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《南京师范大学》 2019年
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基于SWAT模型的流域土壤侵蚀及POC入海通量研究

高燕  
【摘要】:土壤侵蚀引起的水土流失严重破坏自然生态环境,并制约国民经济的可持续发展;同时土壤侵蚀导致大量有机碳被携带到河流中,进而使得河流颗粒有机碳(POC)输出通量显著增加。因此,量化研究流域土壤侵蚀,确定流域内的土壤侵蚀关键源区,分析气象因素、地形地貌、土地利用类型及景观格局对土壤侵蚀和POC输出通量的影响,不仅有利于流域的水土保持以及管理规划,而且对河流水生食物网以及全球碳循环具有重要意义。分布式水文模型是模拟水文、侵蚀和沉积过程的有效工具,基于ArcGIS的SWAT模型充分利用地形、土地利用、土壤、气象等数据,可以很好地模拟流域的径流、泥沙、土壤侵蚀和POC输出通量的状况。秦淮线以南地区的河流,径流量巨大,在我国重要的经济中心—长三角、珠三角地区城市群的淡水供应,以及三角洲的形成发展中发挥着重要作用,该地区河流泥沙和POC入海通量的研究已受到国内外学者的关注。探究南方地区四大流域(长江流域、珠江流域、淮河流域、东南沿海诸河流域)的泥沙侵蚀和POC输出的时空变化特征及其影响因素对区域的生态环境和陆地-海洋碳循环具有重大意义。本文主要的工作内容及研究成果如下:(1)基于收集到的DEM、土地利用、土壤、气象等数据,分别构建南方地区四大流域(长江流域、珠江流域、淮河流域、东南沿海诸河流域)SWAT模型,对各流域径流和泥沙输出进行模拟。利用水文监测站实测的径流和泥沙数据对模型进行率定验证。对于径流模拟,各流域率定期决定系数(R2)均值≥0.80,纳什系数(Ens)均值≥0.72;验证期R2均值0.72,Ens均值≥0.62。对于泥沙模拟,各流域率定期R2均值≥0.72,Ens均值≥0.63;验证期R2均值≥0.72,Ens均值≥0.58。SWAT模型能够较好的适用于南方地区四大流域径流和泥沙的模拟研究。(2)通过率定后的SWAT模型,得到各流域1988-2012年(长江流域为1990-2010年)侵蚀产沙的时空变化特征。研究区内泥沙输出主要集中在每年的夏季(5-9月),冬季泥沙输出量相对较低。各流域年均泥沙入海通量从大到小依次为长江流域、珠江流域、淮河流域、东南沿海诸河流域,其值分别为2.19×108t/yr、8.56×107t/yr、1.08×107t/yr、3.70×106t/yr。研究区土壤侵蚀强度由大到小依次为珠江流域、长江流域、淮河流域、东南沿海诸河流域,土壤侵蚀模数分别为167.21 t/krm2/yr、121.45 t/km2/yr、35.36 t/km2/yr、20.19 t/km2/yr。各流域平均产沙量从大到小依次为长江流域、东南沿海诸河流域、珠江流域、淮河流域,流域单位面积产沙量分别为 182.62 t/ha/yr、102.99 t/ha/yr、83.34 t/ha/yr、5.87 t/ha/yr。(3)利用改进的SWAT源程序泥沙侵蚀模块模拟各流域POC产出的时空变化特征。与泥沙输出相似,各流域POC输出主要集中在每年的夏季(5-9月),冬季POC输出相对较低。年均POC输出入海通量从大到小依次为长江流域、珠江流域、淮河流域、东南沿海诸河流域,其值分别为2.13×106t/yr、1.94×106t/yr、9.84×104t/yr、4.70×103t/yr。各流域POC侵蚀空间分布与泥沙侵蚀分布相似,流域POC侵蚀模数从大到小依次为珠江流域、长江流域、淮河流域、东南沿海诸河流域,值分别为 3.79 t/km2/yr、1.18 t/km2/yr、0.32 t/km2/yr、0.03 t/km2/yr。流域多年平均POC产出大小依次为长江流域东南沿海诸河流域珠江流域淮河流域,其值分别为 1.7 t/ha/yr、1.487 t/ha/yr、1.081 t/ha/yr、0.059 t/ha/yr。(4)利用地理加权回归模型(GWR)定量分析各流域内泥沙侵蚀对降雨、坡度、土地利用等影响因子的空间响应状况;进一步分析得出各流域土壤侵蚀关键源区(CSAs)内坡度、降雨、土地利用对泥沙侵蚀贡献率的空间分布。结果表明,研究区内各因素对泥沙侵蚀的平均贡献率从大到小依次为降雨、坡度、土地利用。研究区主要的土地利用类型为林地、草地和农业用地,对应产沙量大小为:草地农业用地林地。从单一的土地利用类型看,淮河流域和长江流域的产沙量对草地的空间响应最强;珠江流域的产沙量对农业用地的空间响应最强;东南沿海诸河流域的产沙量对林地的空间响应最强。对于土壤侵蚀关键源区,淮河流域CSAs主要分布于流域东部、南部、以及东南部的山区;长江流域CSAs主要分布在一二级阶梯交接处的雅砻江流域、岷江流域以及嘉陵江流域,以及湘江流域,赣江流域;珠江流域淮河流域CSAs主要分布于流域北部,即南北盘江、红水河、北江、东江流域;东南沿海诸河流域CSAs主要分布于闽江流域、闽南诸河流域、以及钱塘江流域西南部地区。各流域CSAs内,不同因素对泥沙侵蚀的贡献平均率大小次序为:降雨坡度土地利用。(5)利用GWR模型定量分析各流域POC侵蚀对产沙量、土壤TOC含量的空间响应状况。研究区内POC负荷的空间分布与产沙量空间分布的相关关系较强,相关强度依次为长江流域淮河流域珠江流域东南沿海诸河流域。POC负荷的空间分布与土壤TOC分布的空间相关性较弱,相关强度由大到小依次为珠江流域、长江流域、东南沿海诸河流域、淮河流域。(6)分析景观格局变化对流域土壤侵蚀、POC侵蚀的影响。结果显示,斑块结合度(COHESION)、修正Simpson均匀度指标(MSEI)、最大斑块指数(LPI)的变化对研究区的土壤侵蚀起决定作用,影响大小次序为:MSIEICOHESIONLPI;COHESION、LPI与土壤侵蚀模数呈正相关,MSIEI与土壤侵蚀模数呈负相关。斑块密度(PD)、香农多样性指数(SHDI)、分维数(FRAC)指标的变化对POC侵蚀均具有显著影响,影响大小次序为:FRACSHDISHDI;FRAC和PD对POC侵蚀有显著的正相关关系,SHDI与POC侵蚀呈显著负相关关系。丰富研究区内景观斑块类型、降低斑块间的物理连通性、提高景观斑块类型的均匀程度、平衡景观板块面积比例等方法,可以缓解流域土壤侵蚀状况。而降低景观破碎化程度、增加景观多样性、降低斑块类型几何形状复杂程度等方法,可以控制流域的POC侵蚀。
【学位授予单位】:南京师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:S157

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