黄土高原蒲河流域水沙时空变化及其对人类活动的响应研究

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黄土高原是黄河泥沙的主要来源,近年来,受人类活动和气候变化的影响,黄河水沙锐减,断流现象频发,是研究者们关注的热点之一。定量评价黄河水沙时空变化特征及其影响因素,对保护黄河生态环境、科学引导黄土高原水土保持工作、推进黄河流域高质量发展等具有重要意义。蒲河是黄河重要支流——泾河的一级支流,也是黄河流域水土保持生态工程建设的11条重点支流之一,流域地表裸露,植被覆盖度低,水土流失严重,经综合治理工作的持续开展,蒲河水沙分布已发生显著变化。本文在黄河泾河水系——蒲河流域展开研究,采取Mann-Kendall趋势检验法、滑动t检验法、一元线性法探究蒲河流域1956-1990年径流量、输沙量演变特征,采取水文法定量分析了降水要素和人类活动对流域径流泥沙变化的影响,同时构建流域SWAT模型,模拟蒲河流域2006-2019年水文循环过程,评价模型适用程度,分析径流泥沙及其他水文要素时空演变特征及其影响因素,主要研究结论如下:(1)阐明了蒲河流域1956-1990年径流量、输沙量演变趋势及降水和人类活动对水沙变化的定量影响。径流量和输沙量多年平均分别为2.16亿m~3和4400.3万t,年际变化剧烈,变差系数分别为0.46和0.9,汛期径流量和输沙量占全年56.9%和95.5%,分析突变趋势检验结果可知,径流量、输沙量均呈显著减小趋势,突变年份均为1970年左右,在突变前后分别显著降低了25.6%和39.2%。根据降水和人类活动对径流泥沙变化的定量区分得,降水因素和人类活动分别对径流减少贡献率为49.9%和50.1%,对输沙减少量贡献率分别为54.0%和46.0%,且人类活动对径流泥沙减少量的贡献率呈增加趋势。(2)构建了蒲河流域SWAT模型,对流域2006-2019年径流泥沙进行了模拟,模拟精度较高。采用SWAT-CUP工具内置SUFI-2方法分析径流、泥沙参数敏感性,最终确定采用敏感性较高的11个径流参数和7个泥沙参数。采用相关系数(R~2)、纳什系数(Ens)、相对误差(Re)对率定期、验证期模拟结果进行评价,评价结果表明,SWAT模型对蒲河流域产汇流、产输沙过程模拟精度较高,在蒲河流域适用性良好。(3)探明了流域不同时段年平均降水量、径流深、泥沙负荷、蒸散发时空分布特征。2006-2019年蒲河流域子流域多年平均降水量415.82 mm,多年平均蒸散发306.80 mm,多年平均径流深14.72 mm,多年平均径流量27.47 m~3/s,多年平均输沙量277.79万t,多年平均泥沙负荷52.88 t/hm~2。下游支流茹河河源处多年平均降水量、径流深、蒸散发、泥沙负荷均为全流域最高。(4)阐明了蒲河流域径流泥沙的主产区,分析了水沙变化的影响因素。蒲河中游及支流(黑河)、下游支流(茹河)河源产水量较高,是蒲河流域产流的主要区域,蒲河干流河源及中下游处、中游支流(黑河)和下游支流(茹河)年泥沙负荷较高,是流域主要的产沙区域;流域多年平均降水407.0 mm,汛期降水比重73.2%,整体自西北向东南递增;土地利用变化是人类活动影响水沙变化的主要方式之一,流域草地和耕地面积占蒲河流域面积99%以上,是流域主要土地利用类型,基于土地利用空间分布数据,计算土地利用转移矩阵得,耕地和草地的相互转变是流域2006-2019年发生的主要土地利用变化类型。研究可为蒲河流域生态保护、环境治理、规划开发等提供重要参考。
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