黄土丘陵区典型流域水沙变化的时空尺度特征与驱动机制研究

The Loess Plateau is the most serious soil erosion area in China, which is also the main source of sediment in the Yellow River. This region experienced the intensive human activities and sensitive climate variability during the last several decades,which resulted in the significant changes of watershed water cycle and erosion. However, the quantitative studies to investigate the temporal-spatial characteristics and driving mecanism of streamflow and sediment load changes are still lacking. The Yanhe watershed, a typical loess hilly-gully tributary to the middle reaches of the Yellow River, was selected as the research area in this project. Long time series of hydrological and climatic data as well as the statictics of soil and water conversation measures were collected, and field survey and remote sensing inversion were conducted. With the hydro-climatic statistical methods, climate elasticity and model simulation, the changes of streamflow, sediment discharge and climatic variables at temporal scales (annual, flood season, monthly and daily scales) and spatial scales (main stream and tributary, upstream and downstream) were dectected. The contributions of human activities and climate variability to streamflow and sediment load changes at different periods and areas were quantified. The driving mechanism of human activities and climate variability on changes of streamflow and sediment load at temporal-spatial scales were substantially demonstrated with scenarios simulation and sensitivity analysis. Through this research, it can be clear to understand the relaionships between human activities-climate variability and streamflow-sediment load changes. This study can also provide scientific basis for soil erosion protection, water resources management and land use regulation in the Loess Plateau of China.

黄土高原水土流失严重，是黄河泥沙的主要来源区，而剧烈的人类活动和明显的气候变化已对流域水循环和侵蚀产沙产生深刻影响，但有关流域水沙变化在时间和空间上的表现特征与驱动机制的定量研究尚显不足。以此为背景，本项目选择黄土丘陵沟壑区的延河流域，基于长时间序列水文气象观测资料以及水土保持措施等统计数据，结合流域样带调查与遥感解译和反演，综合运用统计分析、气候弹性和水文模拟等方法，明确流域土地覆被和气候变化特征，阐明流域径流输沙和水沙关系在年、汛期、月和日等时间尺度和干支流、上下游等空间尺度上的变化规律，探明流域水沙变化的多尺度特征，定量分离人类活动和气候变化在不同时期和区域上对水沙变化的贡献，结合情景模拟和敏感性分析揭示人类活动和气候变化对不同时空尺度上流域水沙特征的影响机制。本研究可深化对人类活动和气候变化与流域水沙之间关系的理解，也可为黄土高原土壤侵蚀防治、水资源管理和土地利用调控提供科学依据。

人类活动和气候变化对流域水文过程影响的定量分析一直是水文学研究的热点问题。上世纪50年代以来，在水土保持工程措施、植被恢复和气候变化综合作用下，黄土高原径流和输沙出现明显下降的趋势。揭示黄土高原流域水沙变化的时空尺度特征，量化不同因素对水沙变化的贡献，阐明气候和土地覆被对水沙变化影响的时空格局特征具有重要价值。本项目选择黄土高原的15个主要流域，分析了过去60年径流输沙和水沙关系在年、月和日尺度上的变化规律，基于Budyko和降雨-径流-输沙统计模型，定量分析了气候变化、植被恢复和水土保持工程措施在不同阶段对水沙变化的影响与空间格局特征。研究发现：1）流域径流输沙具有明显的尺度关联特征，极值事件在水沙变化中具有关键作用。2）流域水沙关系表现出明显的非线性特征和尺度依赖性，在年和月尺度上为线性关系，而在日尺度上表现为幂函数关系，且2000年后径流输沙相关性明显降低，植被恢复措施是影响水沙关系变异的主要因素。3）土地覆被变化是水沙减少的主要原因，其对水沙锐减的贡献在时间上存在“加剧性”特征，水土保持工程措施和植被措施分别是2000年前后水沙减少的主要原因。土地覆被对水沙减少的贡献量随生态恢复措施面积比例呈渐进增加，存在阈值效应。4）气候和土地覆被变化对水沙变化的影响存在明显的南北分异特征，土地覆被变化的面积比例与径流和产沙系数存在显著的线性关系。5）尽管降雨不是水沙变化的主要因子，但降雨格局特别是暴雨事件分布对径流输沙具有重要影响。上述研究成果启示未来黄土高原生态建设需综合考虑恢复措施的空间布局和优化配置，并关注极端气候对水文过程的影响，这对黄河水沙可持续管理具有重要科学价值。项目已发表SCI论文6篇，中文论文1篇。项目负责人获2018年国家优秀青年科学基金资助，并作为主要完成人获得2016年度中国科学院杰出科技成就奖。项目培养博士后1名，在读博士生1名。