黃土高原北洛河上游流域退耕還林草的水文響應模擬.pdf

1、黃土高原地區(qū)水土流失嚴重，水資源短缺，生態(tài)系統(tǒng)脆弱。為了遏制嚴重的土壤侵蝕，1999年后，我國在黃土高原地區(qū)實施了大范圍的退耕還林還草等水土保持措施。土地利用及土地覆蓋發(fā)生的顯著變化，深刻影響著黃土高原的生態(tài)系統(tǒng)-水文響應過程，成為多領域專家學者關注的熱點地區(qū)。
　　本研究以黃土高原丘陵溝壑區(qū)北洛河上游吳起水文站控制范圍為研究區(qū)域，以實測數(shù)據(jù)為基礎，用Mann-kendall非參數(shù)檢驗法等水文統(tǒng)計法對1963-2012年流域的降雨

2、、徑流和輸沙量進行了趨勢和階段分析;解譯LandsatTM影像，分析了流域1995、2007、2010和2014年等不同時期植被覆蓋度和土地利用的時空變化;對SWAT模型進行參數(shù)率定和模型驗證，定量評價了土地利用和氣候變化對徑流量變化的貢獻程度，模擬流域內徑流、蒸發(fā)和土壤含水量等地表生態(tài)水文過程并進行時空變化分析;利用修正通用流失方程RUSLE模擬流域內土壤侵蝕時空變化趨勢;最后通過設定不同土地利用和氣候的變化情景，模擬分析了不同情景下

3、的生態(tài)水文響應。本研究取得的主要成果如下:
　　(1)采用1979年和2002年為階段劃分時間節(jié)點，分析了流域氣象水文要素的年變化趨勢和階段變化特征。北洛河上游流域1963-2012年間平均降水量為440.3mm。50年間降雨量的變化表現(xiàn)出不顯著的下降趨勢(P＜0.05)。1963-1978年間降雨量均值為416.9mm，但年降雨量呈不顯著下降趨勢，趨勢線性率為-2.3mm·a-1;1979-2001年期間降雨量均值為441.9m

4、m,呈不顯著上升趨勢，趨勢線性率為0.2mm·a-1;2002-2012年間降雨量均值為449.1mm，呈不顯著下降趨勢，下降斜率為-0.4 mm·a-1。
　　(2)流域1963-2012年的徑流量和輸沙量均呈現(xiàn)出顯著減少趨勢(P＜0.01)，年均變率分別為-0.32 mm·a-1、-170.18 t·km-2·a-1。1963-1978年間徑流量均值為31.6mm，呈不顯著下降趨勢，趨勢線性率為-0.9mm·a-1;1979-

5、2001年期間徑流量均值為28.5mm，呈不顯著上升趨勢，趨勢線性率為0.3 mm·a-1;2002-2012年間徑流量均值為16.5mm，呈顯著下降趨勢(P＜0.05)，下降斜率為-0.7 mm·a-1。
　　1963-1978年間年輸沙模數(shù)均值為13828.1 t·km-2·a-1，呈不顯著下降趨勢，趨勢線性率為-851.1 t·km-2·a-1;1979-2001年期間年輸沙模數(shù)均值為10375.1 t·km-2·a-1，呈

6、不顯著上升趨勢，趨勢線性率為148.9 t·km-2·a-1;2002-2012年間年輸沙模數(shù)均值為2023.3t·km-2·a-1，呈顯著下降趨勢(P＜0.05)，下降斜率為-376.8 t·km-2·a-1。
　　(3)1995年北洛河上游流域內以耕地和草地為主，其面積分別占總面積的46.79％和49.94％，呈現(xiàn)出以農、牧地為主的土地利用結構特征。2000年，耕地和草地為主要用地類型的格局沒有變化，耕地面積稍有減少。1995

7、-2000年，耕地面積減少了8.8％，林、草地面積分別增加了5.1％、8.5％。而2010年耕地面積銳減68.8％，林、草地面積擴大了6.5倍和27.0％。研究區(qū)農、林、草用地面積的數(shù)量結構，從1990年的1∶0.1∶1.1，2000年的1∶0.1∶1.3，改變?yōu)?010年的1∶1.4∶4.3。2000-2010年間耕地、草地和林地的變化幅度顯著大于1995-2000期間。
　　從植被覆蓋度分析來看，北洛河上游流域在1995-20

8、14年平均覆蓋度從20.21％增加到51.22％。通過對植被覆蓋度進行分級，并對不同級別間的轉化進行分析發(fā)現(xiàn)，1995年到2007年，≤40％的低、中低蓋度級別植被的面積數(shù)量迅速和持續(xù)減少，先轉化為40-60％的中蓋度植被，到2014年，又迅速向蓋度60-80％和＞80％的植被轉化的特征。海拔越低，坡度越陡，越向陰坡，低蓋度植被向高蓋度植被轉化程度越大，面積越廣，三時期植被覆蓋差異越大。
　　(4) SWAT模擬流域近30年中氣候

9、和土地利用變化下的水文響應。以1986-1995年為基準期，1996-2005年和2006-2012年分別為氣候和人類活動綜合影響下的兩個變化期。SWAT模擬結果表明，人類活動變化對徑流減少的貢獻程度從第二階段的56.5％增加至第三階段的77.8％。
　　隨著流域內植被覆蓋度逐漸增加，流域時段平均地表徑流量從1986-1995年間的26.8mm，減少至1996-2005年間20.9mm，2006-2012年間的11.9mm。相應地

10、，流域時段平均土壤含水量41.8mm，減少到33.7mm和26.9mm。而蒸發(fā)量從362.7mm，增加到370.1mm和406.7mm?？臻g上地表徑流量和土壤含水量均呈現(xiàn)出由東北部向西南部、南部和東部呈逐漸遞減的趨勢。而蒸發(fā)量在空間上的變化趨勢則與地表徑流量和土壤含水量相反，表現(xiàn)出由北部、東北部地區(qū)逐漸南部和西南部地區(qū)遞增趨勢。
　　(5)采用RUSLE模型模擬了1990、2000和2010年三時期土壤侵蝕時空變化特征。結果表明，

11、三時期間流域平均土壤侵蝕模數(shù)從15220.09、6471.08，減小到2591.94t·km-2·a-1。3時期的土壤侵蝕量在地形上的分布表現(xiàn)出趨同性，即高程上均在1475-1575m內平均侵蝕模數(shù)和侵蝕量表現(xiàn)出峰值。隨著坡度增加，平均侵蝕模數(shù)增加，流域內75％以上的侵蝕量均來自于＞15°區(qū)域。3時期平均侵蝕模數(shù)均遵循陽坡＞半陽坡＞半陰坡＞陰坡的規(guī)律。
　　(6)分析流域土地利用的地形地貌分布，進行優(yōu)化設置，模擬產流和侵蝕過程。結

12、果表明，空間優(yōu)化配置情景下，與原2010年土地利用相比，耕地由原來的14.59％降到9.99％;草地由原來的63.43％下降到49.79％;林地則呈上升趨勢，由20.95％增加到了39.20％。相對于2010年土地利用和土地覆蓋，流域徑流深降低了16.98％;平均侵蝕模數(shù)降低了18.65％。
　　采用2010年土地利用，分析未來氣候情景下的水文響應發(fā)現(xiàn)，在年尺度下，RCP4.5和RCP8.5兩個情景下的2021-2050模擬徑流深