张家口东沟流域水沙变化与降水及土地利用变化响应关系研究

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气候变化和以土地利用变化为主导的人类活动对河流水沙量的影响的研究,对流域水土资源的合理利用和保护以及水土保持工程有着重要的意义和价值。本文以张家口崇礼区东沟流域为研究区,采用累积距平法、Mann-kendall非参数检验法、滑动平均法、Morlet分析法、双累积曲线法,研究分析张家口东沟流域2006-2018年(即冬奥会项目工程开展前后时期)降水量以及水沙量的变化特征和长期的变化趋势;利用ENVI软件的监督分类功能对东沟流域进行土地利用类型的划分,并结合Arc GIS技术、Fragestats软件获得东沟流域2006-2018年的土地利用变化指标(包括土地利用转移矩阵、单一土地利用动态度、综合土地利用动态度)、景观格局变化指标,分析该时期研究区的土地利用变化以及景观格局时空变化过程与特征;基于双累积曲线法和回归分析法,研究降水量等气候变化和包括土地利用变化为在内的人类活动对流域内水沙变化的贡献率。主要研究结论如下:(1)东沟流域降水变化:东沟流域的年均降水量、汛期降水量、夏季降水、秋季降水以及日降水指标(最大日降水和连续七日最大降水)均呈现不显著的上升趋势,春季与冬季降水为下降趋势。年降水量、汛期降水量、夏季降水、秋季降水等降水指标在2013-2018年为丰水期,冬季降水在2007-2018年表现为丰水期。除春季降水量、秋季降水量没有突变点之外,其他降水量指标的突变点都在2011-2013年。年降水量存在两个明显的周期,峰值分别为2a和7a,表明年降水量的变化以小尺度为主进行周期性震荡。(2)东沟流域土地利用及景观格局变化:2006年以来,东沟流域的土地利用类型以林地、耕地、灌木/草地为主,三者面积之和在2006年、2010年、2014年、2018年占比分别为84.43%、92.62%、94.99%、96.02%。自2006以来,林地的大部分面积未发生改变。2006-2010年,土地利用动态度高,各地类之间的互相转化比较多,2010-2018年,各土地利用类型面积变化比较小,综合土地利用动态度仅为前期的1/2。东沟流域的城乡建设用地、农耕地和水域主要分布在平坡和缓坡阳坡区域,林地、灌木/草地主要分布在斜坡、陡坡等区域,并且多在阳坡环境下。水域、城乡和建设用地、林地、耕地整体都表现为景观异质性程度下降,景观破碎化程度减小,连通性好的变化趋势,而由于人为因素的影响,灌木/草地斑块的景观破碎度增大,斑块间连接性变差。(3)东沟流域水沙变化:2006-2018年东沟流域的径流量表现为轻微上升的趋势,而输沙量表现为明显的下降趋势,流域水沙的年际变化比较大。2006-2014年,流域内径流量比较充沛,2014年之后径流量处于枯水期,而2006-2008年为流域的多沙期,2009-2018年为少沙期。2013年,流域径流量表现为由少增多的突变趋势,同期的输沙量经验证不存在突变点。另外,流域内水沙量周期性变化分析结果表明:径流量存在两个周期,其中6a的时间尺度为径流量周期性最强的尺度,输沙量周期性变化的尺度为16a,周期远大于径流量的变化周期。(4)东沟流域降水量和土地利用格局指数与水沙的相关关系:流域的年径流量、年输沙量与降水量、土地利用类型面积的相关关系未达到显著水平(P>0.05);流域的径流与景观格局指数的相关性未达到显著性,而NP、PD指数与输沙量成正相关关系,而AI与输沙量成负相关关系。(5)东沟流域降水量和土地利用变化对水沙的影响评价:降水量与流域水沙的双累计分析表明,年降水量等降水条件是影响东沟流域2006-2018年水沙变化的主要原因。以2006-2009年为基准期得到,2010-2014年土地利用等人类活动对径流、输沙量的贡献率分别为56.46%、67.81%,年降水量对二者的贡献率分别为43.54%、32.19%。2015-2018年土地利用变化等人类活动对流域水沙变化的贡献率分别为33.56%、80.04%,年降水量对二者的贡献率分别为66.44%、19.96%。
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