小理河流域徑流泥沙對氣候和土地利用變化的響應研究.pdf

1、研究氣候變化和人類活動對流域水沙變化的影響，不但為流域水沙災害的預警提供理論支持，也為科學評價生態(tài)建設的環(huán)境效應提供重要科學依據(jù)。本論文針對當前極端降水變化和土地利用空間格局對流域水沙影響研究的不足，以黃河中游黃土丘陵溝壑區(qū)小理河流域為研究區(qū)，采用滑動平均、距平分析、Sen斜率估計法、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗和突變點檢驗法等，分析了小理河流域1959-2013年極端降水、極端氣溫、徑流、泥沙的動態(tài)變化特征;利用GIS技術和土地

2、利用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用動態(tài)度、空間自相關格局分析、景觀格局分析等方法，分析了小理河流域1990年以來土地利用的時空過程、土地利用空間自相關格局、土地利用景觀格局的時空變化及其隨地形變化的空間分異特征;基于對徑流和泥沙突變點檢驗，篩選了影響流域徑流和輸沙的最優(yōu)極端降水指標，利用雙累積曲線法和回歸分析法量化了極端降水變化和人類活動對流域徑流泥沙變化的貢獻率;在對SWAT模型參數(shù)率定和模型驗證的基礎上，通過輸入不同的土地利用和氣候情景，探討流

3、域徑流泥沙對土地利用景觀格局變化的響應機制，并定量研究流域徑流泥沙對氣候變化、土地利用變化和其他人類活動的響應特征。主要研究結論如下:
　　(1)55a間，年、汛期、春季、夏季、秋季降水量皆呈不顯著減少趨勢，而冬季降水量呈不顯著增加趨勢。17個極端降水指標（R10、R20、R50、R10p、R20p、R50p、R1d、R5d、SDII、R90p、R90t、R95p、R95t、R99p、R99t、CDD、CWD）中，僅最長連續(xù)干旱天

4、數(shù)CDD和平均降水強度SDII呈不顯著增加趨勢，而其他15個極端降水指標均呈不顯著減少趨勢。年和四季平均氣溫均呈增加趨勢，其中，年、春季、冬季氣溫呈顯著增加趨勢。16個極端氣溫指標中，冷指標(FD、ID、TN10p、TX10p、TNn、CSDI)呈減少趨勢，其中ID、TX10p、TN10p呈顯著減少趨勢;暖指標(TR、HD、SU、TN90p、TX90p、TNx、TXn、TXx、WSDI和DTR)呈增加趨勢，其中SU、DTR、HD、TN9

5、0p呈顯著增加趨勢，說明流域變暖趨勢明顯。
　　(2)流域各土地利用類型都表現(xiàn)出全局空間正自相關特性，但空間正自相關性隨著距離的增加而逐漸減弱。土地利用類型存在不同的局部空間聚集或異常特征，局部聚集區(qū)隨高程、坡度和坡向的變化呈現(xiàn)空間分異。從1990年到2009年，流域景觀格局破碎化程度增高，景觀形狀趨于復雜化，景觀類型趨于多樣化，景觀異質(zhì)性增加。景觀格局指數(shù)與高程、坡度和坡向有顯著的相關性。
　　(3)55a間，流域年、汛期

6、徑流量和輸沙量呈極顯著減少趨勢，年和汛期徑流量年均減少量分別為29.13×104m3和18.6×104m3，年和汛期輸沙量年均減少量分別為6.33×104t和6.49×104t。1970年為小理河流域徑流泥沙變化的突變年。據(jù)此，將整個研究時段劃分為兩個時期:1959-1970年基準期（天然情景期）和1971-2013年措施期。與基準期相比，措施期年和汛期徑流量分別減少近40％和50％，年和汛期輸沙量分別減少近72％。在基準期，流域徑流量

7、和輸沙量與降水量、汛期降水量和16個極端降水指標之間相關系數(shù)變化于0.28～0.9之間，而在措施期流域徑流量和輸沙量與各降水指標之間相關系數(shù)變化于0.18～0.62之間;說明在基準期徑流量、輸沙量受降水影響較大，而在措施期徑流量、輸沙量受到降水和人類活動二者共同影響。在基準期、措施期和整個研究期，R90p（大于1961-1990年90％分位值的降水量總量）是各降水指標中與徑流量、輸沙量相關性最好的降水指標。
　　(4)以R90p作

8、為表征極端降水的最佳降水指標，評估了極端降水變化和人類活動對流域徑流泥沙變化的貢獻率。結果表明，在20世紀70、80年代和1999-2013年，人類活動是影響流域徑流泥沙變化的主要因素，人類活動對徑流量減少的貢獻率分別為57.3％、62.1％和75.4％，人類活動對輸沙量減少的貢獻率分別為91.8％、92.9％和90.3％，人類活動對輸沙量的影響大于其對徑流量的影響。而在1990-1998年，極端降水變化是影響流域徑流泥沙變化的主要因素

9、，R90p對徑流量、輸沙量減少的貢獻率分別為78.2％和57.9％，極端降水變化對徑流量的影響大于其對輸沙量的影響。
　　(5)構建了適用于小理河流域的SWAT模型參數(shù)庫，通過模型參數(shù)敏感性分析、率定和模型精度驗證，模擬效果評價指標R2、NSE和PBAIS分別在0.84～0.89、0.80～0.86和-7.6％～2.3％之間，說明模型模擬效果較好?；诼识ǖ腟WAT模型，輸入不同的土地利用和氣候情景，分析了流域土地利用景觀格局變化

10、對徑流和泥沙的影響，評估了氣候變化、土地利用變化和其他人類活動對流域徑流泥沙變化的貢獻率。結果表明:流域土地利用景觀格局顯著影響流域徑流和輸沙。流域徑流量和輸沙量與斑塊數(shù)量、斑塊密度、景觀形狀指數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)呈顯著正相關，而二者與最大斑塊面積比例、斑塊凝聚度、斑塊蔓延度和香農(nóng)均勻度指數(shù)呈顯著負相關。以1971-1998年為基準，1999-2013年氣候變化和土地利用變化對徑流減少的貢獻率分別為29.8％和70.2％，對輸沙量減少的貢