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《西北农林科技大学》 2017年
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复合指纹识别法研究黄土高原小流域泥沙来源

赵恬茵  
【摘要】:小流域是黄土高原土壤侵蚀发生和水土流失治理的基本单元,研究小流域泥沙来源对厘清黄河水沙变化,确定黄土高原小流域综合治理及黄土高原未来治理方略的确定等具有非常重要的意义。本研究利用复合指纹识别技术,通过采集甘肃省天水市罗玉沟桥子西沟小流域土壤样品及收集雨季八次降雨洪水泥沙样,研究次降雨过程中小流域泥沙来源的变化特征及其对降雨的响应;采集陕西省绥德县王茂沟埝堰沟小流域一淤积31(1960~1990)年的淤地坝剖面各沉积旋廻泥沙样和坝控流域土壤样品,分析较长时间尺度内黄土高原小流域泥沙来源演变特征及与降雨的关系。主要得到以下几个结论。小流域次降雨过程泥沙来源判别研究中,将泥沙源地划分为三种(农耕地、沟坡、沟壁)最合理。三来源的最佳指纹识别因子组合为TN、SOM、Mg、Na、Ca、Mn、TP和高频质量磁化率(χ_(hf)),总正确判别率为100%。所有八次降雨的洪水过程,沟壁、农耕地及沟坡泥沙贡献率变化范围分别为18~100%、0~57%和0~52%。次降雨洪水过程中沟壁对小流域产沙的贡献率最大,其次是农耕地,且整个降雨产流过程中沟壁泥沙贡献率均大于0,而沟坡部分监测时间其贡献率为0,即沟壁始终发生侵蚀产沙,而沟坡产沙不连续。研究发现对各次降雨事件过程中,沟壁、农耕地、沟坡实时产沙量峰值出现的时间类似,均接近洪水含沙量峰值时间。次降雨产流过程中,沟壁、农耕地实时产沙量变化趋势相似,但沟壁实时产沙量大都显著大于农耕地,沟坡在降雨产流过程中产沙不连续。对本研究的八次降雨流域侵蚀产沙,沟壁、农耕地和沟坡产沙贡献率变化范围分别为41~57%、5~36%和3~24%,平均值分别为63%、24%和13%。通过拟合全流域产沙量及各源地产沙量与降雨侵蚀力、最大30min雨强、降雨量和降雨动能的关系,发现总侵蚀产沙量和各源地侵蚀产沙量都与降雨侵蚀力呈显著的线性正相关,说明降雨侵蚀力不仅是预报坡面土壤侵蚀速率的重要参数,而且在小流域尺度上,可以作为预报黄土高原小流域不同源区侵蚀产沙的重要参数。对淤地坝沉积泥沙信息的解译发现,以农耕地、沟坡和沟壁三来源划分侵蚀源地判别结果优于沟壁和坡面两来源,三来源划分的最佳指纹因子组合为SOM、TP、Mg和频率磁化率(χ_(fd))。各次侵蚀产沙事件泥沙主要来自沟壁,其次是农耕地。沟壁、农耕地及沟坡泥沙贡献率变化范围为32~100%、0~66%和0~68%,平均值分别为69%、21%和10%。研究发现从1960年到1990年的31年间小流域侵蚀产沙共计67190 t。次降雨产沙变化范围67~6748 t,平均值895 t;年际产沙变化范围0~9752 t a~~(-1),平均值2170 t a~~(-1),平均产沙模数变化范围为0~53880 t km~(-2) a~~(-1),平均值11970 t km~(-2) a~~(-1)。31年间75次侵蚀性降雨,沟壁、农耕地以及沟坡产沙量分别为45990 t、3318 t和17878t。小流域产沙量-降雨量双累积曲线显示小流域产沙量有三个明显的变化阶段,即1960~1964侵蚀剧烈阶段,侵蚀模数26220 t km~(-2) a~~(-1)、1965~1983侵蚀相对平缓阶段,侵蚀模数5590 t km~(-2) a~~(-1)以及1984~1990侵蚀剧烈阶段,侵蚀模数19130 t km~(-2) a~~(-1)。得到各阶段同种侵蚀源地产沙量差异显著。沟壁第一阶段到第三阶段平均产沙量分别为3548 t a~~(-1)、752 t a~~(-1)和2102 t a~~(-1);沟坡为86 t a~~(-1)、56 ta~~(-1)和268 t a~~(-1);农耕地为1113 t a~~(-1)、259 t a~~(-1)和1092 t a~~(-1)。分析1960~1990年王茂沟流域产沙量、不同源地产沙量与降雨参数之间的关系,发现流域总产沙量及各源地产沙量也均与降雨侵蚀力关系最好。不同阶段流域产沙量、不同源地产沙量与降雨侵蚀力关系,表明同一侵蚀力条件下,流域总产沙量第三阶段第一阶段第二阶段,与农耕地产沙量变化一致,而沟壁产沙量第一阶段第三阶段第二阶段,结合第二阶段到第三阶段农耕地产沙量增长幅度远大于沟壁的增长幅度,说明第三阶段产沙量增加主要受人类活动影响,且人类活动对农耕地侵蚀产沙的影响大于对沟壁的影响。在此基础上,利用灰色关联方法定量计算人类活动对流域侵蚀产沙的影响,发现第一到第二阶段人类活动减沙效益35%;第二阶段到第三阶段,人为增沙比重为83%,表明在较长时间内,人类活动对小流域侵蚀产沙影响的变化较大。
【学位授予单位】:西北农林科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S157

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