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

1、人類活動對水土流失區(qū)生態(tài)環(huán)境影響的研究是目前學術(shù)界普遍關(guān)注的熱點問題。土地利用變化是影響流域水土流失過程的主要因素,也是人類活動影響流域水土流失環(huán)境的主要途徑。本文運用水文學、泥沙運動學、水土保持學、生態(tài)學等交叉學科理論,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為研究對象,利用降雨資料和流域下墊面資料對降雨產(chǎn)匯流過程進行了反演,探索了流域土地利用變化對流域水沙變化過程的作用機制,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)測了未來50年黃土高原水土流失環(huán)境演變趨勢。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降雨逐時段產(chǎn)流計算模型和和Nash瞬時單位線模型構(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)計算方法相比具有計算速度快和精度高等優(yōu)點。(2)

3、提出了野外徑流小區(qū)次降雨徑流過程的反演方法。利用變雨強降雨逐時段產(chǎn)流計算方法和基于改進形心加權(quán)單純形法的模型參數(shù)優(yōu)選方法,對野外不同土地利用類型徑流小區(qū)的次降雨徑流過程進行了反演;初步驗證結(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算精度,可以用于對大量已有的坡面徑流小區(qū)降雨徑流觀測信息進行深度挖掘。(3)提出了用于描述流域水蝕過程侵蝕輸沙動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、個洪水過程特征值計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)沙計算。從坡面和流域尺度上對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空差異對水蝕過程的作用,更好地表達了水蝕動力特性,比

5、降雨侵蝕力更敏感地反映了次降雨侵蝕產(chǎn)沙過程的侵蝕動力機制。(4)以具有長期土地利用觀測資料的紙坊溝實驗流域為典型流域,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,初步驗證的結(jié)果表明,模型具有較好的計算精度。(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個支流片為計算單元,預(yù)測了2010、2015、2020、2030和2050年黃土高原的水土流失環(huán)境演變趨勢,給出了相應(yīng)的植被蓋度、侵蝕模數(shù)、徑流模數(shù)變化趨勢圖,初步闡明了未來黃土高原大規(guī)模水土