1980年以來黃土高原河流域水土流失變化過程研究

1980年以來黃土高原河流域水土流失變化過程研究

該流域是由地表水資源組成的封閉單元。這是與水文事件過程相關(guān)的區(qū)域規(guī)模研究的最佳單位。它代表了水和自然的性質(zhì)，以及利用人類水土資源的自然空間綜合體。流域尺度上,土地利用變化對(duì)水文過程有著重要的影響,它可以直接導(dǎo)致流域水文過程的改變,進(jìn)而對(duì)流域生態(tài)、環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面產(chǎn)生顯著的影響,因此,流域尺度上土地利用/覆被變化的水文效應(yīng)越來越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。盡管基于模擬、試驗(yàn)和觀察等手段研究植被覆蓋與水文過程之間的關(guān)系已有很多報(bào)道,但有關(guān)土地利用變化對(duì)水文過程影響的研究,是隨著全球范圍內(nèi)IGBP和LUCC計(jì)劃的推行,才逐漸被人們重視起來的。近年來,有關(guān)土地利用/覆被變化對(duì)流域水文過程的影響問題出現(xiàn)了一些研究結(jié)果,由于不同地帶的區(qū)域特征不同,要建立土地利用變化對(duì)流域水文過程影響的一般理論體系,仍需開展大量的典型區(qū)實(shí)例研究、不斷深入總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。黃土高原地區(qū)是世界上水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域,水土流失是黃土高原流域水文過程的主要特征。近幾十年來,隨著黃土高原社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,土地利用/覆被格局發(fā)生了巨大的變化,并由此改變了區(qū)域植被、水文等過程,繼而引發(fā)出對(duì)水土流失的影響問題。為此,本文以黃土高原中部六盤山東麓的■河流域作為典型研究區(qū)域,揭示黃土高原中、大尺度上土地利用/覆被變化對(duì)流域水土流失的影響機(jī)理。1從地表水文觀持續(xù)監(jiān)測的河流流域分布河流域處于六盤山區(qū)的林灌土地利用區(qū)向黃土高原的農(nóng)業(yè)土地利用區(qū)的過渡地帶,流域面積1645km2。流域中、上游為六盤山區(qū),下游為黃土殘塬溝壑區(qū),海拔1100～2430m,屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,流域多年降水量530～650mm。河發(fā)源于六盤山南部,流經(jīng)黃土殘塬溝壑,在涇川縣城西匯入涇河,是涇河上游的最大支流之一,也是涇河的主要徑流來源。河下游匯入涇河之前有黃河水利委員的袁家庵水文站,具有1958～2003年的連續(xù)水文觀測記錄,可代表流域上游多年來的地表水文狀況。20世紀(jì)70年代以前,流域中、上游土地利用一直以森林灌叢為主,植被覆蓋度很高。70年代以后隨著農(nóng)村土地改革和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,流域內(nèi)人口急劇膨脹,生活和生產(chǎn)資料需求的增長,使流域土地利用/覆被發(fā)生了巨大的變化,使河流水文過程也隨之發(fā)生了巨大變化。2學(xué)習(xí)方法2.1變化信息提取土地利用/覆被變化的空間動(dòng)態(tài)利用遙感影像來監(jiān)測,采用了遙感影像MSS(1977)、TH(1990)和ETM(2000)數(shù)據(jù)。在土地利用變化信息提取過程中,參考了地形圖、區(qū)域?qū)ｎ}研究資料和圖件等資料。對(duì)上述3個(gè)時(shí)期的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行地理坐標(biāo)配準(zhǔn)和幾何精校正,然后在經(jīng)過幾何精校正的遙感影像上進(jìn)行計(jì)算機(jī)屏幕人機(jī)交互判讀,土地利用類型劃分采用中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫中的1∶10萬土地利用分類系統(tǒng),并根河流域土地利用特點(diǎn),將流域土地利用類型劃分為9個(gè)類型:耕地、有林地、灌木地、疏林地、高密度草地、中密度草地、低密度草地、水域及居住和工礦用地。2.2徑流、輸沙過程與年目前,在進(jìn)行土地利用/覆被變化對(duì)水文過程影響研究中,水文過程數(shù)據(jù)多是長期觀測的連續(xù)數(shù)據(jù),土地利用數(shù)據(jù)則是間隔觀測的數(shù)據(jù),利用統(tǒng)計(jì)分析中的多種趨勢分析方法和回歸擬合方法是進(jìn)行土地利用對(duì)水文過程影響研究的常用研究手段。從圖1(a)可以看出,在1958～1980年間,徑流過程與降水過程之間具有較好的相關(guān)性,從1980年以后,徑流過程與降水過程之間逐漸明顯分離,故利用1958～1980年的流域下游的徑流、輸沙觀測數(shù)據(jù)和同期流域平均降水觀測數(shù)據(jù),建立相關(guān)回歸方程,分析其顯著性和擬合誤差,確定徑流、輸沙過程隨降水變化的模擬模型。利用這些模型來獲取1980年以后假定無土地利用變化的徑流過程Q1和侵蝕過程W1,無土地利用變化和無降水量變化的徑流過程Q2和侵蝕過程W2,并用實(shí)際徑流過程Q0、實(shí)際侵蝕過程W0做比較,來評(píng)價(jià)降水量變化和地表屬性變化分別對(duì)徑流過程和侵蝕過程的影響。選擇對(duì)徑流過程影響最大的耕地類型,利用線性分段插補(bǔ)技術(shù),獲得1977～2000年24年連續(xù)的耕地面積變化數(shù)據(jù)序列,線性插補(bǔ)方法是基于該流域耕地面積的多年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的。在統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS8.0下,用耕地面積變化數(shù)據(jù)序列和地表屬性變化導(dǎo)致的水土流失變化數(shù)據(jù)序列做相關(guān)分析,來評(píng)價(jià)水土流失對(duì)耕地變化的響應(yīng)。3結(jié)果分析3.1土地利用/覆被格局的變化表1可以看出,1977年土地利用的分布中,各類草地(高密度草地、中密度草地和低密度草地)的面積最大,占到流域總面積的41.24%,其次是對(duì)地表覆蓋較好的各類林地(有林地、灌叢地和疏林地),分別占到流域總面積的19.32%、5.35%和12.14%。而耕地面積僅占流域總面積的18.49%。1977年以后,隨著流域農(nóng)村土地改革的進(jìn)行和流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,流域各類土地利用/覆被格局都發(fā)生了巨大變化。1990年,耕地面積達(dá)到了流域總面積的32.61%,23年間增加了76.37%,主要分布于流域中上游山區(qū)的各類林地(有林地、灌叢地和疏林地)分別減少到流域總面積的13.17%、6.20%和6.99%;高、中、低密度草地分別占到流域總面積的10.40%、14.40%和8.29%。20世紀(jì)90年代以后,由于流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和區(qū)域管理政策的改進(jìn),2000年耕地面積縮減到流域總面積的23.70%;有林地面積有所增加,疏林地面積持續(xù)減少,高、中密度草地面積也都有一定的增加,另外,由于流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)和工礦業(yè)(煤礦業(yè))的發(fā)展,居住工礦用地也達(dá)到流域總面積的6.38%。23年以來,河流域耕地面積增加了28.18%,而有林地和疏林地面積分別減少了25.38%和42.42%,高密度草地面積減少了18.11%,相應(yīng)地中、低密度草地分別增加了12.45%和36.47%,居住工礦用地270.93%。以上分析說明自20世紀(jì)70年代以來,河流域土地利用發(fā)生了巨大的變化,總體土地覆被具有明顯的土地退化趨勢。3.2流域水土流失特征河中上游山區(qū)是流域徑流的主要形成區(qū),而中、下游的黃土溝壑區(qū)是侵蝕泥沙主要來源區(qū)。流域下游袁家庵水文站多年(1958～2003年)來的實(shí)測資料表明(圖1),河流域多年平均年徑流總量1,44億m3,平均徑流深度為65.07mm,多年平均年輸出泥沙量為343.74萬t,流域多年平均侵蝕模數(shù)為1553.20t/km2,最大年侵蝕模數(shù)為8811.57t/km2,最小年侵蝕模數(shù)為135.56t/km2。1980年以來,河流域水土流失變化存在持續(xù)的走低趨勢,10年尺度的平均值,徑流深度減少了32.75mm,侵蝕模數(shù)減少了778t/km2。水土流失的變化存在明顯的季節(jié)差異,汛期徑流深度平均減少69.47mm,侵蝕模數(shù)平均減少1063.26t/km2,枯季徑流平均僅減少11.6mm。20世紀(jì)90年代以來,徑流深度、侵蝕模數(shù)和水土流失的年際變化CV均出現(xiàn)了明顯的遞減趨勢。根據(jù)線性回歸趨勢的斜率分析年平均變化速率,年徑流深度年平均遞減1.24mm,侵蝕模數(shù)年平均遞減37.56t/km2。鑒于流域水土流失的年內(nèi)汛、枯期分布特點(diǎn),選擇年內(nèi)徑流變化較大的汛期(6～11月份)和枯季(12月份至次年5月份)的徑流、輸沙過程變化反映流域水土流失的演化特征。與年徑流深度、侵蝕模數(shù)變化過程相似,流域季節(jié)徑流、侵蝕也呈現(xiàn)出較為明顯的遞減變化,其中汛期徑流深度的遞減率為2.12mm/a,侵蝕模數(shù)的遞減率為43.79t/km2,枯季徑流深度的遞減率為0.8mm/a,汛期的徑流減少幅度要大于枯季的減少幅度。20世紀(jì)90年代10年汛、枯季徑流比20世紀(jì)60年代同期分別減少了44.63mm,侵蝕模數(shù)減少了42%,尤其是在1990年以后,8月份徑流深度變化幅度一直在10mm以內(nèi),沒有出現(xiàn)大于5.0m的高水位。3.3模擬結(jié)果對(duì)比由圖2可以看出。在1980年以前降水與徑流、侵蝕之間有較好的同步變化關(guān)系,1958～1980年間的降水和徑流、輸沙數(shù)據(jù)之間具有顯著的線性關(guān)系(P<0.05)。利用回歸分析,獲得降水與水土流失各參數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)方程,列于表2。對(duì)表2方程進(jìn)行誤差校核,以此來模擬1980年以后水土流失各參數(shù)的變化過程,對(duì)比模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果,分析擬合的均方根誤差(RMSE)和RE分布情況(表3),20世紀(jì)80年代以前,水土流失過程各參量的降水模型模擬結(jié)果的RMSE較小,各變量相對(duì)誤差也比較小。從20世紀(jì)80年代以來,年均徑流深度和侵蝕模數(shù)的模擬誤差急劇增加,80年代的相對(duì)誤差分別達(dá)到32.40%和21.35%,到90年代進(jìn)一步發(fā)展到35.76%和45.88%。說明自80年代以來,降水對(duì)水土流失的影響顯著減弱,尤其是90年代,降水對(duì)水土流失的影響進(jìn)一步減弱。汛、枯季水土流失存在較大的差異,汛期水土流失模擬結(jié)果的相對(duì)誤差在70年代僅為11.35%和8.17%,80年代增加到30.88%和13.29%,90年代分別達(dá)到55.64%、19.72%;枯季徑流在70年代為24.62%,到90年代發(fā)展到51.65%。反映出汛期水土流失與降水關(guān)系始終較為密切,而枯季徑流從80年代開始減弱了與降水的關(guān)系,90年代以后與降水的關(guān)系進(jìn)一步減弱。上述結(jié)果表明,河流域水土流失自1980年以后呈現(xiàn)明顯的持續(xù)遞減變化。為了區(qū)別降水量變化和地表土地利用/覆被變化分別對(duì)水土流失變化的影響,假定1971～2000年間降水量仍保持1958～1988年間的趨勢,以這種降水趨勢(5年滑動(dòng)平均趨勢)作為水土流失模型的輸入,來模擬降水趨勢和土地利用/覆被都未發(fā)生變化情景下1971～2000年間的水土流失變化過程;以1971～2000年的降水趨勢(5年滑動(dòng)平均趨勢)作為模型輸入,模擬土地利用/覆被不變情景下1971～2000年的水土流失動(dòng)態(tài)。這樣就可以分離出研究區(qū)在降水量和土地利用都無變化、降水量變化而土地利用無變化兩種情景下的水土流失過程,并和實(shí)際情況(降水量和土地利用都發(fā)生變化)進(jìn)行對(duì)比(圖3)。根據(jù)以上模擬結(jié)果,可以分離出降水量和土地利用/覆被變化分別引起流域水土流失變化的時(shí)間序列。以土地利用/覆被變化產(chǎn)生的水土流失變化對(duì)流域耕地面積變化序列做響應(yīng)分析(圖4),可以看出,徑流深度和侵蝕模數(shù)都對(duì)耕地面積數(shù)量變化都有一定的響應(yīng)關(guān)系,隨著耕地面積比例的增大,徑流深度和侵蝕模數(shù)都有增大趨勢,不過他們之間的相關(guān)程度并不是特別顯著(P<0.1)。4河流域水土流失季節(jié)變化特征利用黃土高河流域下游出水口40多年的水文觀測數(shù)據(jù)和流域40多年的降水?dāng)?shù)據(jù),建立基于統(tǒng)計(jì)回歸分析方法的降水與水土流失各參數(shù)的模型,分離出了降水量變化和地表屬性變化分別引起的水土流失變化量,并對(duì)地表屬性變化導(dǎo)致的水土流失變化與同期耕地面積變化的數(shù)據(jù)序列響應(yīng)分析,獲得如下結(jié)論:河流域近20多年來,水土流失變化存在持續(xù)的走低趨勢,10年尺度的平均值,徑流深度減少了32.75mm,侵蝕模數(shù)減少了778t/km2;水土流失的變化存在明顯的季節(jié)差異,汛期徑流深度平均減少69.47mm,侵蝕模數(shù)平均減