黄土丘陵沟壑区流域水沙动态及其对变化环境的响应
胡晋飞
Subtype博士
Thesis Advisor穆兴民
2020-05-23
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心
Degree Name农学博士
Degree Discipline土壤学
Keyword径流 输沙 水沙关系 水沙调控 洪水
Abstract

近几十年来,随着黄土高原大规模水土保持措施与生态恢复工程的实施,黄河水量沙量锐减,水沙情势巨变。厘清不同时空尺度水沙对变化环境的响应不仅有利于深入理解高度治理下的河流径流输沙动态特征,而且可为水土保持规划及区域生态治理提供科学依据。本研究以黄土丘陵沟壑区西川河流域为例,基于流域逐日降雨及水沙资料,采用多种时间序列统计方法,分析流域不同时间尺度降雨、径流、输沙的演变特征,定量评估降雨及人为因素对流域水沙变化的贡献率;筛选1974-1989年与2007-2013年间112场次洪水事件,基于洪水径流深、洪水历时、洪峰流量三个表征洪水产流输沙特征的指标,综合采用聚类分析和判别分析方法划分不同洪水类型,探究不同洪水类型输沙规律及水沙关系特征。同时,提出了“相似洪水事件法”,量化人类活动对流域径流及输沙减少的贡献率。最后,采用野外人工降雨模拟试验,探究坡面尺度产流产沙对不同植被盖度的响应,量化坡面不同植被组分的减水减沙效应,揭示坡面植被恢复的水沙调控效应。主要研究结论如下:

1西川河年际尺度径流及输沙量减少的主要驱动因素为人类活动,而降雨变化所造成的影响相对较低西川河流域多年年降雨量并无显著的增加或减少趋势,但年径流量和输沙量均呈显著的下降趋势(P < 0.05);在流域降雨量并未出现显著突变年份情况下,西川河径流量、输沙量时间序列均于1996年发生突变。人类活动对西川河径流量和输沙量减少的贡献率分别为82.0%87.9%,而降雨变化的贡献率分别为18.0%12.1%

2)揭示了西川河径流及输沙量的年内变化特征及其对水土保持措施的响应。流域基准期(1974-1995)与变化期(1996-2012)月均径流量和输沙量的年内分配特征均呈现单峰”分布,最高值出现于七月汛期不同月份径流及输沙量在水土保持措施实施后均有明显降低,而汛期径流输沙量在年内的占比并未发生显著变化;随着流域水土保持措施的实施,流域日尺度水沙关系发生了改变;1974-2012年间,年内日最大流量、输沙率以及含沙量均呈显著下降趋势。相比于基准期,变化期历年日最大流量、输沙率以及含沙量的平均值分别下降了37.3%42.6%18.1%1974-1995年间,西川河极端日流量最优分布为Ln 3分布,其5 年、10 年、25 年、50 年、100 年一遇的年极端日流量分别为63.5 m3·s-190.7 m3·s-1132.1 m3·s-1168.0 m3·s-1208.4 m3·s-11996-2012年间,极端日流量的最优分布函数为Wakeby分布,其5 年、10 年、25 年、50 年、100 年一遇的年极端日流量分别为25.1 m3·s-128.6 m3·s-134.5 m3·s-141.5 m3·s-152.1 m3·s-1,同一级别重现期日流量水平较上一时段明显降低。

3)基于WASA_SED模型分析了不同降雨情景下流域产流量的变化特征。采用1988-1991年西川河流域逐日流量资料对WASA_SED模型进行率定与验证,日流量模拟结果的纳什系数ENS和决定系数R2均超过了0.6表明模拟结果满足精度要求,可用于流域日尺度径流过程的模拟。保持其余输入因子不变,设置四种降雨情景(降雨量增加5%、降雨增加10%、降雨量减少5%、降雨量减少10%),定量评估不同降雨情景下流域产流量的变化。模型模拟结果表明,相比于实测降雨量条件下流域年均径流深的模拟值,当降雨增量分别为5%10%时,流域产流量分别增加22.8%35.2%。当降雨量分别减少5%10%时,流域产流量分别降低13.8%31.0%

4)揭示不同类型洪水的水沙动态特征及洪沙输移效应。综合采用K-medoids聚类分析和判别分析方法将西川河流域112场次洪水划分为 4种类型。不同洪水类型产沙量差异较大A型、B型、C型及D型洪水对西川河输沙总量的贡献率分别为24.5% (1.48×107 t)11.2% (6.77×106 t)21.4% (1.29×107 t)42.9% (2.59×107 t)。其中,A型与C型洪水次洪平均输沙量显著高于其余两类洪水,是流域治理需重点关注的洪水类型。流域主要滞回曲线类型为逆时针滞回曲线与“8”字形滞回曲线,其中,A类型洪水均呈复合型滞回曲线,C类型洪水亦多呈现复合型滞回曲线,B类型洪水以逆时针滞回曲线为主,D类型洪水多为“8”字滞回曲线。此外,相比于基准期,变化期复合型滞回曲线的占比明显降低,而逆时针滞回曲线的占比有所提高。

5提出相似洪水事件法用于量化人类活动对流域径流输沙减少的贡献率。以西川河流域112场次洪水事件为样本,通过阈值设定,共筛选出八组具有相似降雨条件的洪水进行对比分析,结果表明人类活动对西川河径流量减少的贡献率介于20%79%之间,平均贡献为47.0%,人类活动对输沙量减少的贡献为55%-95%,平均值为81.0%

6)随坡面植被覆盖度的提升,产流率与产沙率均呈现下降趋势,草被盖度与产流率间呈线性函数关系,而草被盖度与产沙率间呈指数函数关系。不同雨强条件下,随坡面植被盖度提升,初始产流时间均逐渐延长1.5 mm·min-1雨强下, 20%40%60%90%盖度坡面相比于裸土坡面的减水效应分别为24%36%53%79%,减沙效应分别为37%73%78%94%2.0 mm·min-1雨强下,20%40%60%90%盖度坡面相比于裸土坡面的减水效应分别为17%28%37%71%,减沙效应分别为27%67%78%89%,相同植被盖度的减沙效应高于其减水效应。

7)草被枯落物层对坡面径流的拦蓄作用最强,而根系对坡面减沙的贡献最大。不同雨强条件下,原状草坡的初始产流时间均最长,去除枯落物坡面的初始产流时间次之,裸土坡面初始产流时间最短。1.5 mm·min-1雨强下,枯落物层、植被茎叶以及植被根系的减流效益分别为26%7%12%,减沙效益分别为36%3%51%2.0 mm·min-1雨强下,枯落物层、植被茎叶以及植被根系的减水效益分别为17%10%11%,减沙效益分别为30%7%51%

Subject Area土壤学
MOST Discipline Catalogue农学::农业资源与环境
Table of Contents

 

.... I

Abstract. IV

1 绪论.... 1

1.1 研究背景与意义... 1

1.2 国内外研究进展... 2

1.2.1 径流输沙量变化特征及其影响因素辨析... 3

1.2.2 次洪过程水沙动态规律研究... 7

1.2.3 坡面植被恢复的水沙调控效应研究... 10

1.2.4 目前研究的不足与存在的问题... 13

2 研究内容与技术路线.... 14

2.1 研究区概况... 14

2.2 数据来源与处理... 15

2.2.1 数据来源... 15

2.2.2 数据处理... 16

2.3 研究目标与内容... 17

2.3.1 研究目标... 17

2.3.2 研究内容... 17

2.4 技术路线... 18

3 西川河径流及输沙量年际分异规律.... 20

3.1 研究方法... 20

3.1.1 Mann-Kendall趋势分析... 20

3.1.2 Pettitt突变检验... 21

3.1.3 经验模态分解法... 22

3.1.4 距平累积阶段划分法... 23

3.1.5 降雨和人类活动对径流及输沙量的影响评价... 24

3.2 结果与分析... 26

3.2.1 降雨、径流及输沙量的年际变化趋势... 26

3.2.2 降雨、径流及输沙量突变分析... 27

3.2.3 降雨、径流及输沙量阶段性特征... 27

3.2.4 降雨、径流及输沙量周期规律... 29

3.2.5 径流及输沙量变化的驱动因素... 33

3.3 讨论... 36

3.3.1 流域产流产沙特征... 36

3.3.2 径流和输沙量变化归因分析... 36

3.4 小结... 37

4 西川河径流及输沙量年内变化... 39

4.1 研究方法... 39

4.1.1 流量历时曲线... 39

4.1.2 重现期计算... 39

4.1.3 WASA_SED水文模型... 41

4.2 结果与分析... 45

4.2.1 径流及输沙量季节变化特征... 45

4.2.2 日径流及输沙量变化特征... 47

4.2.3 日水沙关系变化... 48

4.2.4 日最大径流及输沙特征值对水土保持措施的响应... 49

4.2.5 年极端日流量重现期... 50

4.2.6 基于WASA_SED模型的流域日流量模拟... 52

4.3 讨论... 55

4.4 小结... 57

5 西川河次洪过程径流及输沙特征... 59

5.1 研究方法... 59

5.1.1 聚类分析... 59

5.1.2 滞回曲线... 60

5.2 结果与分析... 60

5.2.1 洪水产流输沙特征... 60

5.2.2 洪水类型划分... 62

5.2.3 不同洪水类型水沙关系... 64

5.2.4 不同洪水类型洪沙输移特征... 65

5.2.5 洪水流量与含沙量滞回关系... 65

5.3 讨论... 69

5.3.1 洪水过程水沙动态特征... 69

5.3.2 不同类型洪水的输沙效应... 72

5.4 小结... 73

6 洪水径流及输沙过程对环境变化的响应... 75

6.1 研究方法... 75

6.1.1 相似洪水事件的筛选... 75

6.1.2 水土保持措施对洪水径流及输沙的影响... 76

6.2 结果与分析.... 77

6.2.1 流域覆被变化... 77

6.2.2 流域淤地坝建设状况... 78

6.2.3 次洪径流输沙特征对变化环境的响应... 79

6.2.4 次洪水沙关系对变化环境的响应... 80

6.2.5 人类活动对径流量和输沙量减少贡献分析... 82

6.2.6 人类活动对流域洪水过程的影响... 84

6.3 讨论... 86

6.3.1 洪沙产输动态及其驱动因素分析... 86

6.3.2 相似洪水事件法的应用... 87

6.4 小结... 88

7 坡面植被恢复的水沙调控效应... 90

7.1 材料与方法... 90

7.1.1 样地选择... 90

7.1.2 试验设计与观测... 91

7.1.3 数据处理与分析... 96

7.2 结果与分析... 96

7.2.1 原状草坡与根系坡面产流产沙及入渗特征分析... 97

7.2.2 不同植被盖度下坡面降雨径流侵蚀产沙特征分析... 101

7.2.3 不同植被组分对坡面降雨径流侵蚀产沙的影响... 108

7.3 讨论... 114

7.3.1 不同盖度植被的水沙调控效应... 114

7.3.2 植被不同组分的水沙调控效应... 115

7.4 小结... 117

8 结论... 119

8.1 主要结论... 119

8.2 有待进一步研究的问题... 121

参考文献... 122

个人简介... 138

Pages157
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.iswc.ac.cn/handle/361005/9193
Collection水保所2018--2020届毕业生论文(学位论文、期刊论文)
中国科学院水利部水土保持研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
胡晋飞. 黄土丘陵沟壑区流域水沙动态及其对变化环境的响应[D]. 中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心. 中国科学院大学,2020.
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