【摘要】： 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(xué)術(shù)界普遍關(guān)注的熱點(diǎn)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(yùn)用水文學(xué)、泥沙運(yùn)動學(xué)、水土保持學(xué)、生態(tài)學(xué)等交叉學(xué)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?yàn)檠芯繉ο?利用降雨資料和流域下墊面資料對降雨產(chǎn)匯流過程進(jìn)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(jī)制,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;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(qiáng)降雨逐時(shí)段產(chǎn)流計(jì)算模型和和Nash瞬時(shí)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(diǎn)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(jì)算方法相比具有計(jì)算速度快和精度高等優(yōu)點(diǎn)。 (2)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(qiáng)降雨逐時(shí)段產(chǎn)流計(jì)算方法和基于改進(jìn)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(jìn)行了反演;初步驗(yàn)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(jì)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(jìn)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)和徑流深兩個(gè)洪水過程特征值計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)空差異對水蝕過程的作用,更好地表達(dá)了水蝕動力特性,比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(jī)制。 (4)以具有長期土地利用觀測資料的紙坊溝實(shí)驗(yàn)流域?yàn)榈湫土饔?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(yàn)證的結(jié)果表明,模型具有較好的計(jì)算精度。 (5)在系統(tǒng)分析了黃土高原主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(shí)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(gè)支流片為計(jì)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)模水土保持生態(tài)治理的環(huán)境效應(yīng)。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2006
【分類號】：X171.4;TV14
【圖文】：

p時(shí)，隨著降雨強(qiáng)度持續(xù)的超過土壤入滲率，地表開始產(chǎn)流，直至降雨結(jié)束。在整個(gè)降雨過程中的實(shí)際土壤入滲過程是圖2-1中的abc曲線而并不是ab’c’曲線。本文將'pt 稱為虛擬積水產(chǎn)流時(shí)刻，而將 tp稱為積水產(chǎn)流時(shí)刻。從圖 2-1 及上述分析可以得出，定雨強(qiáng)降雨條件下的土壤入滲過程可以劃分為兩個(gè)不同的階段，第一階段為積水前入滲階段（tp以前），第二階段為積水后入滲階段（tp以后）。在積水前入滲階段，土壤入滲屬無壓入滲，主要受降雨強(qiáng)度控制，土壤入滲率等于降雨強(qiáng)度；在積水后入滲階段，土壤入滲屬有壓入滲，主要受土壤入滲能力控制，土壤入滲率等于入滲能力，而與降雨強(qiáng)度大小無關(guān)。如果土壤入滲能力曲線采用 Horton 入滲公式描述,則實(shí)際土壤入滲率 f(t)可以表達(dá)為：( )( ) íì+->￡=--p()pttttpkttccfIfeIf t（2.2）式中：f(t)為 t 時(shí)刻的實(shí)際土壤入滲率；I 為降雨強(qiáng)度；f0、fc分別為土壤初始入滲率和穩(wěn)定入滲率；tp為積水產(chǎn)流時(shí)間； k 為入滲參數(shù)。b. 產(chǎn)流計(jì)算方法當(dāng)某定雨強(qiáng)降雨的平均降雨強(qiáng)度 I、降雨歷時(shí) tt 和降雨前期土壤含水量 S0已知時(shí)

分析得到的 1938～1999 年期間紙坊溝流域各類土地利用面積數(shù)據(jù)詳見表 5-1。圖5-1 為紙坊溝流域 1938、1958、1975、1978、1987、1990、1995、1999 年土地利用圖【237】。從表 5-1 和圖 5-1 可以看出，在 1938 年以來的 60 多年里，隨著時(shí)間的推移，紙坊溝流域的土地利用發(fā)生了很大的變化，特別是從 1975 年開始開展水土保持綜合治理以后更

西安理工大學(xué)博士學(xué)位論文個(gè)山川秀美的西北地區(qū)”這一宏偉目標(biāo)，以退耕還林換草為主要措施的生態(tài)環(huán)境建設(shè)必將對黃土高原地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、植被生長和分布模式、不同植被類型的時(shí)空分布特征以及未來變化趨勢產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，進(jìn)而對黃土高原的水土流失環(huán)境起到重大的改善作用。為了使目前的生態(tài)環(huán)境建設(shè)建立在一個(gè)科學(xué)、合理的基礎(chǔ)上，并使決策部門對其未來的發(fā)展趨勢有一個(gè)清晰的了解，需要對黃土高原未來植被覆蓋的變化進(jìn)行分析。6.1.1 研究方法依據(jù)植被分布的地帶性特征及降雨量的分布規(guī)律，將黃土高原 44.2 萬 km2的水土流失面積劃分為 5 個(gè)植被帶【244，245】（見表 6-1）；將黃土高原按水系劃分為 40 個(gè)支流片的基礎(chǔ)上，將支流片分布圖與上述 5 個(gè)植被帶在 GIS 平臺上進(jìn)行疊加得到各支流片在不同植被帶的分布，共 93 個(gè)子單元（見圖 6-1）。將每個(gè)子單元的土地利用類型劃分為有林地、灌叢林地、疏林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地和退耕還林地等 7 種（劃分標(biāo)準(zhǔn)見表 6-2）。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同植被帶內(nèi)的不同植被類型的演替規(guī)律，建立了植被覆蓋度與植被生長年限之間的回歸關(guān)系。

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本文編號：2805979