【摘要】：由于人口增加、人類活動(dòng)加劇,世界上很多河流出現(xiàn)降雨不減少、徑流銳減甚至斷流,嚴(yán)重影響流域及區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,使得人類活動(dòng)特別是水土保持對(duì)河流的影響這一科學(xué)問題越來越受到關(guān)注。本研究選取具有典型意義的缺水高含沙重污染渭河作為研究對(duì)象,針對(duì)水土保持措施對(duì)河流影響研究的薄弱環(huán)節(jié),開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水土保持梯田措施過程模擬模型并成功嵌入世界上廣泛應(yīng)用的SWAT模型當(dāng)中,在對(duì)模型進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,研究了渭河區(qū)域水土流失與生態(tài)基流對(duì)梯田措施的響應(yīng),提出了基于水沙耦合及經(jīng)濟(jì)分析相結(jié)合的渭河流域水土保持梯田措施優(yōu)化配置技術(shù),初步構(gòu)建了水土保持梯田措施模擬基本理論。取得的主要成果如下： (1)初步提出了“流域自響應(yīng)理論”的概念,開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水土保持梯田措施過程模擬模型。提出了“流域自響應(yīng)理論”的概念,認(rèn)為流域系統(tǒng)內(nèi)各部分是互相聯(lián)系和運(yùn)動(dòng)的,運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)是追求系統(tǒng)的平衡。當(dāng)系統(tǒng)平衡受到破壞,其系統(tǒng)將朝著建立新的平衡方向發(fā)展。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了針對(duì)不同梯田類型的概化和分坡段模擬算法,并使用FORTRAN語言編譯嵌入到SWAT流域水文模型中(第488版,累計(jì)新增代碼1.8萬行),實(shí)現(xiàn)了梯田措施對(duì)流域水土流失變化影響的模擬技術(shù),補(bǔ)充了大型流域模型中水土保持措施對(duì)河流影響過程模擬的不足。 (2)驗(yàn)證結(jié)果表明,新嵌入梯田模塊的SWAT模型模擬精度較高,滿足評(píng)價(jià)坡面及流域水土流失對(duì)梯田響應(yīng)的技術(shù)要求。采用國(guó)內(nèi)外梯田及黃土高原小流域水、沙、養(yǎng)分及作物產(chǎn)量實(shí)測(cè)資料對(duì)開發(fā)模型進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明：平衡偏差指標(biāo)均小于0.1%,模型系統(tǒng)各部分功能均正常運(yùn)行；反映坡面水土流失模擬值與實(shí)際符合程度的納什系數(shù)(Nash-Sutcliffe Efficiency)在大多數(shù)條件下高于0.5,表明所開發(fā)模型能夠反映坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙及養(yǎng)分流失過程；梯田模塊模擬的流域降水產(chǎn)流、產(chǎn)沙輸沙過程偏差(PBIAS)介于-16.2%-11.2%,梯田調(diào)控效應(yīng)模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。表明水土保持梯田措施數(shù)學(xué)模型開發(fā)較為成功,模擬精度較好,可用于坡面及流域水、沙及養(yǎng)分流失過程的模擬。 (3)利用基于“流域自響應(yīng)理論”的新嵌入梯田模塊SWAT模型對(duì)渭河徑流泥沙進(jìn)行初步模擬,結(jié)果表明現(xiàn)有水利水保措施對(duì)減少渭河河床淤積意義重大。利用上世紀(jì)60年代渭河來水來沙變化較為劇烈的資料,對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)提取和驗(yàn)證,結(jié)果表明模型計(jì)算納什系數(shù)(NS)以及相對(duì)偏差(PBIAS)分別介于0.52-0.93和-16.21%-28.35%之間,該模型可較好的模擬渭河中上游地區(qū)水沙劇烈變化過程�；�1960-2009共計(jì)50年氣象資料模擬結(jié)果表明,渭河干流中上游集中了渭河枯水期徑流量的89.4%,對(duì)生態(tài)基流保障意義重大；而且反映出汛期來沙量占全年輸沙量的86.4%,水土流失主要發(fā)生在汛期；如果不對(duì)渭河流域進(jìn)行治理,渭河上中下游干流區(qū)域河床年均抬升將達(dá)到4cm、10cm和20cm,約為實(shí)測(cè)多年平均值的1.5倍,河床淤積劇烈,說明現(xiàn)有水土保持等措施對(duì)減少渭河河床淤積意義重大。 (4)利用所建立模型,在系統(tǒng)研究渭河流域水土保持梯田措施對(duì)流域水沙影響的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究了梯田措施對(duì)河流生態(tài)基流的影響。結(jié)果表明梯田措施蓄洪補(bǔ)枯、削減侵蝕、防止淤積、增加生態(tài)基流。2000年規(guī)模梯田(約占干流面積10%)可減少流域年均總產(chǎn)流量約0.37億m3,減少咸陽站年均輸沙量1620萬t,但增加咸陽站最枯月徑流量3.5%,減少近期和遠(yuǎn)期生態(tài)基流不滿足天數(shù)3.1和5.5天,分別占不滿足總天數(shù)的26.3%和27.2%。自上世紀(jì)70年代至2009年,梯田修建已累計(jì)減少渭河上游和中游干流區(qū)域泥沙淤積1.01億t和0.66億t,防止河床抬升9.1cm和22.8cm,對(duì)于渭河上中游干流治理、洪水防治以及河流水質(zhì)的改善具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 (5)基于新嵌入梯田模塊的SWAT模型及水沙耦合經(jīng)濟(jì)分析的流域優(yōu)化配置技術(shù)可為水土保持梯田措施優(yōu)化、規(guī)劃配置及智能決策提供技術(shù)支撐�；趯�(duì)四種典型優(yōu)化配置模式進(jìn)行初步分析結(jié)果表明,水平梯田減沙及減少河流泥沙濃度的能力大于隔坡梯田,但隔坡梯田投入產(chǎn)出比顯著高于水平梯田。建議在黃土高原生態(tài)環(huán)境建設(shè)過程中首先判定侵蝕關(guān)鍵區(qū)域,對(duì)水土保持措施進(jìn)行前期優(yōu)化及合理布局,同時(shí)適量建設(shè)隔坡梯田,以達(dá)到更好的治理效果和投入產(chǎn)出比例。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：S157.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2525462