【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(huì)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(shí)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(jì)學(xué)以及地統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法，對(duì)比分析多種干旱指數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，構(gòu)建基于水文過(guò)程的干旱評(píng)價(jià)方法，利用多種不同干旱指數(shù)分析和評(píng)價(jià)黃土高原干旱時(shí)空變異過(guò)程。利用遙感影像探究退耕還林（草）工程實(shí)施對(duì)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(píng)價(jià)黃土高原不同區(qū)域雨水資源化潛力大小、構(gòu)成及其時(shí)空分布，得到如下主要研究結(jié)果： （1）針對(duì)傳統(tǒng)帕默爾干旱指數(shù)（Palmer Drought Severity Index, PDSI）在統(tǒng)計(jì)各水量平衡分量時(shí)，采用基于簡(jiǎn)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(lèi)型以及地形對(duì)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(jí)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(guò)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(shí)空變異過(guò)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(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估干旱發(fā)生發(fā)展過(guò)程及其時(shí)空分布上存在較大應(yīng)用潛力。 （2）建立了基于水文過(guò)程的多時(shí)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(shí)間尺度干旱時(shí)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(guò)程，其物理意義不明確，無(wú)法完整反映干旱發(fā)生發(fā)展物理過(guò)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(duì)區(qū)域水文過(guò)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(jì)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(lái)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(gè)比P與PE之差D更好的水分盈虧評(píng)價(jià)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(guò)程。由于SZI考慮了區(qū)域水文循環(huán)的物理過(guò)程，可同時(shí)反映水分供給與水分需求對(duì)干旱時(shí)空變異的影響，且具有多時(shí)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(shí)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(duì)黃土高原干旱時(shí)空變異過(guò)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(shí)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(shì)，其突變時(shí)間為20世紀(jì)90年代初。對(duì)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(shì)，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(guò)了25%，干旱發(fā)生概率極高。基于VIC-PDSI的干旱統(tǒng)計(jì)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(gè)時(shí)間段為黃土高原最旱時(shí)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(shí)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(zhǎng)期性影響程度空間上呈由東南向西北遞增趨勢(shì)，其DAI取值范圍為11~26（注：DAI值越大說(shuō)明受干旱長(zhǎng)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(lái)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(shì)，因此有關(guān)部門(mén)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(duì)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(píng)價(jià)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(shí)空演變趨勢(shì)和植被類(lèi)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(dòng)狀態(tài)，個(gè)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(wú)明顯的恢復(fù)趨勢(shì)。自1999年退耕還林（草）工程實(shí)施以來(lái)，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(shí)，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(shì)，其中以黃土高原丘陵溝壑區(qū)植被恢復(fù)態(tài)勢(shì)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(zhǎng)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(duì)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(jì)算方法，定量評(píng)價(jià)和計(jì)算了不同區(qū)域雨水資源化潛力的大小、構(gòu)成及時(shí)空分布，探討了氣候變化和植被恢復(fù)對(duì)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(shì)，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(shì)，該降低趨勢(shì)在未來(lái)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(shì)顯著，且該降低趨勢(shì)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(guò)程中，應(yīng)加大對(duì)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(huì)的可持續(xù)發(fā)展。對(duì)于雨水資源化潛力相對(duì)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(duì)較高，同時(shí)該區(qū)又是黃河泥沙的主要來(lái)源地，因此可重點(diǎn)開(kāi)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(guò)5年的工作，建立了基于水文過(guò)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(píng)價(jià)了黃土高原干旱時(shí)空變異特征；探究了近30年黃土高原植被覆蓋時(shí)空演變趨勢(shì)及其對(duì)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(jì)算方法，定量評(píng)價(jià)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(shí)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(píng)價(jià)，以及雨水資源化潛力評(píng)價(jià)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：S271

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本文編號(hào)：2738009