渭河流域水土流失对土地利用/覆被变化的尺度响应与模拟研究

The impact of land use and land cover changes (LUCC) on regional soil and water losses is important. This project analyze the spatial and temporal variations of stream flow and sediment flux based on three different spatial scales, the typical catchment, midlle catchment and large catchment, in the Wei River Basin in the Loess Plateau. Explore the mechanism of surface flow and soil erosion process in the hillslope and sediment transport from hillslope to river based on field experiments and numerical simulation. Analyze the dynamic variation of LUCC based on RS/GIS technology.Investigate the driving mechanism of LUCC on stream flow and sediment changes. The regional stream flow and sediment simulation system was built on application of Soil and Water Assessment Tool (SWAT). Model calibration and validation are undertaken by comparing the simulated values with observations, as well as parameters sensitivity analysis. Furthermore, field plot experiments are designed to better understand the mechanism of surface flow and soil erosion in the hillslopes, and to improve the model concepts for analyzing hydrological and soil erosion responses LUCC. Afterwards, effects of LUCC will be assessed by using the improved SWAT model. Quantitative analysis of stream flow and sediment flux variation and their response of LUCC will be helpful for soil and water conservation control in the Loess Plateau, ecological restoration, soil and water resources utilization reasonable.

针对黄土高原土地利用/覆被变化（LUCC）对区域水土流失过程影响机制这一科学问题，以渭河流域为研究区，在典型流域-中尺度流域-大流域等三种不同空间尺度上，定量分析流域水沙时空演变特征及尺度效应；通过野外小区实验及数值模拟，探讨坡面产水产沙、河道泥沙输移及区域水土流失过程机理；基于RS/GIS技术，分析LUCC动态变化特征，揭示其对区域水沙变异的驱动机制；应用水土资源评价模型（SWAT）构建区域水沙模拟系统，根据小区实验及文献数据改进SWAT模型中坡面产沙、沟道输沙模块，确定模型参数范围，分析参数敏感性，采用水文资料对模型率定和验证。利用改进的SWAT模型定量评价LUCC对流域水沙过程的影响，重点评价退耕还林草的区域水沙效应，揭示其对区域水土流失变化的作用机理。本研究的实施有利于深入理解LUCC对区域水土流失的过程机理，同时为黄土高原水土流失防治与生态修复、水土资源合理开发提供决策支持。

气候变化和人类活动影响下的流域水土过程变化过程、机理及其响应已成为全球研究的热点之一。本项目以渭河流域为研究区域，分析流域水沙时空变化特征，结果表明渭河流域1937-2013年径流、输沙年际差异显著。多年平均径流量为78.89亿m3，多年平均输沙量为4.31亿吨。渭河流域径流量、输沙量均呈显著减小的趋势。渭河流域径流序列的突变年份为1993年，输沙序列的突变年份为1996年。渭河流域的产流中心在渭河干流上游至魏家堡段、渭河下游南岸的涝峪口、秦渡镇、马渡王以南区域以及泾河干流上游至杨家坪段。渭河流域的主要产沙区在泾河庆阳以上区域、北洛河刘家河以上区域，而渭河干流中下游魏家堡-华县段、北洛河下游黄陵交口河-状头段为泥沙淤积区。应用双累积曲线法计算降雨量和人类活动的减水贡献分别为15.14%和84.86%，减沙贡献分别为7.46%和92.54%。. 利用野外坡面人工降雨试验对标准SCS-CN模型参数进行优化与改进。实测计算得到SCS-CN模型参数为：降雨初损率λ=0.15，草地CN值为75，裸地CN值为90，经优化后的SCS-CN模型在北洛河上游研究区的产流模拟精度得到提高，相对误差Re由34.38%和20.91%降低为0.50%和2.06%。. 利用SWAT模型定量评估了气候和土地利用/覆被变化对径流、输沙的影响。通过实测模型土壤数据库相关参数，模拟了北洛河上游1992-1999年年和月尺度径流输沙过程，均取得了较好效果。通过不同时期土地利用情景下的径流输沙模拟，定量计算了土地利用/覆被变化对水沙的影响程度。与实测值相比，2005年和2010年的土地利用/覆被变化分别导致流域径流量减少了47.32%和48.61%，输沙量减少了57.21%和59.19%。. 本研究采用多种统计分析方法，综合分析流域水沙变化特征，定量评价地表下垫面变化对流域水土流失的影响，为黄土高原水土流失防治与生态修复、水土资源合理开发利用提供理论基础与科学支撑。