天水羅裕溝流域土壤侵蝕時空格局模擬研究.pdf

1、天水市北郊的羅裕溝流域地處隴西黃土高原丘陵溝壑區(qū)和隴南山地的交互地帶，其氣候、地貌和土壤侵蝕特點在隴西黃土高原具有一定的代表性和特殊性，進行該流域土壤侵蝕時空格局的模擬研究，不僅有助于理解該區(qū)域生態(tài)水文和土壤侵蝕的過程與耦合機制，也對當?shù)刂朴喫亮魇Ш蜕鷳B(tài)重建規(guī)劃具有一定的實踐意義。本研究利用羅裕溝近20年的觀察資料，在GIS平臺上，采用了統(tǒng)計和空間分析技術(shù)，基于USLE框架的經(jīng)驗模型和基于物理基礎(chǔ)的WEPP模型，模擬了羅裕溝流域土壤侵

2、蝕的時空格局，探討了不同因子的參數(shù)賦值方法及其對模擬結(jié)果的影響，分析了羅裕溝土壤侵蝕時空格局的原因，提出了羅裕溝流域生態(tài)恢復和水土流失治理的參考方案。主要結(jié)論如下： 1．本研究根據(jù)流體力學原理提出了適合本區(qū)域的降雨侵蝕力指標——降水動能，經(jīng)過在徑流場、小流域和中流域三種不同空間尺度，逐次、逐日和逐年三種不同時間尺度下與輸沙量的相關(guān)分析，證明本研究提出的降雨侵蝕力指標比傳統(tǒng)降雨侵蝕力指標更為有效，降雨動能是本區(qū)域土壤侵蝕的基本驅(qū)動

3、因子； 2．基于流域內(nèi)降水量隨地理位置和海拔高度而變化的特征，插值生成流域內(nèi)汛期逐月的降水動能場。通過計算月尺度下流域內(nèi)逐點降水動能與溝口輸沙率的相關(guān)系數(shù)，來表示逐點降水動能對溝口輸沙的相對敏感性，表明逐點侵蝕敏感性的空間格局與野外觀察的、USLE和WEPP模擬的侵蝕強度空間格局相一致； 3．將流域內(nèi)各個空間單元看作流域輸沙的有限源區(qū)，利用最優(yōu)化算法建立了月尺度下逐點降水動能與溝口輸沙率的非線性規(guī)劃方程，依此方程中降水動

4、能系數(shù)與降水動能乘積的累積值生成流域輸沙貢獻率分布圖，顯示輸沙貢獻最大的區(qū)域仍在流域中游，且主要是山坡上坡位置，這與其他方法得出的結(jié)論有所差別； 4．在使用USLE及其改造版時，應用GIS可以快速實現(xiàn)地形坡度坡長因子的計算和區(qū)域土壤侵蝕的評估。將USLE模型中的降水因子改為本研究提出的降水動能后，可以提高模擬精度； 5．從DEM中利用多種地形指標識別出溝沿線；基于將溝沿線作為侵蝕前地形表面的假設(shè)，計算獲得溝谷逐點的深度，

5、將其作為地質(zhì)時期溝谷侵蝕強度的指標，該方法比單純的溝谷密度法更好地表現(xiàn)了侵蝕強度的空間差異； 6． WEPP模型能對常規(guī)侵蝕事件提供一個較好的預測結(jié)果，對強暴雨事件的模擬不夠穩(wěn)定，但當將逐事件模擬結(jié)果按年綜合后，其結(jié)果和實測結(jié)果有一定的可比性，WEPP模型可用于羅裕溝流域多年降雨侵蝕時空格局的研究； 7．模擬所用DEM的分辨率越高，模擬結(jié)果的空間分辨率提高，但在較大流域模擬時卻存在很多困難。試驗發(fā)現(xiàn)，22.5m的分辨率可

6、以滿足中等流域WEPP模型的應用需要。流域劃分方案及從DEME中所獲取溝系的詳細程度影響著溝口輸沙的模擬結(jié)果； 8．溝道參數(shù)對模擬結(jié)果尤其對流域產(chǎn)沙、產(chǎn)水的影響很大，但不同級別的溝道對產(chǎn)水、產(chǎn)沙的敏感性不同，在橋子東溝流域1～3級支、毛溝的溝道參數(shù)對流域輸沙的影響最為明顯； 9． WEPP模型對土壤的有效水文傳導率非常敏感，在由土壤質(zhì)地計算的有效水文傳導率的基礎(chǔ)上，根據(jù)土壤結(jié)構(gòu)和土地利用情況，對有效水文傳導率的調(diào)整可使模

7、擬精度提高； 10．羅裕溝流域土壤侵蝕的年際變化存在階段性、周期性、弱趨勢性和突變性4大特征。該流域土壤侵蝕存在三個明顯不同的發(fā)展階段，階段性反映其存在一個6-8年的長周期，在高侵蝕高變幅階段，侵蝕模數(shù)呈現(xiàn)出準三年周期特點；流域主要的侵蝕過程集中在6、7、8三個月，且主要發(fā)生于汛期少數(shù)幾天的極端暴雨事件中； 11．羅裕溝流域土壤侵蝕的空間分布具有很強的規(guī)律性。高侵蝕區(qū)出現(xiàn)在流域左岸中下游地區(qū)的谷坡區(qū)，其次出現(xiàn)在流域右岸的

8、雜色土溝谷及其毛溝的谷坡上。在河流左岸基巖與黃土/雜色土區(qū)的交互地帶存在一明顯的強侵蝕帶。高侵蝕區(qū)往往也是侵蝕時間變化的高敏感區(qū)。土地利用和地形坡度是控制羅裕溝流域土壤侵蝕空間格局的基本要素，而土壤等其它因素的作用則相對較小。 12．根據(jù)國家退耕還林政策和羅裕溝流域土地利用現(xiàn)狀，設(shè)計了三個土地利用優(yōu)化結(jié)構(gòu)條件下的情景模式，WEPP模擬表明，坡度大于25°基巖溝坡和坡度15～25°雜色土谷坡上的退耕還林對防治水土流失的效果非常明顯