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《中国地质大学(北京)》 2017年
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桑干河上游流域径流泥沙对气候要素与土地利用变化的响应研究

张灵  
【摘要】:黄土高原区是我国典型的生态环境脆弱带,是世界上水土流失最严重的地区之一。先天脆弱的自然生态系统加之长期不适当的人类活动,导致该区水土流失、土地退化、水资源短缺等问题,生态环境不断恶化并形成恶性循环。揭示气候要素和土地利用变化对流域尺度的产流产沙的影响,找出水土流失的重点区域,对区域退耕还林(草)、生态恢复和区域可持续发展具有重要的现实意义,同时对永定河生态修复、保证首都水安全意义重大。本研究以海河流域桑干河流域上游为研究对象,分析研究区气象水文要素的历史演变规律;构建SWAT分布式水文模型,分析径流-泥沙对气候要素和土地利用变化的响应;定量识别气候要素以及人类活动对径流泥沙变化的贡献率;并进行未来水土侵蚀变化预测。此研究主要包括以下几方面研究内容:(1)基于桑干河上游流域1957~2012年气候要素(温度、降雨量)和水文要素(径流量)的观测资料,利用线性分析法、Mann-Kendall分析法和小波分析法,对各气候水文要素的年度、季度分布规律及变化趋势进行分析。结果表明,流域过去60年间,年平均气温上升1.6°C,春季、冬季增温较为显著;年平均径流量下降速率为-1.3 mm yr-1,春季、夏季、秋季明显降低;气候水文要素均呈现出32年的主周期性变化。基于线性回归法,分离出流域气候要素变化和人类活动对径流量下降的贡献率分别为37.3%和62.7%。(2)利用ENVI解译得到研究区1986、2000、2012年3期土地利用现状图,结合ArcGIS以及Fragstats软件分析功能,分析土地利用结构、土地利用转移等变化规律;构建Ann_Markov_CA模型预测未来土地利用模式。表明,1986~2012年间,耕地减少程度明显,建设用地与未利用地显著增加,流域整体土地利用变化态势呈弱平衡型转换;2030年耕地持续减少,林草地面积增加,建设用地、未利用地减少。(3)构建SWAT分布式水文模型,基于实测的径流和泥沙数据,利用SWAT-CUP模型SUFI-2方法进行模型参数率定和模型校正。结果表明,SWAT模型径流模拟效果在研究区的适用性较好;单因素变化法得证,气候要素变化导致径流量减少39.1%。而人类地下水超采、引灌、水库管理等是桑干河干涸的主要原因,约占63.1%~64.8%,土地利用变化导致总径流增加2.2~3.9%、年输沙总量增加6.9%;(4)利用WRF区域气候模式,基于CMIP5计划中的MIROC5气候模拟结果,运用动力降尺度方法生成研究区30 km分辨率的未来气候模式,完成未来研究区的径流-泥沙演变规律预测。结果表明,2015~2030年间,流域年平均温度下降、降雨量增加、流域径流量和泥沙产量的增加。
【关键词】:气候要素 土地利用 SWAT模型 径流-泥沙 预测
【学位授予单位】:中国地质大学(北京)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P333;F301.2
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-12
  • 第1章 绪论12-33
  • 1.1 选题背景与意义12-14
  • 1.2 国内外研究进展14-26
  • 1.2.1 气候变化对水资源的影响14-19
  • 1.2.2 土地利用变化对水文响应研究进展19-25
  • 1.2.3 矿区开采对区域水土流失的影响25-26
  • 1.3 存在问题及发展趋势26-28
  • 1.3.1 存在问题26-27
  • 1.3.2 发展趋势27-28
  • 1.4 研究内容及技术路线28-33
  • 1.4.1 研究内容28-29
  • 1.4.2 研究思路与技术路线29-33
  • 第2章 研究区概况33-43
  • 2.1 自然地理概况33-37
  • 2.1.1 地理位置及地形地貌33-34
  • 2.1.2 气候与水文34-35
  • 2.1.3 土壤与植被35-37
  • 2.2 社会经济概况37-38
  • 2.2.1 社会经济发展37
  • 2.2.2 桑干河流域生态环境现状37-38
  • 2.2.3 桑干河流域水土保持及生态建设38
  • 2.3 桑干河上游流域径流-泥沙变化驱动因子38-41
  • 2.3.1 气候变化驱动因子39
  • 2.3.2 人类活动驱动因子39-41
  • 2.4 本章小结41-43
  • 第3章 桑干河上游流域水文气象要素历史演变规律分析43-65
  • 3.1 流域水文气象要素资料搜集43-45
  • 3.2 水文气象序列趋势变化分析方法45-51
  • 3.2.1 线性倾向估计45-46
  • 3.2.2 Mann-Kendall非参数统计检验法46-47
  • 3.2.3 小波周期分析方法47-49
  • 3.2.4 Mann-Kendall突变检验法49-50
  • 3.2.5 双累积曲线法50
  • 3.2.6 有序聚类法50-51
  • 3.3 桑干河上游流域水文气候要素演变规律分析51-63
  • 3.3.1 气象水文要素趋势性分析51-57
  • 3.3.2 气象水文要素周期变化57-60
  • 3.3.3 气象要素变化对径流量的影响60-61
  • 3.3.4 气象水文要素时间序列划分61-63
  • 3.4 本章小结63-65
  • 第4章 桑干河上游流域土地利用/覆被变化的水文响应65-92
  • 4.1 数据获取与研究方法65-70
  • 4.1.1 数据来源65-66
  • 4.1.2 研究方法66-70
  • 4.2 径流小区实验70-76
  • 4.2.1 不同植被覆被下的径流响应70-73
  • 4.2.2 不同植被覆被下的土壤侵蚀响应73-76
  • 4.2.3 黄土丘陵区径流小区实验76
  • 4.3 桑干河流域土地利用/覆被演变特征76-84
  • 4.3.1 土地利用结构变化的时间特征76-80
  • 4.3.2 土地利用动态转移过程80-82
  • 4.3.3 土地利用景观格局动态分析82-84
  • 4.4 桑干河流域未来土地利用预测84-90
  • 4.4.1 Ann-Markov-CA模型的构建84-87
  • 4.4.2 模型精度检验87-88
  • 4.4.3 研究区2030年土地利用预测与分析88-90
  • 4.5 本章小结90-92
  • 第5章 基于SWAT模型的桑干河上游流域分布式水文模拟92-134
  • 5.1 SWAT模型介绍92-103
  • 5.1.1 SWAT模型的结构93-99
  • 5.1.2 SWAT模型的运行99-100
  • 5.1.3 SWAT模型参数敏感性分析与参数率定100-102
  • 5.1.4 模型模拟结果评价102-103
  • 5.2 桑干河上游流域SWAT模型构建103-107
  • 5.2.1 DEM数据104
  • 5.2.2 土壤数据104-107
  • 5.2.3 其他数据107
  • 5.3 桑干河上游流域子流域划分以及水文响应单元确定107-110
  • 5.4 基于SWAT的桑干河上游流域径流模拟110-120
  • 5.4.1 SWAT模型运行110
  • 5.4.2 径流模拟参数的率定与验证110-112
  • 5.4.3 径流模拟参数敏感性分析112-113
  • 5.4.4 气候要素和土地利用变化对径流的影响113-120
  • 5.5 基于SWAT的桑干河上游流域泥沙模拟120-132
  • 5.5.1 泥沙模拟参数的率定与验证120-121
  • 5.5.2 泥沙模拟参数敏感性分析121-122
  • 5.5.3 不同土地利用情景下土壤侵蚀的空间分布122-129
  • 5.5.4 不同气候情景下土壤侵蚀的空间分布129-132
  • 5.6 本章小结132-134
  • 第6章 桑干河上游流域未来径流泥沙演变预测134-144
  • 6.1 未来气候模式预测134-138
  • 6.1.1 未来气候模式、资料与方法134-135
  • 6.1.2 未来温度、降水变化趋势135-138
  • 6.2 未来气候和土地利用模式下的径流-泥沙预测138-140
  • 6.3 流域水土流失防控措施与建议140-142
  • 6.4 本章小结142-144
  • 第7章 结论与讨论144-147
  • 7.1 结论144-145
  • 7.2 创新点145
  • 7.3 不足与展望145-147
  • 参考文献147-156
  • 致谢156-159
  • 附录159-162
  • 作者简介162
  • 发表论文162-163
  • 科研项目经历163

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