淮河流域水土流失高风险区水沙特征及其对景观格局变化的响应

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中文摘要：淮河流域是我国重要的粮食生产基地，以占全国耕地面积约12%的耕地数量贡献了约25%的商品粮，对保障我国粮食安全发挥了举足轻重的作用。耕地是泥沙的主要来源之一，大面积的耕地导致该地区水土流失严重。严重的土壤流失会降低土壤肥力，进而影响粮食产量。农业作为淮河流域主要的经济产业之一，“退耕还林还草”等有效的水土保持措施不宜进行大范围的推广，确定淮河流域水土流失关键区对流域水土流失的精确治理有着重要意义。厘清流域内景观格局对水沙过程的影响，可以在不明显改变不同地类数量的同时，调整景观格局特征，来实现水土保持的目的。本文以淮河流域为研究对象，分析了其1960~2018年降雨侵蚀力的时空变化特征，确定淮河流域水土流失高风险区，并建立了降雨侵蚀力与大尺度大气环流指数之间的回归关系；对淮河流域水土流失高风险区构建了分布式水文模型，并对模型参数进行了分布式率定，模拟淮河流域水土流失高风险区1962~2019年的水沙过程，并分析其时空变化特征；最后，在分析淮河流域水土流失高风险区历史景观格局变化的基础之上，定性、定量分析了典型景观格局特征对流域水沙过程的影响及其年内差异。主要研究结论如下：（1）1960~2018年间，淮河流域、淮河上游、淮河中游、淮河下游和沂沭泗流域的年均降雨侵蚀力分别为4280、5060、4068、4886和4089MJ?mm?hm-2?h-1，淮河上游的降雨侵蚀力在未来将继续保持增长趋势，是淮河流域水土流失高风险区。在连续的年、月尺度上，北极涛动指数和北太平洋表面大气压均与降雨侵蚀力存在显著相关性，且具有不同的滞后时间；不同月份的北极涛动指数、南方涛动指数、Ni?o3.4海表温度指数和北太平洋表面大气压均与降雨侵蚀力存在显著相关性。各月尺度大尺度大气环流指数可以作为流域降雨侵蚀力预测的预测指标。（2）通过双累积曲线检验法将淮河上游1962~2019年的水沙过程划分为4个模拟时段：P1：1962~1980；P2：1981~1991；P3：1992~2009；P4：2010~2019年。对构建的SWAT（SoilandWaterAssessmentTool,SWAT）模型基于流域内3个水文站点的实测径流、泥沙数据对模型参数进行了敏感性分析和率定。率定后的SWAT模型可以很好的模拟淮河上游的水沙过程，大部分时段不同站点的径流模拟效果达到了优秀水平（NSEgt;0.75），泥沙模拟达到了合格水平（NSEgt;0.50）。4个模拟时段中，P3时段的径流和泥沙的整体模拟效果是最好的，NSE的范围在0.84~0.93和0.67~0.91之间。构建的SWAT模型可以应用于淮河上游的水沙过程模拟研究。（3）淮河上游径流量、侵蚀模数和悬浮泥沙浓度存在明显的年内差异，不同年代的水沙关系发生了明显的变化。流域内产沙量和侵蚀模数均呈显著减小趋势（Plt;0.05），土壤侵蚀主要集中于6~9月。淮河上游年均径流深河年均径流系数空间差异显著，整体上从西南部往东北部呈递减趋势，侵蚀模数整体上从流域西南部往东北部呈梯度递减趋势。需重点关注淮河上游新县和桐柏县的水土流失防治工作以及光山县和潢川县的河道积淤清理防治工作。（4）1980~2018年，淮河上游水田、林地、水域和城镇用地整体呈增长趋势，旱地、灌木和草地整体呈减少趋势，土地利用变化以水田与旱地之间的相互转换、大量旱地和水田转为林地以及城镇为主。水田与其他景观种类之间的边界呈增长趋势，空间分布相比过去也更加集中，人类活动对水田的空间分布影响显著；旱地与其他景观种类之间的边界变化波动较大，零星分布的旱地有所减少，景观分布更集中；流域内优势景观相对过去更为分散，人类活动的影响逐渐增强，不同斑块之间的连接性降低，景观破碎度和多样性有所增加。（5）大部分水田、旱地和景观水平典型景观格局指数与年、月尺度的径流深、侵蚀模数和悬浮泥沙浓度存在显著相关性（Plt;0.05）。当水田面积比例增加或分布更为集中时，年径流深、年侵蚀模数和年悬浮泥沙浓度将有一定程度的减小；当旱地面积比例增加或斑块复杂性减小时，年径流深、年侵蚀模数和年均悬浮泥沙浓度将有一定程度的增加。当景观边缘更复杂时，径流会增多，从而增加了流域的水力侵蚀。流域内景观的多样性有助于减少径流和泥沙，从而显著减小河道中的悬浮泥沙浓度。以各景观格局指数为自变量构建的偏最小二乘回归模型可以较好的模拟径流深、侵蚀模数和悬浮泥沙浓度的变化。部分水田景观格局特征（斑块形状的复杂程度、分布的密集度、周边景观类型）、旱地景观格局特征（面积比例、旱地分布的集中度和边缘长度）和景观水平景观格局特征（整体的破碎度、单一斑块面积大小和多样性）对流域水沙过程的影响有着较大的年内差异。研究结果有助于实现流域可持续性的土地资源利用及水资源管理。

作者：

魏冲

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关键词：

淮河流域降雨侵蚀力 SWAT模型水沙特征景观格局

授予学位：

博士

学科专业：

水利工程

导师：

董晓华

学位年度：

2023

学位授予单位：

三峡大学

语种：

中文

中图分类号：