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黄土高原是我国水土流失最严重的地区,全球气候变化和人类活动日益加剧,特别是近年来大范围退耕还林还草等水土保持措施的实施,对下垫面产生了极大影响。本研究以黄土高塬沟壑区砚瓦川流域为研究对象,采用1981-2009年流域主要气象站和水文站的实测资料以及三期(1985、1996和2009年)土地利用数据,运用数理统计分析结合RS、GIS等技术,及景观生态学方法,定性描述与定量分析相结合,建立砚瓦川流域的数字流域模型,分析气候水文要素特征和土地利用格局演变,计算流域综合治理后的减水减沙效应,并定量评估气候及人类活动因素对径流泥沙的影响,进而模拟次降雨产流并分析流域土壤侵蚀强度。论文主要研究结论如下:(1)1981-2009年砚瓦川流域年均气温呈显著上升趋势,上升幅度为0.081℃/a;四季平均气温均上升显著,上升幅度分别为0.125℃/a、0.065℃/a、0.067℃/a和0.082℃/a;1997年之前为偏冷时期,之后为偏暖时期。年极端最高气温呈显著上升趋势,上升幅度为0.094℃/a;年极端最低气温呈不显著下降趋势,下降幅度为-0.019℃/a。1981-2009年年降水呈不显著下降趋势,下降幅度为-1.521mm/a;四季中春季降水下降显著,秋季降水下降不显著,夏冬两季呈不显著上升趋势。年最大日降水量、极端降水量、极端降水频率和极端降水强度下降不显著,下降幅度分别为-0.064 mm/a、-0.864 mm/a、-0.080次/a和-0.008 mm·d-1/a;严重干旱事件增加不显著,增加幅度为0.085次/a。年降水量在空间上总体呈西高东低的态势。1981-2009年相对湿度呈不显著下降趋势,下降幅度为-0.178%/a,潜在蒸发散显著上升,上升幅度为5.672 mm/a。(2)采用1985、1996和2009年的土地利用数据,分析砚瓦川流域土地利用的时空变化特征,结果显示1985-1996年各地类相对稳定。1985-2009年林地增加程度最大,面积增加258.06%,动态度为10.75%;草地减少最多,面积减少38.22%,动态度为-1.59%;从转移矩阵上看面积转化最活跃的是林地、草地和耕地。从各地类重心变化上看,林地和草地的重心向西南方向迁移,居民地的重心向西北方向迁移,水域向西迁移。从景观角度分析土地利用景观异质性增大,景观平均程度提高,土地利用景观稳定性提高,水土流失的可能性降低。从植被覆盖上看,1981-2009年生长季NDVI呈显著上升趋势,上升幅度分别为每年0.0042。(3)1981-2009年年径流量呈显著下降趋势,变化幅度为-9.573万m3/a;汛期径流量下降趋势显著,下降幅度为-6.643万m3/a。四季中春夏两季径流量呈显著下降趋势,秋冬两季的下降趋势不显著,四季径流量下降幅度分别为-3.583万m3/a、-2.607万m3/a、-1.213万m3/a和-0.786万m3/a。1981-2009年年输沙量呈显著下降趋势,下降幅度为-2.458万t/a,汛期输沙量呈显著下降趋势,变化幅度为-2.389万t/a。四季输沙量均呈显著下降趋势,下降幅度分别为-0.736万t/a、-16.22万t/a、-0.702万t/a和-0.006万t/a。1981-2009年洪水发生频次呈显著下降趋势,大多发生在7-9月,最大洪峰多发生在7-8月。(4)采用双累积曲线等方法得到1997年为砚瓦川流域减水减沙作用明显生效的转折年,据此将整个研究时段分为两个时期,1981-1997年为基准期,1998-2009年为治理期。治理期砚瓦川水文站控制流域减水减沙效应值分别为27.2%和75.9%。治理期降雨因素有增加径流量和输沙量的作用,其平均降水量、降雨侵蚀力、极端降水量和极端降水强度较基准期分别增加2.61%、12.47%、3.19%和5.05%;而治理期下垫面状况的改善有减少径流量和输沙量的作用,其生长季NDVI值较基准期增长20.59%。在此基础上定量分析得到人类活动对减水减沙贡献率分别为108.9%和105.1%,降水对减水减沙贡献率为-8.9%和-5.1%。从1981-2009年径流深和输沙模数间的次降雨水沙关系特征上看,单位径流输沙量趋于稳定的临界径流深为3 mm;在年、次降雨时间尺度上,治理期较基准期水沙关系都变化显著,其单位径流的输沙量显著降低。(5)采用GIS与SCS模型相结合对基准期和治理期次降雨径流深的空间分布变化进行分析,结果显示治理期对下垫面的改造方向,即增加林地、减少荒草地以及提高植被覆盖度,使得产流量减少,其中,塬面径流减少程度较低,沟壑区径流减少程度较高。以20090816次降雨作为参照,在降雨条件不变的情况下设置不同的土地利用/覆被变化情景并模拟产流,结果显示在草地全部转成林地的情景下,径流深减少0.34 mm,径流量减少124.53万m3;在林草覆盖度由目前的中覆盖度提高到高覆盖度的情景下,径流深减少0.66 mm,径流量减少241.74万m3,且两种情景的土地利用/覆被变化都对流域中部沟壑区的径流影响较大。(6)采用GIS与RUSLE模型结合得到砚瓦川流域基准期和治理期的平均侵蚀模数分别为6474.82 t·km-2·a-1和3414.43 t·km-2·a-1,侵蚀强度由基准期的强度侵蚀降低到治理期的中度侵蚀。微度侵蚀主要集中在塬面,强度以上侵蚀主要集中在沟壑区。治理期与基准期的侵蚀强度相比,微度、轻度、中度和强度侵蚀面积都有所增加,分别增加7.87%、55.88%、1.99%和18.66%,极强度和剧烈侵蚀等级面积分别减少9.86%和58.59%;各侵蚀等级都较大程度地向低一等级的土壤侵蚀强度转化。平均土壤侵蚀模数随着坡度增大而增加,在不同坡向上排序为阳坡>半阳坡>半阴坡>阴坡。并定量分析得到治理期降雨及土地利用变化因素减少土壤侵蚀的贡献率分别为-12.36%和112.36%。假设在降雨条件不变的前提下,若草地转成林地,侵蚀量将减少41.71%;若林草覆盖度由中覆盖度提高到高覆盖度,侵蚀量将减少38.19%。