黄土高塬沟壑区河流水沙和侵蚀产沙格局变化

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中文摘要：黄土高塬沟壑区作为黄土高原特有的地貌类型区，土壤侵蚀严重，是入黄泥沙的主要来源区之一。长期以来，尽管塬区土壤侵蚀及入河泥沙已得到有效遏制，但由于不合理的人类开发活动，黄土塬边支毛沟在频繁的塬面径流冲刷下，沟头不断前进，沟道逐年拓宽深切，塬面破碎和萎缩。水土流失蚕蚀土地，威胁区域生态安全、粮食安全和人民生命财产安全，严重制约黄土高塬沟壑区经济社会发展和生态屏障建设。然而目前黄土高塬沟壑区河流水沙特征变化和侵蚀产沙格局演变规律及其响应机制仍不清晰，深刻认识黄土高塬沟壑区的土壤侵蚀演变过程及其规律，对推动“固沟保塬”工程及其水土流失综合治理具有重要意义。本研究所选择的陇东黄土塬区马莲河及蒲河(流域面积分别为19086km2和7443km2)、砚瓦川(流域面积为376.69km2)、杨家沟及董庄沟(流域面积分别为0.87km2和1.12km2)三级大小的典型流域内坝库工程较少，可认为流域泥沙输移比近似为1。整理研究流域已有的水文气象及水土保持生态建设数据，利用水文统计学和数值模拟等方法，全面系统地分析河流水沙时空演变特征，揭示多尺度流域产流产沙格局演变规律，量化气候变化和人类活动对流域产流及侵蚀产沙变化的贡献率，阐明流域综合治理对水沙过程的调控效应。取得主要结论如下： (1)马莲河和蒲河流经陇东黄土塬区，流域中下游地区产流及产沙可表征黄土高塬沟壑区土壤侵蚀特征。陇东黄土塬区东缘马莲河流域1960-2016年平均径流模数与输沙模数分别以每年143.17m3km-2和53.50tkm-2的速率呈显著下降趋势(P＜0.1)。马莲河流域下游产流量大，自北向南呈现逐渐增加的趋势，马莲河流域上游即洪德站以上区域为主要产沙区。马莲河流域径流及输沙模数均于2003年发生显著突变(P＜0.5)，2003年之后年径流模数与输沙模数分别减少了27.28%和49.07%。降水对径流模数和输沙模数减少的贡献率分别为9.28%和21.29%，人类活动的贡献率分别为90.72%和78.71%，人类活动是过去黄土高塬沟壑区水沙减少的主要原因。塬区西缘的蒲河流域1951-1996年平均径流模数与输沙模数为37549m3km-2yr-1和8196tkm-2yr-1，未呈现显著的趋势性变化。 (2)砚瓦川流域位于陇东黄土塬区的腹地，基本代表了核心塬区产流及产沙特征。砚瓦川流域1976-2017年平均径流模数与输沙模数分别以每年198.01m3km-2和97.01tkm-2的速率呈显著下降趋势(P＜0.1)；1997年流域径流及输沙模数发生显著突变(P＜0.5)，1997年之后砚瓦川流域年平均径流模数和输沙模数分别减少23.87%和75.79%。砚瓦川流域1997-2017年汛期各月平均径流深和输沙模数较1976-1996年均显著降低，其中7月和8月减少强度最大，月均输沙模数分别减少了886.41tkm-2和717.41tkm-2。日水沙关系研究表明1976-1996年砚瓦川含沙量达到稳定状态时的数值显著高于1997-2017年，分别为500kgm-3与370kgm-3左右，减少比例为26%。流量、输沙率历时曲线进一步分析表明1997年之后砚瓦川流域高流量及高输沙率分别减少了69.31%和94.93%，中低流量及输沙率显著增加，年内日水沙变化趋于稳定。1997年之前砚瓦川年内1日最大径流深和输沙模数的平均值为3.10mm和1509tkm-2，高于1997年之后年内连续10日最大径流深(2.98mm)和输沙模数(454tkm-2)，表明水土保持措施的实施使流域内产流产沙量迅速减少，1997年之前年内1日最大产流产沙量在1997年之后需要10日甚至更多时间才能达到之前产流产沙量。 (3)分析了影响土壤侵蚀的土地利用及地表覆被和降雨变化，揭示了砚瓦川流域土壤侵蚀变化的归因。地表覆被变化为影响黄土高塬沟壑区土壤侵蚀减弱的关键因素。流域内土地利用类型以耕地、草地、林地为主，2020年三者面积之和占流域总面积94.68%。1990-2020年砚瓦川流域草地、水域和建设用地面积分别增加了8.41km2、0.13km2和12.49km2，耕地、林地分别减少了14.10km2和6.93km2。1990-2000年除0.08km2的耕地转化为建设用地之外，其余各地类之间并未发生相互转化。2000-2010年耕地减少了10.88km2，转化为草地、林地和建设用地，建设用地增加5.77km2。2010-2020年大量耕地(11.93km2)和少量草地(0.18km2)和林地(0.05km2)转化为建设用地，建设用地对流域的土地利用变化格局起主导作用。砚瓦川流域1981-2020年植被覆盖指数NDVI以每年0.0046的速率呈极显著上升趋势(P＜0.01)，2000-2020年平均值为0.56，比2000年之前增加了27.27%。此外，截至2021年，砚瓦川流域梯田面积为6km2。砚瓦川流域多年平均降雨量520.0mm，呈西高东低的空间分布特征，年降雨量以每年1.49mm的速率呈不显著的递增趋势。流域降雨量年内分布不均，呈现单峰特征，汛期降雨量(5-9月)占全年总降雨量的77.4%。辨析了人类活动及降雨量变化对流域水沙减少的作用强度，降水对水沙减少的贡献率分别为-19.67%和-8.79%，人类活动的贡献率分别为119.67%和108.79%，说明人类活动是流域水沙减少的主要原因。 (4)杨家沟(治理沟)及董庄沟(对比沟)小流域是陇东黄土塬区进行流域综合治理对比研究的典型小流域，通过小流域剖析，揭示了不同治理模式对流域产流及产沙过程的影响机制。杨家沟和董庄沟小流域共524场洪水事件，基于次洪过程径流深、洪水历时、洪峰流量、以及平均产沙模数4个指标对洪水类型划分4种。杨家沟及董庄沟小流域B类洪水历时短、产流产沙大，分别为5场和6场；C类洪水历时长、产流产沙小，分别为23场和28场；D类洪水历时短、产流产沙小，发生场次最多，分别为301场和160场；A类洪水为极端洪水事件，仅董庄沟小流域发生1场。产流—产沙关系式分析表明董庄沟小流域的洪水含沙量大于杨家沟小流域，体现出杨家沟流域综合治理的效果。杨家沟小流域主要的滞回类型为逆时针滞回(33%)，其次是复合型(27%)和8字形滞回(26%)，董庄沟小流域主要的滞回类型为复合型滞回(39%)，其次是逆时针(24%)和8字形滞回(24%)。 (5)治理小流域杨家沟蓄水效益和拦沙效益均高于对比小流域董庄沟。杨家沟小流域和董庄沟小流域多年平均产流模数分别为4303.50m3km-2yr-1和8741.83m3km-2yr-1，多年平均产沙模数分别为1131.93tkm-2yr-1和4190.69tkm-2yr-1，杨家沟小流域蓄水效益和拦沙效益分别为54.1%和72.99%。董庄沟小流域平均每年产流次数为8.1次，杨家沟小流域为5.5次，比董庄沟小流域减少了32.1%。对年内最大次降雨产流产沙事件进一步分析表明，杨家沟和董庄沟小流域年最大次洪过程平均产流模数分别为2662.21m3km-2和5375.10m3km-2，蓄水效益为50.47%，平均产沙模数分别为989.11tkm-2和2915.86tkm-2，拦沙效益为66.08%，表明水土保持措施的实施能加大流域蓄水效益和拦沙效益，有效减少小流域产流次数，降低产流模数及产沙模数，削减洪峰流量。 (6)LISEM(LimburgSoilErosionModel)模型能够较好地模拟黄土高塬沟壑区小流域水沙过程，纳什系数(NSE)和R2均高于0.7。选择黄土高塬沟壑区杨家沟小流域1982年7月29日降雨事件，基于LISEM模型模拟了小流域水沙过程，径流过程和输沙过程的纳什系数(NSE)和R2均达到0.7以上，模型精度和模拟结果较好，模拟的径流总量及产沙总量均高于实测值，分别增大10.9%和17.9%，模拟的峰值流量和最大输沙率低于实测值，且发生时间有滞后现象。后续研究仍需提升模型的模拟效率，并开展不同情景的水沙过程模拟，为流域综合治理提供技术方法。

作者：

杜敏

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关键词：

土壤侵蚀输沙模数 LISEM模型黄土高塬沟壑区产沙格局

授予学位：

博士

学科专业：

土壤学

导师：

穆兴民、赵广举

学位年度：

2022

学位授予单位：

中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心

语种：

中文

中图分类号：