小理河流域徑流泥沙對(duì)氣候和土地利用變化的響應(yīng)研究.pdf

1、研究氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)流域水沙變化的影響，不但為流域水沙災(zāi)害的預(yù)警提供理論支持，也為科學(xué)評(píng)價(jià)生態(tài)建設(shè)的環(huán)境效應(yīng)提供重要科學(xué)依據(jù)。本論文針對(duì)當(dāng)前極端降水變化和土地利用空間格局對(duì)流域水沙影響研究的不足，以黃河中游黃土丘陵溝壑區(qū)小理河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，采用滑動(dòng)平均、距平分析、Sen斜率估計(jì)法、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)和突變點(diǎn)檢驗(yàn)法等，分析了小理河流域1959-2013年極端降水、極端氣溫、徑流、泥沙的動(dòng)態(tài)變化特征;利用GIS技術(shù)和土地

2、利用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用動(dòng)態(tài)度、空間自相關(guān)格局分析、景觀格局分析等方法，分析了小理河流域1990年以來土地利用的時(shí)空過程、土地利用空間自相關(guān)格局、土地利用景觀格局的時(shí)空變化及其隨地形變化的空間分異特征;基于對(duì)徑流和泥沙突變點(diǎn)檢驗(yàn)，篩選了影響流域徑流和輸沙的最優(yōu)極端降水指標(biāo)，利用雙累積曲線法和回歸分析法量化了極端降水變化和人類活動(dòng)對(duì)流域徑流泥沙變化的貢獻(xiàn)率;在對(duì)SWAT模型參數(shù)率定和模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，通過輸入不同的土地利用和氣候情景，探討流

3、域徑流泥沙對(duì)土地利用景觀格局變化的響應(yīng)機(jī)制，并定量研究流域徑流泥沙對(duì)氣候變化、土地利用變化和其他人類活動(dòng)的響應(yīng)特征。主要研究結(jié)論如下:
　　(1)55a間，年、汛期、春季、夏季、秋季降水量皆呈不顯著減少趨勢，而冬季降水量呈不顯著增加趨勢。17個(gè)極端降水指標(biāo)（R10、R20、R50、R10p、R20p、R50p、R1d、R5d、SDII、R90p、R90t、R95p、R95t、R99p、R99t、CDD、CWD）中，僅最長連續(xù)干旱天

4、數(shù)CDD和平均降水強(qiáng)度SDII呈不顯著增加趨勢，而其他15個(gè)極端降水指標(biāo)均呈不顯著減少趨勢。年和四季平均氣溫均呈增加趨勢，其中，年、春季、冬季氣溫呈顯著增加趨勢。16個(gè)極端氣溫指標(biāo)中，冷指標(biāo)(FD、ID、TN10p、TX10p、TNn、CSDI)呈減少趨勢，其中ID、TX10p、TN10p呈顯著減少趨勢;暖指標(biāo)(TR、HD、SU、TN90p、TX90p、TNx、TXn、TXx、WSDI和DTR)呈增加趨勢，其中SU、DTR、HD、TN9

5、0p呈顯著增加趨勢，說明流域變暖趨勢明顯。
　　(2)流域各土地利用類型都表現(xiàn)出全局空間正自相關(guān)特性，但空間正自相關(guān)性隨著距離的增加而逐漸減弱。土地利用類型存在不同的局部空間聚集或異常特征，局部聚集區(qū)隨高程、坡度和坡向的變化呈現(xiàn)空間分異。從1990年到2009年，流域景觀格局破碎化程度增高，景觀形狀趨于復(fù)雜化，景觀類型趨于多樣化，景觀異質(zhì)性增加。景觀格局指數(shù)與高程、坡度和坡向有顯著的相關(guān)性。
　　(3)55a間，流域年、汛期

6、徑流量和輸沙量呈極顯著減少趨勢，年和汛期徑流量年均減少量分別為29.13×104m3和18.6×104m3，年和汛期輸沙量年均減少量分別為6.33×104t和6.49×104t。1970年為小理河流域徑流泥沙變化的突變年。據(jù)此，將整個(gè)研究時(shí)段劃分為兩個(gè)時(shí)期:1959-1970年基準(zhǔn)期（天然情景期）和1971-2013年措施期。與基準(zhǔn)期相比，措施期年和汛期徑流量分別減少近40％和50％，年和汛期輸沙量分別減少近72％。在基準(zhǔn)期，流域徑流量

7、和輸沙量與降水量、汛期降水量和16個(gè)極端降水指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)變化于0.28～0.9之間，而在措施期流域徑流量和輸沙量與各降水指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)變化于0.18～0.62之間;說明在基準(zhǔn)期徑流量、輸沙量受降水影響較大，而在措施期徑流量、輸沙量受到降水和人類活動(dòng)二者共同影響。在基準(zhǔn)期、措施期和整個(gè)研究期，R90p（大于1961-1990年90％分位值的降水量總量）是各降水指標(biāo)中與徑流量、輸沙量相關(guān)性最好的降水指標(biāo)。
　　(4)以R90p作

8、為表征極端降水的最佳降水指標(biāo)，評(píng)估了極端降水變化和人類活動(dòng)對(duì)流域徑流泥沙變化的貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明，在20世紀(jì)70、80年代和1999-2013年，人類活動(dòng)是影響流域徑流泥沙變化的主要因素，人類活動(dòng)對(duì)徑流量減少的貢獻(xiàn)率分別為57.3％、62.1％和75.4％，人類活動(dòng)對(duì)輸沙量減少的貢獻(xiàn)率分別為91.8％、92.9％和90.3％，人類活動(dòng)對(duì)輸沙量的影響大于其對(duì)徑流量的影響。而在1990-1998年，極端降水變化是影響流域徑流泥沙變化的主要因素

9、，R90p對(duì)徑流量、輸沙量減少的貢獻(xiàn)率分別為78.2％和57.9％，極端降水變化對(duì)徑流量的影響大于其對(duì)輸沙量的影響。
　　(5)構(gòu)建了適用于小理河流域的SWAT模型參數(shù)庫，通過模型參數(shù)敏感性分析、率定和模型精度驗(yàn)證，模擬效果評(píng)價(jià)指標(biāo)R2、NSE和PBAIS分別在0.84～0.89、0.80～0.86和-7.6％～2.3％之間，說明模型模擬效果較好。基于率定的SWAT模型，輸入不同的土地利用和氣候情景，分析了流域土地利用景觀格局變化

10、對(duì)徑流和泥沙的影響，評(píng)估了氣候變化、土地利用變化和其他人類活動(dòng)對(duì)流域徑流泥沙變化的貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明:流域土地利用景觀格局顯著影響流域徑流和輸沙。流域徑流量和輸沙量與斑塊數(shù)量、斑塊密度、景觀形狀指數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)呈顯著正相關(guān)，而二者與最大斑塊面積比例、斑塊凝聚度、斑塊蔓延度和香農(nóng)均勻度指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。以1971-1998年為基準(zhǔn)，1999-2013年氣候變化和土地利用變化對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率分別為29.8％和70.2％，對(duì)輸沙量減少的貢