黃土高原流域生態(tài)環(huán)境修復(fù)中的水沙響應(yīng)模擬研究.pdf

1、人類活動(dòng)對(duì)水土流失區(qū)生態(tài)環(huán)境影響的研究是目前學(xué)術(shù)界普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題。土地利用變化是影響流域水土流失過程的主要因素,也是人類活動(dòng)影響流域水土流失環(huán)境的主要途徑。本文運(yùn)用水文學(xué)、泥沙運(yùn)動(dòng)學(xué)、水土保持學(xué)、生態(tài)學(xué)等交叉學(xué)科理論,采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,以黃土高原典型流域?yàn)檠芯繉?duì)象,利用降雨資料和流域下墊面資料對(duì)降雨產(chǎn)匯流過程進(jìn)行了反演,探索了流域土地利用變化對(duì)流域水沙變化過程的作用機(jī)制,建立了考慮土地利用類型劇烈變化的流域次暴雨產(chǎn)

2、流產(chǎn)沙模型;在此基礎(chǔ)上,結(jié)合相關(guān)的土地利用變化資料和流域水土保持與生態(tài)環(huán)境建設(shè)規(guī)劃,采用分布式流域水沙模擬方法,預(yù)測(cè)了未來50年黃土高原水土流失環(huán)境演變趨勢(shì)。本文的主要研究成果如下:(1)建立了由基于Horton入滲曲線法的變雨強(qiáng)降雨逐時(shí)段產(chǎn)流計(jì)算模型和和Nash瞬時(shí)單位線模型構(gòu)成的流域次暴雨產(chǎn)匯流模型;并采用五點(diǎn)高斯-拉蓋爾求積公式結(jié)合龍貝格求積公式推求S(t)曲線值數(shù)值解,該方法與傳統(tǒng)計(jì)算方法相比具有計(jì)算速度快和精度高等優(yōu)點(diǎn)。(2)

3、提出了野外徑流小區(qū)次降雨徑流過程的反演方法。利用變雨強(qiáng)降雨逐時(shí)段產(chǎn)流計(jì)算方法和基于改進(jìn)形心加權(quán)單純形法的模型參數(shù)優(yōu)選方法,對(duì)野外不同土地利用類型徑流小區(qū)的次降雨徑流過程進(jìn)行了反演;初步驗(yàn)證結(jié)果表明,該方法可以反推野外徑流小區(qū)次降雨條件下的徑流過程且具有較高的計(jì)算精度,可以用于對(duì)大量已有的坡面徑流小區(qū)降雨徑流觀測(cè)信息進(jìn)行深度挖掘。(3)提出了用于描述流域水蝕過程侵蝕輸沙動(dòng)力的徑流侵蝕功率的概念,并建立了利用流域次暴雨洪峰流量模數(shù)和徑流深兩

4、個(gè)洪水過程特征值計(jì)算徑流侵蝕功率的方法;分析了坡面、坡溝和流域等不同空間尺度條件下徑流侵蝕功率與次暴雨輸沙模數(shù)之間的相關(guān)性,建立了基于徑流侵蝕功率的次暴雨水沙響應(yīng)模型;結(jié)果表明,該模型具有較高的計(jì)算精度,適用于黃土高原不同空間尺度和不同治理度的流域次暴雨產(chǎn)沙計(jì)算。從坡面和流域尺度上對(duì)比分析了徑流侵蝕功率和降雨侵蝕力在水蝕過程中的作用,結(jié)果表明,徑流侵蝕功率直接反映了降雨和流域下墊面的時(shí)空差異對(duì)水蝕過程的作用,更好地表達(dá)了水蝕動(dòng)力特性,比

5、降雨侵蝕力更敏感地反映了次降雨侵蝕產(chǎn)沙過程的侵蝕動(dòng)力機(jī)制。(4)以具有長期土地利用觀測(cè)資料的紙坊溝實(shí)驗(yàn)流域?yàn)榈湫土饔?將流域劃分為農(nóng)地、林地、草地、園地和非生產(chǎn)用地五種土地利用類型單元,在分析了不同土地利用類型單元的產(chǎn)流特征的基礎(chǔ)上,以本文建立的流域次暴雨產(chǎn)匯流模型和基于徑流侵蝕功率的次暴雨水沙響應(yīng)模型為基礎(chǔ),建立了考慮土地利用類型劇烈變化的流域次暴雨產(chǎn)流產(chǎn)沙模型,初步驗(yàn)證的結(jié)果表明,模型具有較好的計(jì)算精度。(5)在系統(tǒng)分析了黃土高原主

6、要水土保持治理措施(包括林草措施、水平梯田和淤地壩等)的時(shí)空分布規(guī)律、作用過程和演化特征的基礎(chǔ)上,利用分布式流域水沙模擬方法,以《黃河流域水土保持基本資料》和《黃土高原地區(qū)水土保持淤地壩規(guī)劃》上的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料,以2000年為現(xiàn)狀年,以黃土高原40個(gè)支流片為計(jì)算單元,預(yù)測(cè)了2010、2015、2020、2030和2050年黃土高原的水土流失環(huán)境演變趨勢(shì),給出了相應(yīng)的植被蓋度、侵蝕模數(shù)、徑流模數(shù)變化趨勢(shì)圖,初步闡明了未來黃土高原大規(guī)模水土