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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。