黄土高原丘陵沟壑区典型流域植被—侵蚀动力学过程研究

论文摘要

土壤侵蚀产沙,尤其是降雨径流引发的水力侵蚀产沙,是目前全球面临的最大环境问题之一。在中国,仅水力侵蚀面积一项就超过国土总面积的1/6。本论文以黄土高原为研究对象,旨在构建一个能模拟自然因素和人为因素共同作用下植被覆盖度和侵蚀动态变化情况的模型,为黄土高原水土保持、泥沙治理及生态环境建设提供科学决策依据,并能丰富和完善水土保持的定量化研究。论文的主要研究成果如下:本论文采用3S技术,运用统计理论及非线性科学的相关方法,以黄土高原具有长期实验基础的吕二沟、罗玉沟、桥子东沟及桥子西沟等流域的降雨、径流和泥沙20多年的实测资料为数据背景,进行系统分析,研究了流域降水、径流和泥沙在不同土地利用下的尺度分异规律,利用植被覆盖度与侵蚀模数之间的动态变化关系,在植被-侵蚀动力学模型的基础上,把尺度分析规律与植被-侵蚀动力学模型相结合,首次把降雨和径流等自然因素引入植被-侵蚀动力学模型,进一步完善和丰富了模型的应用范围。综合分析了自然因素和人为因素共同作用下,植被覆盖度和侵蚀的动态变化情况,提高植被-侵蚀动力学模型的模拟精度达76%。本论文研究结果表明:1.流域水土保持措施实施后,通过合理调整土地利用类型的空间分布格局,改变原来的土地利用类型,流域植被条件改善,林草面积增加,植被覆盖率增加对产流产沙具有一定的抑制作用,有利于防治流域严重水土流失。多年降水资料分析结果表明,三个流域降水的年内分布以5～10月份最多,占全年总降水量的81%左右,其中7、8两个月的降水量最大,11月至翌年2月的降水量最少。产沙量在5～10月份最大,占全年总量的90%以上。2.月产沙量与月降雨量和径流量之间具有较好的二元一次线性关系;月产输沙量与月降雨量和月径流量单因子之间,具有较好的幂函数关系。3.同一土地利用时期下,同一雨强范围内对场降雨的结果是:产沙量与径流量之间以及平均降雨强度较大的情况下,场径流量与产沙量之间呈幂函数关系;产沙量与降雨量、径流量三者之间存在二元一次线性关系。4.同雨强下不同土地利用时期的产流和产沙有如下规律:无论大雨强还是小雨强下,土地利用方式调整后其产流量比调整初期的要小;同雨强、同样的径流量下,土地利用方式调整后的产沙量较调整初期的要小。5.引入降雨、径流等自然因素的改进后的植被-侵蚀动力学模型,可以更好的模拟黄土高原植被覆盖度及侵蚀模数演变过程,改进后的植被-侵蚀动力学模型的应用,使得模型的计算值,尤其是侵蚀模数的计算值更接近实测值,从而为改进后的植被-侵蚀动力学模型应用于实际流域模拟提供了理论基础。6.通过研究空间尺度、植被、降雨、工程措施和土地利用结构变化下三个典型小流域的植被-侵蚀动力学过程,可以看出,随着流域面积增大,影响径流和输沙的因子在增多,其影响程度的贡献率也在增大。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 1 土地利用/土地覆被变化、流域侵蚀产沙模型研究进展和发展趋势
• 1.1 土地利用/土地覆被变化
• 1.1.1 土地利用动态研究
• 1.1.2 土地覆被动态研究
• 1.2 土地利用格局与土壤侵蚀
• 1.3 流域侵蚀产沙模型研究
• 1.3.1 经验统计模型
• 1.3.1.1 坡面土壤侵蚀经验模型
• 1.3.1.2 流域土壤侵蚀经验模型
• 1.3.2 土壤侵蚀物理成因模型
• 1.3.2.1 坡面土壤侵蚀物理成因模型
• 1.3.2.2 流域土壤侵蚀物理成因模型
• 1.4 存在的问题与发展趋势
• 2 研究流域自然概况和试验流域基本情况
• 2.1 地形地貌
• 2.2 土壤状况
• 2.2.1 罗玉沟土壤
• 2.2.2 吕二沟土壤
• 2.2.3 桥子沟（东沟、西沟）
• 2.3 气象与水文
• 2.4 植被
• 2.5 土壤侵蚀
• 2.6 社会经济情况
• 2.7 人类经济活动对土壤侵蚀的影响
• 2.8 流域历史研究工作简况
• 3 主要研究方法
• 3.1 研究目标
• 3.2 研究内容
• 3.3 技术路线
• 3.4 研究方法
• 3.4.1 流域降雨、径流、泥沙资料收集与整理
• 3.4.2 流域土地利用类型调查与分析
• 3.4.3 基于GIS 的数据处理方法
• 3.4.3.1 空间信息预处理
• 3.4.3.2 属性信息数据的预处理
• 3.4.3.3 图形矢量化——建立空间信息库
• 3.4.4 基于DEM 的流域地貌指数获取
• 3.4.5 资料获取及数据处理方法
• 4 流域侵蚀产沙与影响因子分析
• 4.1 流域土地利用结构变化分析
• 4.1.1 吕二沟流域土地利用结构变化
• 4.1.2 罗玉沟流域土地利用结构变化
• 4.1.3 桥子沟流域土地利用结构变化
• 4.2 流域降水量的分布规律研究
• 4.2.1 流域降雨量的年际分布规律
• 4.2.2 降水量的年内分布规律
• 4.2.3 年产流规律
• 4.3 典型流域降雨径流产沙变化规律
• 4.3.1 吕二沟流域降雨径流产沙变化规律
• 4.3.1.1 吕二沟流域降雨径流产沙年际变化
• 4.3.1.2 吕二沟流域降雨径流产沙年内变化
• 4.3.1.3 吕二沟流域次降雨径流产沙关系
• 4.3.2 罗玉沟流域降雨径流产沙变化规律
• 4.3.2.1 罗玉沟流域降雨径流产沙年际变化
• 4.3.2.2 罗玉沟流域降雨径流产沙年内变化
• 4.3.2.3 罗玉沟流域次降雨径流产沙关系
• 4.3.3 桥子沟流域降雨径流产沙变化规律
• 4.3.3.1 桥子沟流域降雨径流产沙年际变化
• 4.3.3.2 桥子沟流域降雨径流产沙年内变化
• 4.3.3.3 桥子沟流域次降雨径流产沙关系
• 4.4 流域森林植被变化对侵蚀产沙影响比较
• 4.5 小结
• 5 植被－侵蚀动力学模型及其改进
• 5.1 植被－侵蚀动力学模型
• 5.1.1 植被－侵蚀动力学线性模型
• 5.1.1.1 植被、土壤侵蚀及生态应力
• 5.1.1.2 植被－侵蚀动力学模型
• 5.1.2 植被－侵蚀动力学非线性模型
• 5.1.3 植被－侵蚀动力学模型在典型流域的应用
• 5.2 植被－侵蚀动力学模型改进
• 5.2.1 改进后模型形式
• 5.2.2 模型验证
• 5.2.2.1 模型参数的确定
• 5.2.2.2 模型计算
• 5.2.3 改进后模型在典型小流域的应用
• 5.2.3.1 流域参数取值
• 5.2.3.2 小流域应用
• 5.3 小结
• 6 典型流域植被－侵蚀动力学过程分析
• 6.1 空间尺度影响
• 6.1.1 不同空间尺度的土壤侵蚀模型
• 6.1.2 植被－侵蚀动力学模型空间尺度效应
• 6.2 植被变化
• 6.2.1 植被的防蚀作用
• 6.2.2 植被影响下的侵蚀变化
• 6.3 降雨
• 6.3.1 降雨的力学特性
• 6.3.2 降雨对侵蚀的动力学影响
• 6.4 工程措施
• 6.4.1 淤地坝减蚀功能
• 6.4.2 淤地坝效益分析
• 6.5 土地利用结构变化
• 6.5.1 土地利用变化与土壤侵蚀
• 6.5.2 典型流域土地利用变化
• 6.6 小结
• 7 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 个人简介
• 在读期间获得成果目录清单
• 导师简介
• 致谢