南水北調(diào)中線水源區(qū)堵河流域產(chǎn)流產(chǎn)沙對(duì)土地利用變化的響應(yīng).pdf

1、水土流失是全球化的重大環(huán)境問題。水土流失與水環(huán)境惡化、河道功能的破壞和洪澇災(zāi)害的發(fā)生具有聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，嚴(yán)重影響人類生存環(huán)境和生態(tài)安全。流域產(chǎn)流產(chǎn)沙是衡量水土流失的重要指標(biāo)，受多種因素影響，包括氣候、地形、土壤、土地利用等，其中，氣候因素能夠在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上對(duì)流域水沙演變產(chǎn)生重要影響，而土地利用變化則是短期內(nèi)人類活動(dòng)影響水沙最直接的表現(xiàn)形式。研究流域產(chǎn)流產(chǎn)沙對(duì)土地利用變化的響應(yīng)并定量分析其耦合關(guān)系，是當(dāng)前環(huán)境背景下流域管理的基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)水資

2、源的宏觀調(diào)配，我國(guó)啟動(dòng)了南水北調(diào)中線工程，其水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)脆弱，面臨潛在的水土流失、洪澇頻發(fā)等環(huán)境問題的困擾。本文以水源區(qū)典型流域——堵河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，在國(guó)內(nèi)外水沙響應(yīng)研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)地形地貌、氣象水文、土地利用和土壤等數(shù)據(jù)，借助地理信息等技術(shù)手段并結(jié)合野外調(diào)查建立流域空間和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，選取Soil andWater Assessment Tools(SWAT)模型進(jìn)行無(wú)資料區(qū)域水沙模擬，選擇雙參數(shù)對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)進(jìn)行極端水文非

3、穩(wěn)定頻度分析，綜合采用偏最小二乘回歸等多元回歸工具量化了流域土地利用對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙變化的相對(duì)貢獻(xiàn)。論文取得的主要成果有:
　　(1)以南水北調(diào)中線水源區(qū)堵河上游流域?yàn)檠芯繉?duì)象，在子流域尺度上基于GIS平臺(tái)求得土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣和空間轉(zhuǎn)移圖并分析了土地利用空間變化特征，結(jié)果表明，1990年代林地的砍伐受到林分與道路和航道距離的影響，耕地和城鎮(zhèn)用地多沿河道增加，2000年代國(guó)家退耕還林政策實(shí)施后，部分坡度大于25°的耕地轉(zhuǎn)換為林地;與基

4、線期（1980年代）相比，耕作期（1990年代）子流域土地利用空間變異程度增加，而生態(tài)恢復(fù)期（2000年代）土地利用空間變異程度在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加，同時(shí)導(dǎo)致了土地利用格局的空間變化。
　　(2)以堵河上游流域卡口站——竹山站和內(nèi)部的新洲水文站長(zhǎng)時(shí)間逐日徑流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助“Bflow.exe”數(shù)字濾波程序進(jìn)行基流分割，將自動(dòng)校準(zhǔn)和手動(dòng)校準(zhǔn)相結(jié)合進(jìn)行月尺度徑流和基流深度的SWAT模型校正和驗(yàn)證，進(jìn)而預(yù)測(cè)107個(gè)子流域基流深度，結(jié)果

5、表明，在流域尺度，堵河上游流域基流系數(shù)為0.358（竹山站）和0.364（新洲站），竹山站和新洲站在1980年代、1990年代、2000年代的月均基流深度分別為19.0和17.9、14.7和13.3、16.6和15.7mm，月間差異明顯;在子流域尺度，SWAT徑流和基流模型有較好的模擬效能，基線期（1980年代的土地利用）、耕作期（1990年代的土地利用）和生態(tài)恢復(fù)期(2000年代的土地利用)下的子流域月均基流深度分別為16.9、18.

6、4和15.9 mm，基線期基流深度空間變異程度最低，生態(tài)恢復(fù)期最高。
　　(3)結(jié)合偏最小二乘回歸在子流域尺度上量化土地利用對(duì)基流的相對(duì)重要性，結(jié)果表明，土地利用是基流變化的重要影響因素，林地、耕地和城鎮(zhèn)用地對(duì)基流的影響顯著且均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中林地的相對(duì)貢獻(xiàn)最大，灌叢、草地和未利用地對(duì)基流的作用不顯著;對(duì)于林地被農(nóng)田所取代的區(qū)域，蒸散量的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的降低導(dǎo)致基流增加，對(duì)于林地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)用地的區(qū)域，城鎮(zhèn)用地對(duì)基流的負(fù)面作用被

7、無(wú)貢獻(xiàn)的不透水表面所削弱，基流增加;耕地和城鎮(zhèn)用地對(duì)基流的相對(duì)重要性因季節(jié)而異，在夏季，耕地蒸散量較大，對(duì)基流產(chǎn)生的負(fù)面作用大于城鎮(zhèn)用地，在其他季節(jié)，耕地的作用小于城鎮(zhèn)用地。
　　(4)在SWAT月尺度徑流模型的基礎(chǔ)上校驗(yàn)日尺度徑流，并獲取107個(gè)子流域逐日徑流數(shù)據(jù)，選用年最大徑流深度序列并借助雙參數(shù)對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)和極大似然估計(jì)進(jìn)行非穩(wěn)定性極端徑流分析，在不同重現(xiàn)期下定量分析土地利用對(duì)極端徑流事件頻次的影響，結(jié)果表明，徑流極值分

8、位數(shù)分布規(guī)律在不同重現(xiàn)期下差異明顯，2年重現(xiàn)期下，徑流極值分位數(shù)從西南向東北部降低，在20年、100年和1000年重現(xiàn)期，較高的徑流極值分位數(shù)出現(xiàn)在西北和東南部;各個(gè)年代的極端徑流事件頻次在較小或較大重現(xiàn)期內(nèi)呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，而較小和較大重現(xiàn)期之間則表現(xiàn)出明顯差異，1980年代極端徑流風(fēng)險(xiǎn)最高，2000年代最低，洪水季明顯高于平水季;土地利用對(duì)極端徑流事件頻次的影響隨重現(xiàn)期的增加而減弱，當(dāng)重現(xiàn)期大于100年，土地利用類型和極端徑流事件

9、不存在顯著相關(guān)關(guān)系，在較低重現(xiàn)期下，林地能顯著降低極端徑流事件頻次，耕地和城鎮(zhèn)用地則能夠增加極端徑流風(fēng)險(xiǎn)，草地、灌叢、未利用地對(duì)極端徑流事件的影響不顯著，在較大重現(xiàn)期下，水庫(kù)等水利設(shè)施能夠?qū)O端徑流事件產(chǎn)生重要影響。
　　(5)在SWAT徑流模型的基礎(chǔ)上校驗(yàn)了產(chǎn)沙和泥沙輸移比模型，借助偏最小二乘回歸探討了堵河上游流域土地利用組成和格局對(duì)特定產(chǎn)沙的相對(duì)重要性?；谕恋乩煤妥匀坏乩硖卣鬟x擇了19種詮釋性指數(shù)在子流域尺度下進(jìn)行分析，借