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《北京林业大学》 2009年
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黄土高原典型流域土地利用与沟道工程的径流泥沙调控作用研究

杨启红  
【摘要】: 黄土高原水资源短缺,生态环境脆弱,特别是土壤侵蚀不断加剧,恶化了区域生态环境,严重制约了社会、经济的发展。目前,随着大规模水土保持生态建设,研究黄土高原区流域径流泥沙与土地利用变化和沟道工程建设的协同变化规律,对于该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。 本论文以黄土高原丘陵沟壑区——甘肃省定西市安家沟流域为研究对象,基于1987年、1997年、2007年3期土地利用数据和1986-2007年22年气候、水文资料,以定性描述与定量分析相结合的方法,运用GISRS、数理统计分析、水文模型模拟等技术,对安家沟流域土地利用变化对径流泥沙的作用进行了分析与模拟,同时对不同水土保持措施的拦沙蓄水作用进行了研究。结论如下: 流域降水年际分布不均,多年平均降水量414.4mm,以2003年降水最多,为536.5mm,最少的1997年,仅为312.8mm;流域降水年内分布以6-9月居多,其中7、8月的降水量占年降水量的61.16%。流域降水空间分布不均,面离差系数Cv值平均为0.35。不同的降水水平年,各类型暴雨发生的频率不同,A、B类型暴雨以平、丰水年发生频率较高,C类型暴雨丰水年发生频率较高。 径流小区和流域两种不同尺度下,降雨因子和土壤侵蚀的相关性随着研究尺度的变化,K_e、EI30、降雨量、平均雨强等降雨因子与侵蚀的相关性大小也变化;降雨动能K_e在各尺度相关性都较好。采用流域内3个雨量站的降雨动能数据,通过空间插值建立流域1988-1997年以及1998-2007年两期的降雨动能场,利用USLE方程计算流域内各处的侵蚀模数,结果表明:侵蚀模数最大的区域出现在流域南部马家岔,而沟口地区,地形相对平缓,近几年又很好地实施了退耕还林(草)等工程,侵蚀模数较小。 SWAT模型应用于安家沟流域时,径流模拟效果好于泥沙,年径流相关系数为86.1%,Nash-Suttcliffe系数为0.79,年输沙相关系数为70.5%,Nash-Suttcliffe系数为0.62。年际尺度模拟计算结果比月尺度理想,其次是丰水季节各月的径流模拟,再次是泥沙月尺度模拟。在SWAT模型的模拟基础上,分析了流域在1987、1997和2007三年的径流、泥沙的空间分布特征以及不同土地利用类型对侵蚀产沙的影响。结果表明:降雨和土地利用变化对径流、泥沙产生了较大的影响,年内降雨较多的月份,产生的径流和泥沙量也较大;随着坡耕地面积的减少和林地面积的增加,径流、泥沙量逐渐减少。利用构建好的SWAT模型,采用固定一个因子(气候或土地利用变化)的方法,区分了土地利用与气候变化因子对径流和泥沙的影响程度。 降雨情景模拟的结果表明:在土地利用相同的情景下,径流在汛期受降雨量的影响,变化幅度较大;在枯水期,基本无径流,不受降雨的影响;泥沙量的变化随径流量变化而变化,集中降雨产生的径流挟持大量的泥沙,以7、8月份的产沙量最大,平均占年产沙量的60%左右,其变化幅度大于径流量。土地覆被情景模拟的结果表明:当植被覆盖度大于80%以后,继续增加植被覆盖度,其减沙率变化明显下降;随林草植被盖度从100%、80%、50%、20%到裸地不断减少,汛期产沙所占年产沙量的比例增加,其产沙量占年产沙量的比例分别为73.37%、75.07%、85.27%、87.34%、90.80%。 黄土高原水土保持措施情景模拟结果表明:淤地坝在枯水年径流拦蓄率较高,在所有措施量(梯田、林草和淤地坝)中,淤地坝面积最小,但是拦减泥沙最多。 通过SWAT模型和水保法对水土保持措施调控作用进行了研究,并修正了水保法中的坡面措施指标,确定了安家沟流域梯田拦沙系数为0.80,林草拦沙系数为0.52。 就安家沟这样一个干旱缺水的流域而言,在防止水土流失的前提下,实行“退耕还林还草”政策应遵循“适地适树、适地适草”的原则,并适当考虑从增加流域产水量的角度来进行植被建设规划,在保持林草面积的前提下,加强退耕还林(草)措施的质量管理。
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