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鄱阳湖作为我国最大的淡水湖,也是我国目前水质最好的淡水湖,在中国素有“大陆之肾”的美誉;这里是我国湿地资源最丰富的地区之一,也是亚洲重要的珍稀水禽越冬地,被列为世界湿地和生物多样性保护热点地区,生态地理位置重要性十分显著。然而,近年来鄱阳湖流域的生态环境不断恶化,洪旱灾害频繁发生,水土流失严重,水质有所下降。尤其是近50年来,流域大小洪涝灾害几乎连年不断。水沙关系不协调已经导致了鄱阳湖流域重大自然灾害频繁,成为流域内主要生态环境问题。因此,对鄱阳湖流域内的水沙关系问题进行研究,找出气候变化和人类活动作用下流域内降水、径流和土壤侵蚀的时空演变规律及其内在机制,为政府部门宏观决策提供科学依据,对于改善流域生态环境、缓解洪涝灾害、减轻人民生命财产损失、落实科学发展观和实现区域经济社会和谐发展等具有重大现实意义。 本论文以鄱阳湖流域水沙关系为研究对象,将水文学、统计学、土壤侵蚀学等学科相结合,集成数模方法、小波分析法、地统计方法、GIS和遥感技术,研究气候变化和人类活动作用下,长时间序列流域降水、径流和土壤侵蚀的时空演变规律及其驱动机制。研究主要内容包括以下几个方面: (1)鄱阳湖降水资料检验和修正。搜集并整理了研究区共18个国家级气象站1960-2008年的降雨资料。对这些站点降雨资料的一致性利用双累积曲线法进行了检验,绘出修水、宜春、吉安、宁冈、遂川、赣州、庐山、波阳、景德镇、南昌、樟树、贵溪、玉山、南城、广昌和寻乌等气象站的双累积曲线图;然后,对站点缺失资料进行插补,并利用VNR检验、累积偏差和贝叶斯检验等方法对数据进行统计检验,全部通过95%置信度检验。研究表明,利用算术平均法对宁冈站1999-2006年缺失降雨数据进行插补后,能够使降雨数据保持均匀。 (2)鄱阳湖流域1960-2008年间降水时空演变特征分析。(a)在对降雨资料进行一致性检验的基础上,利用水文时间序列分析法、距平分析、小波分析工具等对流域1960-2008年多年平均月降水量变化趋势、年代、年际降水变化特征,季节变化的多时间尺度特征等进行了分析。研究表明:流域多年月平均降水量的变化趋势为:1-6月份降水量呈逐月增加趋势,6-12月份降水量呈逐月减少趋势;6月降水量为279.3mm,占年均降水量的16.9%,是多年平均最大降水量月份;12月为47.1mm,占年均降水量的2.8%,是多年平均降水量最小月份;1960-1990年间,降水量呈明显年际和代际振荡,并无显著趋势;进入90年代以后,降水呈现明显上升趋势;另外,降水多时间尺度分析表明,近50年来鄱阳湖流域年降水在不同尺度上的周期振荡作用时间范围不同,3a和18a的主周期表现出明显的全局性,而6a主周期在20世纪90年代以前表现活跃。(b)利用地统计学方法分析了流域多年平均降水空间分布,以及各季节降水空间分布规律。研究表明:鄱阳湖流域多年平均降水的空间分布呈现为由西南向东北,以及由西北向东北梯次递增的整体趋势。降水年代际变化空间差异分析表明各年代中降水高值中心一般发生在庐山和玉山一带,降水低值中心发生在赣南赣州一带;降水季节变化的空间分析表明指数模型对于夏、秋两季降雨空间拟合程度好,而高斯模型对于春、冬两季降雨空间拟合程度好,故对不同季节应选用不同的最优模型。 (3)鄱阳湖流域径流泥沙的时空变化特征分析。(a)鄱阳湖流域全年径流主要集中在3-7月份(即春、夏两个季节),占年径流量的66.33-75.33%;汛期(4-6月)水量占年总径流量的47.23-55.19%;全年输沙量规律与径流规律比较吻合,“水大沙大”,主要集中在3-7月份,占年径流量的81.95-92.93%;汛期(4-6月)泥沙占年总量的60.72-69.47%。上世纪90年代处于丰水期。(b)累积滤波器法定性分析显示:外洲站的径流在1956-1962年呈现明显上升趋势,1963-2001年之后呈现缓慢上升趋势;李家渡站S值在1附近波动,显示出径流变化趋势并不明显;梅港站的径流在1954-1965年间呈现明显下降趋势,1966-2001年间呈现缓慢上升趋势;虎山站径流量在1954-1965年间呈现明显下降趋势,之后1966-2001年间呈现缓慢上升趋势;万家埠站径流量在1955-1965年间呈现显著下降趋势,1965-2001年间呈现出明显上升趋势。Mann-Kendall(M-K)秩次相关方法定量分析显示:鄱阳湖流域各站年径流在1955-2001年间随年份不同呈现波动性变化,但总体呈现增长趋势,尤其是各站在1962、1963年以后存在整体增长趋势,除万家埠站增加趋势显著以外,其它站的年径流增加趋势均不显著。(c)通过多时间尺度特征分析显示:鄱阳湖流域各站径流在6年和18年左右时间尺度上都存在明显周期变化,振幅强烈。具体来说,外洲站年径流存在3年、6年、9年和19年左右周期;李家渡站年径流存在3年、6年和18年左右周期;梅港站年径流存在6年和18年左右周期;虎山站年径流存在3年和18年左右周期;万家埠站存在3年、6年和18年左右周期。(d)鄱阳湖流域年降水与年径流之间存在显著正相关,赣江流域年降雨与年径流的相关系数为:0.893,抚河流域年降雨与年径流的相关系数为:0.861,信江流域年降雨与年径流的相关系数为:0.950,饶河流域年降雨与年径流的相关系数为:0.893,修水流域年降雨与年径流的相关系数为:0.821,以上结论均通过99%置信度检验。 (4)鄱阳湖流域土壤侵蚀敏感性评价。根据通用土壤侵蚀方程的基本原理,结合鄱阳湖流域的自然环境特征,选择了降雨侵蚀力、地形起伏度、土壤可蚀性、植被覆盖等四个评价指标,体现了生态系统中各因子的相互作用,运用GIS和RS技术,确定评价指标的分级标准及其影响权重,并生成单要素侵蚀敏感性评价图。在此基础上,运用ArcGIS空间叠置分析,完成单要素图层叠加运算,实现了研究区土壤侵蚀敏感性综合评价。在GIS和RS技术的支持下进行区域土壤侵蚀敏感性评价。结果表明,在降雨、土壤、地形和植被等自然因素的综合作用下,研究区土壤侵蚀以轻度敏感、中度敏感和高度敏感为主,不敏感和极敏感面积比例相对较小。从空间分布上看,土壤侵蚀敏感性强度分布以鄱阳湖及五河沿线向四周呈辐射状递增;东北部最为敏感,西部和中南部地区为中度敏感,最北部和南部部分地区不敏感。