【摘要】：黃河水沙變化一直是備受關(guān)注的熱點。近年來,受氣候變化和人類活動的影響,黃河水沙銳減,導(dǎo)致河道萎縮,斷流現(xiàn)象頻發(fā)。定量評價黃河水沙變化特征與驅(qū)動因素,對黃河水沙的科學(xué)調(diào)控、流域綜合管理與區(qū)域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。黃河河口鎮(zhèn)—龍門區(qū)間是黃河中游暴雨洪水多發(fā)區(qū)和泥沙主要來源區(qū),是黃河流域水土保持生態(tài)建設(shè)重點區(qū)。自20世紀(jì)80年代以來,河口鎮(zhèn)—龍門區(qū)間徑流量和輸沙量大幅減少,水沙關(guān)系發(fā)生顯著變化。本研究系統(tǒng)分析河口鎮(zhèn)—龍門區(qū)間水沙變化特征,并選擇典型支流—皇甫川流域為研究對象,采用Mann-Kendall趨勢檢驗法、Pettitt突變檢驗法、水文法和彈性系數(shù)法研究了皇甫川流域1954—2012年降水、徑流、輸沙的演變特征,定量評價人類活動和降水變化對流域水沙的貢獻(xiàn)率;同時采用SWAT水文模型評價了氣候變化、土地利用/覆被和壩庫工程對流域水沙的影響程度,并選取流域內(nèi)的黃家溝淤地壩研究其淤積特征,并結(jié)合降水資料,計算了黃家溝小流域的侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度,用與模型模擬結(jié)果對比驗證。主要研究結(jié)論如下:(1)明確了黃河河口鎮(zhèn)—龍門區(qū)間徑流和輸沙量變化特征及對降水和人類活動的響應(yīng)。河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間56年(1957—2012年)來徑流量和輸沙量均呈顯著減小趨勢,分別以每年1.101億m3和0.195億t的速度減少;徑流量和輸沙量以1979年為臨界年份發(fā)生突變性減少,但年降水量并未發(fā)生顯著突變;人類活動是導(dǎo)致降水—徑流、降水—輸沙關(guān)系變化的主要原因,其對區(qū)間徑流量、輸沙量減少的貢獻(xiàn)率分別為79.2%和88.1%。(2)皇甫川流域1954—2012年降水、徑流和輸沙量年內(nèi)分配極不均勻,降水集中期變化比較穩(wěn)定,方位角變化范圍為195.85°~234.54°,主要集中在7、8月份,多年平均不均勻系數(shù)為1.26;受降水影響,流域徑流量和輸沙量年內(nèi)分配也主要集中在7、8月份。皇甫川流域在年降水量未發(fā)生顯著變化的情況下,徑流量和輸沙量呈顯著減少趨勢,徑流量于1984年發(fā)生突變,輸沙量于1989年發(fā)生突變。人類活動依然是皇甫川流域水沙減少的主要因素,通過彈性系數(shù)法計算的徑流對降水變化的敏感性為1.3,降水對徑流減少的貢獻(xiàn)率為16.9%,采用水文法計算的降水變化對徑流減少的貢獻(xiàn)率為23.7%,與采用彈性系數(shù)法計算結(jié)果基本一致。(3)基于皇甫川水沙序列突變特征,采用基準(zhǔn)期1976—1984年皇甫站的月徑流輸沙數(shù)據(jù)對SWAT模型進(jìn)行率定和驗證,模型模擬徑流輸沙結(jié)果的納什系數(shù)NS和決定系數(shù)R2均超過了0.6,說明模型模擬結(jié)果滿足精度要求,能夠反映皇甫川流域水沙逐月變化過程,可進(jìn)一步評價水沙變化對氣候、土地利用/覆被和壩庫工程變化的響應(yīng)。(4)研究了皇甫川流域不同時期土地利用/覆被和壩庫工程建設(shè)動態(tài)變化。分析了1978年、1990年和2006年土地利用/覆被時空變化,1978—1990年間,耕地、居民地、林地呈增加趨勢,其中耕地增加速度最快,1990—2006年間,耕地、沙地呈減少趨勢,草地呈增加趨勢;流域淤地壩建設(shè)分為三個時期,1972年之前為初步建設(shè)試驗階段,該時期淤地壩數(shù)量僅45座,1973—2003年為發(fā)展階段,該時期淤地壩增加至303座,平均每年增加9.5座,2004—2009年為大規(guī)模建設(shè)階段,流域淤地壩數(shù)量增加了200座,平均每年增加28.6座,總庫容達(dá)5.7億m3。(5)辨析了土地利用/覆被和壩庫工程對皇甫川流域水沙變化的影響。近期(1999—2012年)人類活動對皇甫川流域徑流和輸沙量減少的貢獻(xiàn)率分別為74.6%和89.2%,與水文法計算的貢獻(xiàn)率相近;其中壩庫工程數(shù)量、庫容及攔沙量逐年增長是引起流域徑流量、輸沙量減少的主要因素,分別占人類活動引起徑流及輸沙減少量的65.7%和69.4%,未考慮壩庫的徑流量和輸沙量多年平均(1978—1984年)模擬值比考慮壩庫的模擬值分別偏高0.32億m3和0.122億t;不同時期流域土地利用/覆被變化對流域產(chǎn)流產(chǎn)沙影響不同,與1978年土地利用/覆被狀況相比,1990年和2006年土地利用/覆被條件引起流域產(chǎn)流量分別減少15.9mm和20.8mm,引起流域產(chǎn)沙模數(shù)分別減少0.43萬t/km2和0.62萬t/km2。(6)結(jié)合野外調(diào)查、實驗,對比驗證SWAT模型模擬結(jié)果。皇甫川流域下游的黃家溝小流域1974—2015年年均侵蝕產(chǎn)沙模數(shù)為1.577萬t/(km2·a),屬于劇烈侵蝕區(qū);該小流域淤地壩剖面的泥沙沉積顆粒組成中,砂粒含量最高,粘粒含量最低,剖面中值粒徑隨深度變化有增大趨勢,說明近期淤地壩攔蓄的泥沙較細(xì);2001—2012年皇甫川流域模擬多年平均產(chǎn)沙模數(shù)為1.854萬t/(km2·a),而通過野外剖面采樣計算的黃家溝小流域的多年平均產(chǎn)沙模數(shù)為1.551萬t/(km2·a),模擬值與實測值的偏差為19.5%,模擬結(jié)果比實測值偏高。
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【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】：2016
【分類號】：S157
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本文編號：2345035