【摘要】：干旱缺水與水土流失并存是制約黃土高原生態(tài)建設(shè)與經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。降雨徑流調(diào)控利用是同步緩解干旱缺水與水土流失兩大難題的有效途徑。如何在揭示黃土高原干旱時空變異規(guī)律基礎(chǔ)上，科學(xué)確定區(qū)域雨水資源化潛力是實(shí)現(xiàn)降雨徑流調(diào)控與高效利用的基礎(chǔ)。本文利用流域水文模型、地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)、經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)以及地統(tǒng)計學(xué)等方法，對比分析多種干旱指數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，構(gòu)建基于水文過程的干旱評價方法，利用多種不同干旱指數(shù)分析和評價黃土高原干旱時空變異過程。利用遙感影像探究退耕還林（草）工程實(shí)施對黃土高原植被恢復(fù)的影響。在氣候暖干化和植被恢復(fù)引起區(qū)域生態(tài)用水量增加的大背景下，定量評價黃土高原不同區(qū)域雨水資源化潛力大小、構(gòu)成及其時空分布，得到如下主要研究結(jié)果： （1）針對傳統(tǒng)帕默爾干旱指數(shù)（Palmer Drought Severity Index, PDSI）在統(tǒng)計各水量平衡分量時，采用基于簡單水量平衡原理的雙層水桶模型估算區(qū)域內(nèi)蒸散發(fā)、徑流和上下層土壤含水量的變化，未考慮不同土壤、植被類型以及地形對區(qū)域水量平衡的影響，本研究利用可變下滲容量（Variable Infiltration Capacity，VIC）模型代替了傳統(tǒng)PDSI指數(shù)中的雙層水桶模型，并采用分級修正的方式，改進(jìn)了傳統(tǒng)PDSI指數(shù)中氣候特征系數(shù)K的確定方法，建立了基于水文過程的帕默爾干旱指數(shù)（VIC-PDSI）。該指數(shù)能夠較為準(zhǔn)確的反映黃土高原干旱時空變異過程。由于VIC-PDSI指數(shù)考慮因素全面，物理機(jī)制清晰，在實(shí)時監(jiān)測和評估干旱發(fā)生發(fā)展過程及其時空分布上存在較大應(yīng)用潛力。 （2）建立了基于水文過程的多時間尺度干旱指數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)化水分距平指數(shù)（Standardized Moisture Anomaly Index，SZI）。由于VIC-PDSI不具備分析不同時間尺度干旱時空變異的功能，且其空間可比性較差；而標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）未考慮區(qū)域真實(shí)的水量平衡過程，其物理意義不明確，無法完整反映干旱發(fā)生發(fā)展物理過程。本研究綜合考慮了VIC-PDSI和SPEI的優(yōu)缺點(diǎn)，基于可變下滲容量模型對區(qū)域水文過程的模擬，得到水量平衡各分量逐月的實(shí)際值、可能值和它們相應(yīng)的多年平均值，進(jìn)而計算氣候適宜降P^ 水量，得到逐月水分距平指數(shù)Z。利用Z指數(shù)代替SPEI中的降水量與潛在蒸發(fā)蒸散量之差D，采用log-logistic概率分布函數(shù)來描述水分盈虧量的變化，經(jīng)正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化得到SZI。由于區(qū)域的真正水分支出量應(yīng)為實(shí)際蒸發(fā)蒸散量（ET），而非PE，且PE往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ET，某些地區(qū)ET與PE之間甚至是負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，水分距平指數(shù)Z是一個比P與PE之差D更好的水分盈虧評價指標(biāo)。SZI與NDVI、標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)之間較高的相關(guān)性表明其能夠更準(zhǔn)確的反映區(qū)域干濕變化過程。由于SZI考慮了區(qū)域水文循環(huán)的物理過程，可同時反映水分供給與水分需求對干旱時空變異的影響，且具有多時間尺度分析功能，空間可比性較強(qiáng)，故該指數(shù)的建立可為區(qū)域干旱時空變異研究提供新思路和新方法。 （3）基于多種不同干旱指數(shù)對黃土高原干旱時空變異過程進(jìn)行了分析，并統(tǒng)籌考慮不同干旱指數(shù)所得結(jié)果，綜合分析黃土高原干旱時空變異特征。結(jié)果表明，近40年黃土高原大部分區(qū)域呈現(xiàn)出顯著的暖干化趨勢，其突變時間為20世紀(jì)90年代初。對于黃土高原全區(qū)而言，其多年平均干旱面積比例為27.1%，中等程度以上干旱面積比例為10.8%。黃土高原干旱頻數(shù)和嚴(yán)重程度均呈現(xiàn)出由東南向西北遞增趨勢，位于黃河上游的4~6分區(qū)干旱頻數(shù)和嚴(yán)重程度明顯高于地處黃河中游的1~3分區(qū)，其中4~6分區(qū)部分區(qū)域干旱頻數(shù)超過了25%，干旱發(fā)生概率極高�；赩IC-PDSI的干旱統(tǒng)計結(jié)果表明黃土高原大部分極端干旱事件發(fā)生于1976~1982、1997~2001和2003~2008年間，因此這3個時間段為黃土高原最旱時段。此外，本研究基于VIC-PDSI與ArcGIS軟件，建立了能夠綜合反映干旱程度、干旱頻率、持續(xù)時間和空間范圍的干旱權(quán)重指數(shù)（DAI），結(jié)果表明黃土高原受干旱長期性影響程度空間上呈由東南向西北遞增趨勢，其DAI取值范圍為11~26（注：DAI值越大說明受干旱長期性影響越嚴(yán)重）。黃土高原1~3分區(qū)是退耕還林（草）工程的重點(diǎn)區(qū)域，近年來其主要定位為生態(tài)恢復(fù)區(qū)，而4~6分區(qū)坐落著許多大型灌區(qū)，如河套灌區(qū)、寧夏沿黃灌區(qū)等，因此該區(qū)是黃土高原的主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域。由于4~6分區(qū)較為缺水，且頻繁的受到干旱的危害，加之其干旱頻率和受旱面積呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢，因此有關(guān)部門需采取一定的有效措施，合理調(diào)控利用區(qū)域地表水和土壤水資源，以緩解干旱缺水對黃土高原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不利影響。（注：1區(qū)為黃河河龍區(qū)間；2區(qū)為涇洛渭區(qū)域；3區(qū)為汾河-伊洛沁河區(qū)域；4區(qū)為黃河內(nèi)蒙古河段；5區(qū)為祖歷河清水河區(qū)域；6區(qū)為風(fēng)沙區(qū)） （4）采用GIMMS和SPOT VGT兩種數(shù)據(jù)集的歸一化植被指數(shù)作為植被覆蓋度評價指標(biāo)，并結(jié)合坡度數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)，綜合分析了近30年黃土高原不同坡度植被覆蓋時空演變趨勢和植被類型轉(zhuǎn)化方向。結(jié)果表明：大規(guī)模植被建設(shè)實(shí)施前，黃土高原植被覆蓋呈現(xiàn)出年際波動狀態(tài)，個別地區(qū)植被覆蓋狀況雖有所好轉(zhuǎn)，但大部分區(qū)域植被無明顯的恢復(fù)趨勢。自1999年退耕還林（草）工程實(shí)施以來，大規(guī)模植被建設(shè)促進(jìn)了該區(qū)植被恢復(fù)，黃土高原年度NDVI平均值和最大化值增加顯著。同時，研究區(qū)植被覆蓋在空間上也呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域性增加趨勢，其中以黃土高原丘陵溝壑區(qū)植被恢復(fù)態(tài)勢最為明顯。黃土高原易發(fā)生土壤侵蝕的坡耕地大面積的轉(zhuǎn)化為了草地和林地，未利用地面積明顯減少，坡地植被覆蓋狀況得到了明顯改善。黃土高原植被生長的水分敏感期為5~8月，大規(guī)模植被建設(shè)提高了植被恢復(fù)應(yīng)對干旱缺水的能力。退耕還林（草）工程實(shí)施后，研究區(qū)植被狀況雖有所好轉(zhuǎn)，但截止2012年，處于較低植被覆蓋水平的區(qū)域面積依然占較大比例，黃土高原生態(tài)環(huán)境建設(shè)有待于進(jìn)一步加強(qiáng)。 （5）構(gòu)建了基于可變下滲容量模型的黃土高原雨水資源化潛力計算方法，定量評價和計算了不同區(qū)域雨水資源化潛力的大小、構(gòu)成及時空分布，探討了氣候變化和植被恢復(fù)對雨水資源化潛力的影響。結(jié)果表明：黃土高原雨水資源化潛力多年平均值為731.10億m3，平均水層深度為114.34mm，其中地表徑流占39.6%，土壤有效水占60.4%。研究區(qū)雨水資源化潛力空間上呈由東南向西北遞減趨勢，可利用潛力較大的區(qū)域主要分布在黃河中游地區(qū)，主要包括黃河河龍區(qū)間、涇河、渭河、北洛河、汾河、沁河以及伊洛河流域。在氣候暖干化和植被恢復(fù)的影響下，黃土高原大部分區(qū)域雨水資源化潛力呈現(xiàn)出一定的降低趨勢，該降低趨勢在未來存在一定的持續(xù)性；尤其是雨水資源化潛力較為豐富的黃土高原南部地區(qū)，其降低趨勢顯著，且該降低趨勢持續(xù)性較強(qiáng)。由于土壤有效水是雨水資源化潛力的主要組成部分，因此在今后研究和生產(chǎn)實(shí)際過程中，應(yīng)加大對土壤擴(kuò)蓄增容、土壤抑蒸保墑和土壤水-作物水高效轉(zhuǎn)化等技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，以充分利用雨水資源，促進(jìn)生態(tài)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。對于雨水資源化潛力相對豐富的黃河河龍區(qū)間、涇洛渭流域和汾河-伊洛沁河流域，其地表徑流占雨水資源化潛力比例相對較高，同時該區(qū)又是黃河泥沙的主要來源地，因此可重點(diǎn)開發(fā)和應(yīng)用降雨徑流匯集、蓄存和集雨補(bǔ)灌等相關(guān)技術(shù)，為區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和退耕還林（草）工程提供水源，以達(dá)到合理調(diào)控利用地表徑流，減緩水土流失的雙重目的。 研究通過5年的工作，建立了基于水文過程的帕默爾干旱指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化水分距平指數(shù)；分析和評價了黃土高原干旱時空變異特征；探究了近30年黃土高原植被覆蓋時空演變趨勢及其對干旱的響應(yīng)；構(gòu)建了基于可變下滲容量模型的黃土高原雨水資源化潛力計算方法，定量評價了黃土高原不同區(qū)域雨水資源化潛力的大小、構(gòu)成及其時空分布，研究結(jié)果可為黃土高原干旱防治規(guī)劃和應(yīng)急預(yù)案的制定、退耕還林（草）工程實(shí)施成效的評價，以及雨水資源化潛力評價和雨水資源高效利用提供理論依據(jù)和科技支撐。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：S271

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本文編號：2738009