摘要
水土流失是全球土壤健康和可持续发展面临的重要环境问题之一，对社会经济发展影响巨大。我国的黄河中游长期是全国乃至世界上水土流失最为严重的地区，也是黄河泥沙的主要来源区域。降水是影响水土流失的关键要素，在全球气候变暖背景下，极端降水事件呈多发态势。而黄河中游作为对气候变化敏感的重点产沙区，未来极端降水变化特征仍需进一步明确，水土流失涉及的坡面侵蚀、输移、沉积以及河道输移等过程对极端降水事件的响应研究仍需加强，未来极端降水下的侵蚀产沙情势存在较大不确定性。因此，围绕极端降水下黄河中游侵蚀产沙特征及未来演变开展研究，对于提高流域水土流失防治能力，实现流域可持续发展意义重大。本文基于极端降水指数、坡面侵蚀模型、泥沙连通指数与泥沙输移比、水沙关系曲线等技术手段，分析了黄河中游区域极端降水时空变化特征，从坡面侵蚀、输移等过程提高了极端降水下的侵蚀产沙模拟性能，探究了极端条件下河道水沙关系变化，给出了未来极端降水下的可能侵蚀产沙量及其空间格局，主要研究内容及成果如下: (1)基于反映量级、强度和频率的8个极端降水指数，分析了黄河中游河龙区间历史及未来时期的极端降水时空变化特征，识别在时空变化上对于极端降水特征模拟最优的CMIP6气候模式。综合考虑极端降水时空变化特征的性能评估中，在河龙区间表现最为优异的气候模式为FGOALS-g3。从空间上看，河龙区间极端降水指数值在大部分区域为增长趋势，且存在出现大范围极端降水的可能性。从时间上看，8个极端指数均为增长趋势，其中R99p、RX1day,R25mm增长量更大，未来降水表现出降水总量变化不明显，降水强度增大及极端降水频率增加的特征。 (2)将降雨集中度引入坡面侵蚀模型的降雨侵蚀力因子计算中，提高了极端降水月份下RUSLE模型的模拟精度。在马湖峪流域的应用中，改进的RUSLE模型相比原RUSLE模型，性能评价指标NSE从0.334提高到了 0.629,而PBIAS从44.9％降低到19.5％。在极端降水事件频发情况下，有必要考虑降雨集中特征对于坡面侵蚀的影响。 (3)提出了考虑坡面泥沙输移阈值的月尺度动态泥沙输移比，有效实现了流域坡面侵蚀不产沙及极端降水下产沙突增情况的模拟，提高了坡面产沙模拟在时空变化上的合理性。从空间上看，2006年7月马湖峪流域动态泥沙输移比范围为0～1.232,能够反映侵蚀泥沙在坡面空间上的“存取”现象，增大了产沙空间上的不均匀程度。从时间上看，马湖峪流域年、多年尺度坡面泥沙输移比主要受坡面结构特征影响，而动态泥沙输移比同时受月际间降水差异的影响，在出现月平均降水量大于50mm的极端降水月份时，坡面动态泥沙输移比达到1.11,坡面产沙量达到115.5t/ha。 （4）分析了不同时期极端输水输沙特征及极端条件下的水沙关系变化，探究了极端降水下河道泥沙输移及冲淤特征。相较于1960～1989年，无定河流域2006～2018年年均含沙量、强含沙量、极强含沙量、高含沙水流日数、极高含沙水流日数都出现显著下降，而最大一日含沙量高值仍存在大于700kg/m3的情况，在该阶段下垫面条件下仍可能出现极端输沙事件。日尺度、月尺度极端输水输沙之间存在线性关系，但2006～2018年相对1960～1989年，线性水沙关系减弱，极端条件下水流含沙量水平降低。在发生极端降水事件的2017年7月，马湖峪流域河道泥沙输移比为0.15,坡面产沙大部分沉积在河道系统内，河道流量成为了流域出口输沙量的关键影响因素。 （5）基于“RUSLE-IC-SDR”框架给出了未来极端降水下河龙区间的最大的坡面侵蚀量、坡面产沙量、流域输沙量。在未来SSP2.4-5情景“2093年”极端降水条件下，河龙区间坡面侵蚀模数达到63.1t/ha,坡面产沙模数达到67.6t/ha。河龙区间大范围内同时发生了大于50t/ha强度的侵蚀产沙，两者面积占比分别达到28.6％，24.1％。当河龙区间河道泥沙输移比为0.45时，“2093年”河龙区间的入黄泥沙量能够达到3.44亿t。在未来要做好应对黄河中游区域普发极端降水事件带来高强度、大范围侵蚀产沙的准备。
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