黃土高原北洛河上游流域退耕還林草的水文響應(yīng)模擬.pdf

1、黃土高原地區(qū)水土流失嚴(yán)重，水資源短缺，生態(tài)系統(tǒng)脆弱。為了遏制嚴(yán)重的土壤侵蝕，1999年后，我國(guó)在黃土高原地區(qū)實(shí)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(yīng)過(guò)程，成為多領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用Mann-kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法等水文統(tǒng)計(jì)法對(duì)1963-2012年流域的降雨

2、、徑流和輸沙量進(jìn)行了趨勢(shì)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(shí)期植被覆蓋度和土地利用的時(shí)空變化;對(duì)SWAT模型進(jìn)行參數(shù)率定和模型驗(yàn)證，定量評(píng)價(jià)了土地利用和氣候變化對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)程度，模擬流域內(nèi)徑流、蒸發(fā)和土壤含水量等地表生態(tài)水文過(guò)程并進(jìn)行時(shí)空變化分析;利用修正通用流失方程RUSLE模擬流域內(nèi)土壤侵蝕時(shí)空變化趨勢(shì);最后通過(guò)設(shè)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(yīng)。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(shí)間節(jié)點(diǎn)，分析了流域氣象水文要素的年變化趨勢(shì)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(shì)(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(shì)，趨勢(shì)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(shì)，趨勢(shì)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(shì)，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(shì)(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(shì)，趨勢(shì)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(shì)，趨勢(shì)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(shì)(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(shì)，趨勢(shì)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(shì)，趨勢(shì)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(shì)(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(nèi)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(nóng)、牧地為主的土地利用結(jié)構(gòu)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(kuò)大了6.5倍和27.0％。研究區(qū)農(nóng)、林、草用地面積的數(shù)量結(jié)構(gòu)，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(lái)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(guò)對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行分級(jí)，并對(duì)不同級(jí)別間的轉(zhuǎn)化進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，1995年到2007年，≤40％的低、中低蓋度級(jí)別植被的面積數(shù)量迅速和持續(xù)減少，先轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化程度越大，面積越廣，三時(shí)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(yīng)。以1986-1995年為基準(zhǔn)期，1996-2005年和2006-2012年分別為氣候和人類活動(dòng)綜合影響下的兩個(gè)變化期。SWAT模擬結(jié)果表明，人類活動(dòng)變化對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)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(nèi)植被覆蓋度逐漸增加，流域時(shí)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(yīng)地

10、，流域時(shí)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。空間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(shì)。而蒸發(fā)量在空間上的變化趨勢(shì)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(shì)。
　　(5)采用RUSLE模型模擬了1990、2000和2010年三時(shí)期土壤侵蝕時(shí)空變化特征。結(jié)果表明，

11、三時(shí)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(shí)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(nèi)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(nèi)75％以上的侵蝕量均來(lái)自于＞15°區(qū)域。3時(shí)期平均侵蝕模數(shù)均遵循陽(yáng)坡＞半陽(yáng)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，模擬產(chǎn)流和侵蝕過(guò)程。結(jié)

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(lái)的14.59％降到9.99％;草地由原來(lái)的63.43％下降到49.79％;林地則呈上升趨勢(shì)，由20.95％增加到了39.20％。相對(duì)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(lái)氣候情景下的水文響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，在年尺度下，RCP4.5和RCP8.5兩個(gè)情景下的2021-2050模擬徑流深