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《北京林业大学》 2007年
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黄土高原典型流域土地利用/森林植被演变的水文生态响应与尺度转换研究

张晓明  
【摘要】: 黄土高原地区水资源短缺,生态环境脆弱,特别该区土壤侵蚀不断加剧,恶化了区域生态环境,严重制约社会、经济的发展。目前,随着大规模水土保持生态建设,研究该区流域土地利用/森林植被变化的水文生态过程和协同变化规律,对于黄土区土地利用规划和管理及生态环境建设工程具有重要理论参考意义。 本文以黄土高原具有长期实验基础的多尺度耦合流域为研究对象,采用3S技术、景观生态学测度方法及成熟的水文观测方法,结合多年水文气象观测资料,分析土地利用/森林植被演变及其驱动力,探析降水时空分布的异质性;研究流域土地利用/森林植被变化的理水减沙机理,解析多尺度流域耦合的水文生态对土地利用变化的响应机制。借助WEPP模型提取研究区代表性典型流域单元并对其径流及侵蚀产沙进行模拟;基于分形理论测算典型流域单元地形地貌特征分形维数,建立流域水沙运移与地貌形态耦合关系;根据自相似原理,在考虑降雨异质性基础上建立流域泥沙输移比的尺度转换模型;结合流域地形地貌、土地利用格局、降水信息,建立了描述时空变异性、多变量的耦合水文模型,探讨流域不同时、空尺度上水沙运移的转换方法。论文主要研究结果如下: 研究区次降雨面与次降雨雨强分布的均匀性较差,中心站、出口站或流域内任一点的暴雨中心发生概率25%,次降雨的相关域为7 km,相对本研究试验流域降雨表现出空间异质性。 从时空变化、土地资源数量变化、土地利用程度变化、土地利用类型转移等方面,对试验流域土地利用/森林植被格局演变进行了分析,根据提取的流域土地利用景观格局指数,分析了流域景观格局动态演变过程。 流域增加植被覆盖和改善土地利用格局后,年径流和输沙减少趋势具有尺度性,随年降雨量的变化,不同面积流域的径流减少率或呈线性减小、或呈单峰凹型抛物线变化、或保持在一定水平不变;输沙量减少率均呈单峰凹型抛物线变化,谷底值及对应降雨量值随面积尺度不同而不同。流域森林植被每增加五个百分点,则输沙模数可减少20%。 研究了不同类型场暴雨的降雨特征值与流域洪水径流和输沙的关系,分析了不同雨型下降水过程、洪水径流过程和输沙过程的尺度分异规律,洪峰流量与洪水含沙量随尺度的协同变化规律,以及洪峰与沙峰的时滞关系。 从模拟生成的气候数据精度、坡面细沟侵蚀机理方程解析验证和坡面、小流域径流侵蚀产沙模拟的校准验证等方面,探讨了WEPP模型在黄土高原地区的适用性和推广使用时注意事项。基于WEPP模型划分了研究区代表性典型流域单元并进行了径流和侵蚀产沙模拟,结果显示流域坡面径流均占流域出口径流量的98%以上,坡面侵蚀泥沙产量在坡面沉积不足3%,坡面侵蚀产沙的输移量最大约74%沉积于沟道,而流域出口泥沙输移量均来自于坡面产沙量。 基于WEPP模型提取的25个代表性典型流域单元,根据分形理论计算了其地貌特征分形维数,并构建了地貌信息维数与侵蚀产沙耦合模型。基于自相似原理,分析了研究区流域泥沙输移比分形特征,并在流域年均泥沙输移比影响因素分析的基础上,构建了泥沙输移比尺度转换模型,探讨了其适用范围为500km2以下的流域。综合降雨特性、土地利用/森林植被格局和地形地貌特征,建立不同尺度流域耦合水文模型,分析了其尺度转换的条件。
【学位授予单位】:北京林业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:S718.5

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