天水罗裕沟流域土壤侵蚀时空格局模拟研究

【摘要】： 天水市北郊的罗裕沟流域地处陇西黄土高原丘陵沟壑区和陇南山地的交互地带，其气候、地貌和土壤侵蚀特点在陇西黄土高原具有一定的代表性和特殊性，进行该流域土壤侵蚀时空格局的模拟研究，不仅有助于理解该区域生态水文和土壤侵蚀的过程与耦合机制，也对当地制订水土流失和生态重建规划具有一定的实践意义。本研究利用罗裕沟近20年的观察资料，在GIS平台上，采用了统计和空间分析技术，基于USLE框架的经验模型和基于物理基础的WEPP模型，模拟了罗裕沟流域土壤侵蚀的时空格局，探讨了不同因子的参数赋值方法及其对模拟结果的影响，分析了罗裕沟土壤侵蚀时空格局的原因，提出了罗裕沟流域生态恢复和水土流失治理的参考方案。主要结论如下： 1．本研究根据流体力学原理提出了适合本区域的降雨侵蚀力指标——降水动能，经过在径流场、小流域和中流域三种不同空间尺度，逐次、逐日和逐年三种不同时间尺度下与输沙量的相关分析，证明本研究提出的降雨侵蚀力指标比传统降雨侵蚀力指标更为有效，降雨动能是本区域土壤侵蚀的基本驱动因子； 2．基于流域内降水量随地理位置和海拔高度而变化的特征，插值生成流域内汛期逐月的降水动能场。通过计算月尺度下流域内逐点降水动能与沟口输沙率的相关系数，来表示逐点降水动能对沟口输沙的相对敏感性，表明逐点侵蚀敏感性的空间格局与野外观察的、USLE和WEPP模拟的侵蚀强度空间格局相一致； 3．将流域内各个空间单元看作流域输沙的有限源区，利用最优化算法建立了月尺度下逐点降水动能与沟口输沙率的非线性规划方程，依此方程中降水动能系数与降水动能乘积的累积值生成流域输沙贡献率分布图，显示输沙贡献最大的区域仍在流域中游，且主要是山坡上坡位置，这与其他方法得出的结论有所差别； 4．在使用USLE及其改造版时，应用GIS可以快速实现地形坡度坡长因子的计算和区域土壤侵蚀的评估。将USLE模型中的降水因子改为本研究提出的降水动能后，可以提高模拟精度； 5．从DEM中利用多种地形指标识别出沟沿线；基于将沟沿线作为侵蚀前地形表面的假设，计算获得沟谷逐点的深度，将其作为地质时期沟谷侵蚀强度的指标，该方法比单纯的沟谷密度法更好地表现了侵蚀强度的空间差异； 6．WEPP模型能对常规侵蚀事件提供一个较好的预测结果，对强暴雨事件的模拟不够稳定，但当将逐事件模拟结果按年综合后，其结果和实测结果有一定的可比性，WEPP模型可用于罗裕沟流域多年降雨侵蚀时空格局的研究； 7．模拟所用DEM的分辨率越高，模拟结果的空间分辨率提高，但在较大流域模拟时却存在很多困难。试验发现，22.5m的分辨率可以满足中等流域WEPP模型的应用需要。流域划分方案及从DEM中所获取沟系的详细程度影响着沟口输沙的模拟结果； 8．沟道参数对模拟结果尤其对流域产沙、产水的影响很大，但不同级别的沟道对产水、产沙的敏感性不同，在桥子东沟流域1～3级支、毛沟的沟道参数对流域输沙的影响最为明显； 9．WEPP模型对土壤的有效水文传导率非常敏感，在由土壤质地计算的有效水文传导率的基础上，根据土壤结构和土地利用情况，对有效水文传导率的调整可使模拟精度提高； 10．罗裕沟流域土壤侵蚀的年际变化存在阶段性、周期性、弱趋势性和突变性4大特征。该流域土壤侵蚀存在三个明显不同的发展阶段，阶段性反映其存在一个6-8年的长周期，在高侵蚀高变幅阶段，侵蚀模数呈现出准三年周期特点；流域主要的侵蚀过程集中在6、7、8三个月，且主要发生于汛期少数几天的极端暴雨事件中； 11．罗裕沟流域土壤侵蚀的空间分布具有很强的规律性。高侵蚀区出现在流域左岸中下游地区的谷坡区，其次出现在流域右岸的杂色土沟谷及其毛沟的谷坡上。在河流左岸基岩与黄土／杂色土区的交互地带存在一明显的强侵蚀带。高侵蚀区往往也是侵蚀时间变化的高敏感区。土地利用和地形坡度是控制罗裕沟流域土壤侵蚀空间格局的基本要素，而土壤等其它因素的作用则相对较小。 12．根据国家退耕还林政策和罗裕沟流域土地利用现状，设计了三个土地利用优化结构条件下的情景模式，WEPP模拟表明，坡度大于25°基岩沟坡和坡度15～25°杂色土谷坡上的退耕还林对防治水土流失的效果非常明显。该土地利用的设计方案可作为罗裕沟退耕还林和生态恢复规划的参考。