RS、GIS等技術(shù),及景觀生態(tài)學(xué)方法,定性描述與定量分析相結(jié)合,建立硯瓦川流域的數(shù)字流域模型,分析氣候水文要素特征和土地利用格局演變,計算流域綜合治理后的減水減沙效應(yīng),并定量評估氣候及人類活動因素對徑流泥沙的影響,進而模擬次降雨產(chǎn)流并分析流域土壤侵蝕強度。論文主要研究結(jié)論如下:(1)1981-2009年硯瓦川流域年均氣溫呈顯著上升趨勢,上升幅度為0.081℃/a;四季平均氣溫均上升顯著,上升幅度分別為0.125℃/a、0.065℃/a、0.067℃/a和0.082℃/a;1997年之前為偏冷時期,之后為偏暖時期。年極端最高氣溫呈顯著上升趨勢,上升幅度為0.094℃/a;年極端最低氣溫呈不顯著下降趨勢,下降幅度為-0.019℃/a。1981-2009年年降水呈不顯著下降趨勢,下降幅度為-1.521mm/a;四季中春季降水下降顯著,秋季降水下降不顯著,夏冬兩季呈不顯著上升趨勢。年最大日降水量、極端降水量、極端降水頻率和極端降水強度下降不顯著,下降幅度分別為-0.064 mm/a、-0.864 mm/a、-0.080次/a和-0.008 mm·d-1/a;嚴重干旱事件增加不顯著,增加幅度為0.085次/a。年降水量在空間上總體呈西高東低的態(tài)勢。1981-2009年相對濕度呈不顯著下降趨勢,下降幅度為-0.178%/a,潛在蒸發(fā)散顯著上升,上升幅度為5.672 mm/a。(2)采用1985、1996和2009年的土地利用數(shù)據(jù),分析硯瓦川流域土地利用的時空變化特征,結(jié)果顯示1985-1996年各地類相對穩(wěn)定。1985-2009年林地增加程度最大,面積增加258.06%,動態(tài)度為10.75%;草地減少最多,面積減少38.22%,動態(tài)度為-1.59%;從轉(zhuǎn)移矩陣上看面積轉(zhuǎn)化最活躍的是林地、草地和耕地。從各地類重心變化上看,林地和草地的重心向西南方向遷移,居民地的重心向西北方向遷移,水域向西遷移。從景觀角度分析土地利用景觀異質(zhì)性增大,景觀平均程度提高,土地利用景觀穩(wěn)定性提高,水土流失的可能性降低。從植被覆蓋上看,1981-2009年生長季NDVI呈顯著上升趨勢,上升幅度分別為每年0.0042。(3)1981-2009年年徑流量呈顯著下降趨勢,變化幅度為-9.573萬m3/a;汛期徑流量下降趨勢顯著,下降幅度為-6.643萬m3/a。四季中春夏兩季徑流量呈顯著下降趨勢,秋冬兩季的下降趨勢不顯著,四季徑流量下降幅度分別為-3.583萬m3/a、-2.607萬m3/a、-1.213萬m3/a和-0.786萬m3/a。1981-2009年年輸沙量呈顯著下降趨勢,下降幅度為-2.458萬t/a,汛期輸沙量呈顯著下降趨勢,變化幅度為-2.389萬t/a。四季輸沙量均呈顯著下降趨勢,下降幅度分別為-0.736萬t/a、-16.22萬t/a、-0.702萬t/a和-0.006萬t/a。1981-2009年洪水發(fā)生頻次呈顯著下降趨勢,大多發(fā)生在7-9月,最大洪峰多發(fā)生在7-8月。(4)采用雙累積曲線等方法得到1997年為硯瓦川流域減水減沙作用明顯生效的轉(zhuǎn)折年,據(jù)此將整個研究時段分為兩個時期,1981-1997年為基準期,1998-2009年為治理期。治理期硯瓦川水文站控制流域減水減沙效應(yīng)值分別為27.2%和75.9%。治理期降雨因素有增加徑流量和輸沙量的作用,其平均降水量、降雨侵蝕力、極端降水量和極端降水強度較基準期分別增加2.61%、12.47%、3.19%和5.05%;而治理期下墊面狀況的改善有減少徑流量和輸沙量的作用,其生長季NDVI值較基準期增長20.59%。在此基礎(chǔ)上定量分析得到人類活動對減水減沙貢獻率分別為108.9%和105.1%,降水對減水減沙貢獻率為-8.9%和-5.1%。從1981-2009年徑流深和輸沙模數(shù)間的次降雨水沙關(guān)系特征上看,單位徑流輸沙量趨于穩(wěn)定的臨界徑流深為3 mm;在年、次降雨時間尺度上,治理期較基準期水沙關(guān)系都變化顯著,其單位徑流的輸沙量顯著降低。(5)采用GIS與SCS模型相結(jié)合對基準期和治理期次降雨徑流深的空間分布變化進行分析,結(jié)果顯示治理期對下墊面的改造方向,即增加林地、減少荒草地以及提高植被覆蓋度,使得產(chǎn)流量減少,其中,塬面徑流減少程度較低,溝壑區(qū)徑流減少程度較高。以20090816次降雨作為參照,在降雨條件不變的情況下設(shè)置不同的土地利用/覆被變化情景并模擬產(chǎn)流,結(jié)果顯示在草地全部轉(zhuǎn)成林地的情景下,徑流深減少0.34 mm,徑流量減少124.53萬m3;在林草覆蓋度由目前的中覆蓋度提高到高覆蓋度的情景下,徑流深減少0.66 mm,徑流量減少241.74萬m3,且兩種情景的土地利用/覆被變化都對流域中部溝壑區(qū)的徑流影響較大。(6)采用GIS與RUSLE模型結(jié)合得到硯瓦川流域基準期和治理期的平均侵蝕模數(shù)分別為6474.82 t·km-2·a-1和3414.43 t·km-2·a-1,侵蝕強度由基準期的強度侵蝕降低到治理期的中度侵蝕。微度侵蝕主要集中在塬面,強度以上侵蝕主要集中在溝壑區(qū)。治理期與基準期的侵蝕強度相比,微度、輕度、中度和強度侵蝕面積都有所增加,分別增加7.87%、55.88%、1.99%和18.66%,極強度和劇烈侵蝕等級面積分別減少9.86%和58.59%;各侵蝕等級都較大程度地向低一等級的土壤侵蝕強度轉(zhuǎn)化。平均土壤侵蝕模數(shù)隨著坡度增大而增加,在不同坡向上排序為陽坡半陽坡半陰坡陰坡。并定量分析得到治理期降雨及土地利用變化因素減少土壤侵蝕的貢獻率分別為-12.36%和112.36%。假設(shè)在降雨條件不變的前提下,若草地轉(zhuǎn)成林地,侵蝕量將減少41.71%;若林草覆蓋度由中覆蓋度提高到高覆蓋度,侵蝕量將減少38.19%。
【關(guān)鍵詞】：黃土高塬溝壑區(qū) 硯瓦川流域 氣候變化 人類活動 徑流泥沙
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P333
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 前言15-23
• 1.1 研究背景及意義15-16
• 1.2 國內(nèi)外研究進展16-23
• 1.2.1 氣候?qū)α饔驈搅髂嗌车挠绊?/span>16-18
• 1.2.2 人類活動對徑流泥沙的影響18-20
• 1.2.3 水沙關(guān)系特征及變化研究20
• 1.2.4 SCS水文模型的研究進展20-22
• 1.2.5 RUSLE侵蝕模型的研究進展22-23
• 第二章 研究內(nèi)容與方法23-30
• 2.1 研究區(qū)概況23-25
• 2.1.1 地理位置與地質(zhì)地貌23
• 2.1.2 氣候與水文條件23-24
• 2.1.3 土壤與植被24
• 2.1.4 社會經(jīng)濟概況24-25
• 2.1.5 水土流失與綜合治理概況25
• 2.2 數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理25-27
• 2.2.1 DEM數(shù)據(jù)25
• 2.2.2 氣象與水文數(shù)據(jù)25-26
• 2.2.3 土壤與土地利用/覆被數(shù)據(jù)26-27
• 2.3 研究內(nèi)容27-28
• 2.3.1 硯瓦川流域數(shù)字流域模型的建立27
• 2.3.2 硯瓦川流域氣候水文要素的變化特征分析27
• 2.3.3 硯瓦川流域土地利用/覆被變化分析27
• 2.3.4 定量分析氣候和人類活動對水沙變化的影響27
• 2.3.5 基于SCS模型的徑流模擬27
• 2.3.6 基于RUSLE模型的土壤侵蝕評估27-28
• 2.4 研究方法28-29
• 2.4.1 氣象水文數(shù)據(jù)分析方法28
• 2.4.2 土地利用變化分析28
• 2.4.3 減水減沙效應(yīng)計算及氣候與人類活動貢獻率的定量評估28
• 2.4.4 模型模擬方法28-29
• 2.5 技術(shù)路線29-30
• 第三章 硯瓦川流域數(shù)字流域模型建立30-39
• 3.1 流域范圍確定及河網(wǎng)提取30-33
• 3.1.1 計算水流方向30
• 3.1.2 洼地填充30-31
• 3.1.3 生成流域邊界31-32
• 3.1.4 河網(wǎng)及河流長度提取32-33
• 3.2 DEM地形特征提取33-37
• 3.2.1 海拔33-34
• 3.2.2 坡度34-35
• 3.2.3 坡向35-36
• 3.2.4 地形起伏度36
• 3.2.5 地面粗糙度36-37
• 3.3 子流域劃分及其地形特征37-38
• 3.4 本章小結(jié)38-39
• 第四章 硯瓦川流域氣候變化分析39-57
• 4.1 研究方法39-43
• 4.1.1 泰森多邊形法39-40
• 4.1.2 Sen斜率估計法40
• 4.1.3 滑動平均法40-41
• 4.1.4 距平法41
• 4.1.5 Mann-Kendall趨勢檢驗法41-42
• 4.1.6 克里金空間插值法42
• 4.1.7 極端事件閾值確定42
• 4.1.8 潛在蒸發(fā)散的計算方法42-43
• 4.2 氣溫變化分析43-48
• 4.2.1 平均氣溫統(tǒng)計參數(shù)分析43-44
• 4.2.2 平均氣溫趨勢分析44-45
• 4.2.3 平均氣溫年內(nèi)變化45
• 4.2.4 極端氣溫分析45-48
• 4.3 降水變化分析48-54
• 4.3.1 降水統(tǒng)計參數(shù)分析48-50
• 4.3.2 降水年際與季節(jié)變化趨勢50
• 4.3.3 降水年內(nèi)變化50-51
• 4.3.4 降水頻率分析51-52
• 4.3.5 降水空間分布特征52-53
• 4.3.6 極端降水分析53-54
• 4.4 相對濕度54-55
• 4.5 潛在蒸發(fā)散55
• 4.6 本章小結(jié)55-57
• 第五章 硯瓦川流域土地利用/覆被變化57-66
• 5.1 研究方法57-60
• 5.1.1 支持向量機法57-58
• 5.1.2 土地利用/覆被變化幅度58
• 5.1.3 土地利用動態(tài)度58
• 5.1.4 土地利用變化強度指數(shù)58
• 5.1.5 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣58-59
• 5.1.6 土地利用重心變化分析59
• 5.1.7 景觀特征指數(shù)的生態(tài)意義59-60
• 5.2 土地利用分類及空間結(jié)構(gòu)特征60-61
• 5.2.1 土地利用分類60
• 5.2.2 土地利用空間結(jié)構(gòu)特征60-61
• 5.3 土地利用變化分析61-63
• 5.3.1 土地利用變化的數(shù)量分析61-62
• 5.3.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析62
• 5.3.3 土地利用重心轉(zhuǎn)移分析62-63
• 5.3.4 土地利用景觀格局變化分析63
• 5.4 植被覆蓋變化分析63-65
• 5.4.1 NDVI數(shù)據(jù)預(yù)處理63-64
• 5.4.2 NDVI統(tǒng)計參數(shù)及變化趨勢分析64-65
• 5.4.3 NDVI與主要氣候因子的關(guān)系65
• 5.5 本章小結(jié)65-66
• 第六章 硯瓦川流域水沙變化特征66-75
• 6.1 研究方法66
• 6.1.1 變化趨勢分析法66
• 6.1.2 洪水頻率分析66
• 6.2 徑流變化特征66-69
• 6.2.1 徑流統(tǒng)計參數(shù)分析66-68
• 6.2.2 徑流趨勢分析68
• 6.2.3 徑流年內(nèi)分布特征68-69
• 6.3 泥沙變化特征69-71
• 6.3.1 泥沙統(tǒng)計參數(shù)分析69-70
• 6.3.2 泥沙趨勢分析70-71
• 6.3.3 泥沙年內(nèi)分布71
• 6.4 洪水變化特征71-73
• 6.4.1 洪水統(tǒng)計分析71-72
• 6.4.2 洪水頻率分析72-73
• 6.5 本章小結(jié)73-75
• 第七章 氣候和人類活動對硯瓦川流域水沙變化的影響75-90
• 7.1 研究方法75-77
• 7.1.1 突變點檢驗法75-76
• 7.1.2 水沙效應(yīng)計算方法76
• 7.1.3 氣候和土地利用變化對水沙影響的貢獻率的分割76
• 7.1.4 Kolmogorov-Smirnov檢驗76-77
• 7.1.5 帶指示變量的回歸分析77
• 7.2 徑流泥沙變化時段確定77-81
• 7.2.1 水沙變化時段確定77-78
• 7.2.2 突變點前后的要素特征78-81
• 7.3 水沙效應(yīng)分析81-82
• 7.4 降水與人類活動對水沙變化影響的定量評估82
• 7.5 水沙關(guān)系變化82-88
• 7.5.1 年水沙關(guān)系變化82-83
• 7.5.2 次降雨水沙關(guān)系變化83-87
• 7.5.3 流域治理對水沙關(guān)系變化的影響87-88
• 7.6 本章小結(jié)88-90
• 第八章 基于GIS和SCS模型的硯瓦川流域徑流模擬90-98
• 8.1 SCS模型90-91
• 8.2 模型驗證91-93
• 8.2.1 確定流域CN值91-92
• 8.2.2 產(chǎn)匯流計算92-93
• 8.2.3 參數(shù) λ 率定93
• 8.3 產(chǎn)流空間模擬93-94
• 8.4 土地利用變化對徑流的影響94-97
• 8.4.1 突變點前后土地利用變化對徑流的影響94-96
• 8.4.2 設(shè)定土地利用變化情景下徑流的響應(yīng)分析96-97
• 8.5 本章小結(jié)97-98
• 第九章 基于GIS和RUSLE的硯瓦川流域土壤侵蝕評估98-108
• 9.1 RUSLE模型98
• 9.2 RUSLE模型因子的確立98-102
• 9.2.1 降雨侵蝕力因子R98-99
• 9.2.2 土壤可蝕性因子K99-100
• 9.2.3 地形因子LS100-101
• 9.2.4 覆蓋與管理因子C101-102
• 9.2.5 水土保持措施因子P102
• 9.3 硯瓦川流域土壤侵蝕強度變化102-104
• 9.4 土壤侵蝕與地形因子的關(guān)系104-105
• 9.4.1 土壤侵蝕與坡度的關(guān)系104-105
• 9.4.2 土壤侵蝕與坡向的關(guān)系105
• 9.5 降水和土地利用變化對土壤侵蝕的影響105-106
• 9.6 土壤侵蝕情景模擬106
• 9.7 本章小結(jié)106-108
• 第十章 結(jié)論與研究展望108-112
• 10.1 主要結(jié)論108-111
• 10.1.1 氣候時空變化特征108
• 10.1.2 土地利用/覆被動態(tài)變化及景觀格局異質(zhì)性研究108-109
• 10.1.3 水沙變化特征109
• 10.1.4 氣候和人類活動對水沙變化的影響109-110
• 10.1.5 基于GIS和SCS的徑流模擬110
• 10.1.6 基于GIS和RUSLE的土壤侵蝕評估110-111
• 10.2 研究展望111-112
• 參考文獻112-128
• 致謝128-129
• 作者簡介129

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3 劉洋;岷江源頭區(qū)植被景觀與流域土壤侵蝕的動態(tài)相關(guān)性[D];中國科學(xué)院研究生院（成都生物研究所）;2007年

4 華麗;“人—自然”耦合下土壤侵蝕時空演變及其防治區(qū)劃應(yīng)用[D];華中農(nóng)業(yè)大學(xué);2013年

5 Md. Rejaur Rahman;基于遙感與GIS技術(shù)的土地利用/覆蓋變換分析及土壤侵蝕風險評價的研究—從生態(tài)環(huán)境角度[D];華中農(nóng)業(yè)大學(xué);2009年

6 黃炎和;閩南地區(qū)的土壤侵蝕與治理[D];福建師范大學(xué);2001年

7 李俊杰;應(yīng)用于土壤侵蝕的環(huán)境放射性核素示蹤技術(shù)方法研究[D];中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院;2008年

8 賈麗;基于CAESAR模型的土壤侵蝕研究[D];華東師范大學(xué);2008年

9 龐國偉;人為作用對土壤侵蝕環(huán)境影響的定量表征[D];中國科學(xué)院研究生院(教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心);2012年

10 賈俊姝;大通縣土地利用/覆被變化與土壤侵蝕的研究[D];北京林業(yè)大學(xué);2009年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 許小華;三峽庫區(qū)土壤侵蝕的遙感監(jiān)測及其環(huán)境分析[D];南昌大學(xué);2008年

2 余芬;石臺縣土壤侵蝕空間分布格局及其與環(huán)境因子的關(guān)系研究[D];安徽師范大學(xué);2010年

3 趙波;大別桐柏山區(qū)土壤侵蝕特征分析及其防治對策研究[D];安徽農(nóng)業(yè)大學(xué);2006年

4 程剛;濟南市三川流域土壤侵蝕定量評價與動態(tài)預(yù)測[D];山東師范大學(xué);2013年

5 李蕾;湖北省人類活動與土壤侵蝕時空變化響應(yīng)特征及分區(qū)預(yù)測[D];華中農(nóng)業(yè)大學(xué);2014年

6 代士良;康保縣土地利用與土壤侵蝕關(guān)系研究[D];首都師范大學(xué);2009年

7 張明罡;毛竹林水土保持耕作體系下土壤侵蝕預(yù)測模型研究[D];福建農(nóng)林大學(xué);2009年

8 汪涵;丹江口庫區(qū)土地利用變化與土壤侵蝕演變[D];華中農(nóng)業(yè)大學(xué);2009年

9 梁治中;桃林口水庫周邊土地利用與土壤侵蝕動態(tài)研究[D];內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué);2010年

10 任宗萍;區(qū)域土壤侵蝕動態(tài)評價[D];西北農(nóng)林科技大學(xué);2009年

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本文編號：561763