黄土丘陵区小流域土壤侵蚀模拟研究

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黄土丘陵区水土流失问题严峻,持续的土壤侵蚀引发了严重的生态环境问题,而生态环境的破坏又进一步加剧土壤侵蚀,这种恶性循环极大地制约着该区域的社会经济环境发展。罗玉沟流域地处黄土高原丘陵区第三副区,其气候、地形地貌及人类活动作用和影响下的水土流失特征在该区域具有代表性。该流域一级支沟桥子沟流域(含桥子东沟/桥子西沟)于1985年被黄委会列为对比试验的典型小流域,在该流域进行土壤侵蚀模拟研究具有较强的典型性和代表性。因此,本文以罗玉沟流域为研究区,首先以水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190-2007)为依据,利用遥感监测和地面观测技术,开展土壤侵蚀监测,点-面相结合,对研究区面蚀、沟蚀和水力侵蚀状况及其威胁进行准确识别和判断。在此基础上,选用GeoWEPP土壤侵蚀物理模型对研究区不同时空尺度多年平均径流量和输沙量开展定量模拟和适用性评价,并针对桥子东沟和桥子西沟2个实施不同水土保持治理措施的子流域开展土壤侵蚀治理效益对比研究,以揭示黄土高原小流域土壤侵蚀时空格局变化规律及其主要驱动力因素,为黄土丘陵区小流域的土壤侵蚀监测、防治和流域管理提供重要的科学依据。研究结论对黄土丘陵区土壤侵蚀治理具有重要指导意义和参考价值。主要结论如下:(1)通过土壤侵蚀监测并依据水利部《土壤侵蚀分级分类标准》(SL 90-2007)对罗玉沟流域面蚀、沟蚀和水力侵蚀的土壤侵蚀状况进行强度分级及分析。结果表明罗玉沟流域16年平均土壤侵蚀模数为4557.7 t/(km2·a),超过了区域允许土壤流失量的355.77%,整体水力侵蚀达到了“中度”侵蚀程度;流域内部超过允许土壤流失量的“中度”及以上侵蚀强度区域在全流域呈大面积分布,占比为89.67%,是流域土壤面蚀的主要来源,且土地利用、坡度等级和植被覆盖度对面蚀强度空间格局具有不同影响;流域沟壑总密度为4.244 km/km2,沟蚀强度达到了“强烈”等级;说明罗玉沟流域水力侵蚀、面蚀、沟蚀状况严峻,需要采取合理措施进行治理。(2)CLIGEN模型是USDA专门为WEPP模型配备的随机天气发生模型。采用Mann-Whitney检验、K-S检验、Wilcoxon检验及多种统计指标对CLIGEN模型在罗玉沟流域及其一级支沟桥子沟流域(含桥子东沟/桥子西沟)的适用性进行评价,以验证其是否适用于WEPP模型气象数据的输入,并生成*.par气象数据统计文件,可供研究区未来气象模拟使用。(3)利用GeoWEPP模型对研究区不同空间尺度的区域(流域、子流域)分时段进行土壤侵蚀模拟,利用相对误差0)对模型模拟结果进行检验。结果表明GeoWEPP模型在罗玉沟的子流域桥子东沟(1.23 km2)和桥子西沟(1.03 km2)适用,而在罗玉沟流域(72.79 km2)未通过检验,说明该模型更适用于空间尺度较小流域的土壤侵蚀模拟研究。(4)依据模型模拟结果对桥子东沟和桥子西沟小流域的土壤侵蚀时、空格局及其动态变化进行详细分析,并通过对比研究对其水土保持治理措施和效果进行评价。结果表明,在阶段1(1988-1990年)、阶段2(1991-1995年)和阶段3(1998-2000年)时期,桥子东沟和桥子西沟水土流失状况均有好转,且阶段1-阶段2改善效益高于阶段2-阶段3。究其原因,一方面是因为不同阶段的降水量差异,这是流域土壤侵蚀下降的自然因素,另一方面是阶段1-阶段2时期流域发生大面积土地利用整改,这是流域土壤侵蚀下降的人为因素,且其主导因素是人为因素。对比不同阶段桥子东沟与桥子西沟土壤侵蚀状况可以看出,桥子东沟的水土流失改善效益高于桥子西沟流域,特别是在桥子东沟实施生物措施和工程措施等水土保持治理措施的阶段1-阶段2时期更为明显,表明这些措施在水土流失治理中也发挥了积极的作用。但总体而言,“面”上的土地利用整改措施是主导因素,“点”上的水土保持工程/生物治理措施是有效补充。(5)将桥子沟流域不同时期土壤侵蚀强度数据与同时期流域土地利用数据进行相关分析,发现两者的格局演变密切相关,土地利用方式及其转变过程是流域土壤侵蚀格局形成的主要驱动力,且对土壤侵蚀的变化产生长远影响。
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