延河流域水沙时空分布特征及水土保持措施减沙贡献率研究

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黄河流域严重的水土流失及其对黄河水沙的影响一直都是热点研究问题。近几十年来,随着水土保持措施在黄土高原中部地区大量实施,该地区水沙变化显著,流域水沙特性发生了重大变化。定量研究延河流域各项水土保持措施的减沙贡献,探究措施之间是否存在协同减沙效益,对流域未来水土保持措施建设具有重要的参考价值。本研究以地处黄河中游河龙区间的延河流域为研究对象,依据长序列气象水文资料、水土保持措施统计资料,应用水土保持学、水文学、生态学等交叉学科的理论知识,采用水文分析法、统计分析法、GAMLSS模型以及分位数归因分析等方法,定量分析气候和人类活动对延河流域水沙变化的影响,定量计算了淤地坝、梯田、林草措施各自的减沙量以及措施之间的协同减沙效益,讨论了不同方法成果间的差异。本文取得的主要研究结论如下:(1)分析了延河流域1956~2015年年降水量和1952~2018年年径流量、年输沙量的趋势性和突变点。结果表明:年降水量无显著变化趋势,年径流量、年输沙量呈现显著减小趋势。年径流量的突变年份为1996年(p<0.05),年输沙量一级突变年份为1996年(p<0.05),二级突变年份为2005年(p<0.05)。(2)计算了延河流域各个水文站控制区不同时段的多年平均径流模数和输沙模数。1980~2015年流域多年平均径流模数为3.25万m3/(km2·a),多年平均输沙模数为5598t/(km2·a),20世纪80年代、90年代流域的产流产沙能力最强。在不同的研究年代,甘谷驿站以上延河流域多年平均径流模数均整体呈现出“西北高、东南低”的空间分布规律,而多年平均输沙模数的空间分布由2010年以前的“上游高,中游低”转变为了 2010~2015年的“支流低,干流高”。(3)以1982~1996年为基准期采用双累积曲线法量化了降水与人类活动对延河流域水沙变化的影响。结果表明,人类活动影响是延河流域水沙减少的主要原因。人类活动减水量占基准期实测径流减少量的66.27%,人类活动减沙量占基准期实测输沙减少量的66.61%~100.76%。(4)构建了淤地坝拦沙量反推模型,并计算了 1954~2011年延河流域大中型淤地坝逐年拦沙量,采用己有的梯田、林草减沙模型计算了梯田、林草措施的减沙量,并进一步分析了三大水土保持措施协同减沙量。计算结果表明:1997~2005年和2006~2011年延河流域淤地坝多年平均拦沙量分别为646万t、566万t,林草措施多年平均减沙量分别为2295万t、3807万t,梯田多年平均减沙量分别为130万t和272万t,即林草措施减沙量>淤地坝拦沙量>梯田减沙量。1982~1996年、1997~2005年和2006~2011年延河流域三大水土保持措施多年平均协同减沙量分别为789万t、504万t、997万t。由于各类水土保持措施布设数量和建设时间差异的原因,延河流域三个研究时段三大水土保持措施的多年平均协同减沙量呈先减后增的变化趋势。(5)选取了代表气候变化影响因素的年降水量和年潜在蒸散发量,代表人类活动影响因素的淤地坝坝控面积、梯田面积和植被覆盖度,基于GAMLSS模型法进行了延河流域年输沙量变化的归因分析。结果表明:1997~2005年和2006~2011年,年降水量对延河年输沙量的贡献率由7%降低至1%;年潜在蒸散发量基本对流域年输沙量变化无影响或通过减少年径流量来间接的影响年输沙量;淤地坝对流域年输沙量减少的贡献率由21%减小到11%;梯田对流域年输沙量减沙的贡献率由16%增加到18%;植被对流域年输沙量减沙的贡献率由37%增加到46%;水土保持措施协同效应对流域年输沙量减沙的贡献率由19%增加到25%。(6)对比了不同研究方法的计算结果,双累积曲线法、水保法和GAMLSS模型法的计算结果大体相同,不同方法计算结果存在差异主要是由于参数的选择不同造成的。研究结果表明,人类活动是影响延河流域年输沙量减少的主要原因,且其对延河流域年输沙量减少的贡献越来越大;在三大水土保持措施中,林草措施对流域年输沙量减少的贡献率最大。
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