延河流域水沙变化及其对退耕还林（草）的响应

This project analyze the spatial and temporal variations of streamflow and sediment flux by making use of climate, hydrology and sediment data in the Yan River Basin in the Loess Plateau. Dynamic environment modelling language PCRaster is applied to develop watershed hydrological and soil erosion model, which uses improved SCS curve to calculate the surface runoff, applies the Modified Universal Soil Loss Equation (MUSLE) for assessing hillslopes erosion and sediment yields, and estimates gravitational erosion in gullies and groove erosion according to gully erosion rates and groove erosion power. 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 by returing farmland to forest (grassland). The spatial and temporal changes of land cover changes are obtained from high-resolution remote sensing images. Afterwards, effects of returning farmland to forest (grass) land will be assessed by using the hydrologcial and soil erosion model. Quantitative analysis of streamflow and sediment flux variation and their response of returning farmland to forest (grass) land will be helpful for soil and water conservation control in the Loess Plateau, ecological restoration and comprehensive watershed management.

本项目以黄土高原延河流域为研究对象，搜集流域气象、水文、泥沙等数据资料，定量分析流域水沙变化的时空演变特征；通过野外小区实验研究不同植被条件、林草措施配置对坡面水沙过程的影响，探讨坡面产水产沙机理；应用动态环境语言PCRaster构建流域水沙模拟系统，采用改进的SCS曲线计算地表产流，坡面侵蚀产沙根据修正的通用土壤流失方程（MUSLE）计算，根据土壤侵蚀率和沟道冲蚀率计算坡沟重力侵蚀与河道冲蚀过程，应用小区实验数据确定参数范围，根据水文站资料对模型率定和验证，分析参数敏感性。根据不同时段高分辨率遥感影像获取延河流域地表覆被信息，应用GIS和RS技术分析流域退耕还林（草）的时空变化，采用改进的流域水沙模型定量评价退耕还林（草）措施下的流域水沙变化。本研究的实施有利于深入理解人为干扰下的流域水沙过程机理，同时也为黄土高原地区水土保持措施、生态修复及流域综合管理提供决策支持。

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。本项目以延河流域为研究区域，分析流域水沙时空变化特征，结果表明延河流域在降水量未表现出显著下降趋势情况下，甘谷驿径流量呈现出了显著（P=0.01）减少趋势，年均递减率为-0.0127亿m3。径流量的突变年份为1996年，这是由于黄河中游自20世纪80年代开始，水土保持工作效益凸显，加之近期水土保持生态修复和封禁治理试点工作的开展及淤地坝工程建设等，使得流域蓄水能力增强，导致径流量显著减少。采用水文法计算，1996年后，以植被为主的水土保持措施减水减沙的贡献率分别为17.5%和55.9%。.通过野外径流小区长期监测与降雨模拟实验发现，雨强和雨量是影响地表产流产沙的主要因素。在植被覆盖较好的小区，尽管产流较大，但产沙量较小。野外模拟降雨条件下，随植被盖度的升高，产沙量显著减少，植被的减沙效益明显高于减水效益。此外，随着恢复年限的增加，植被的减水减沙效益趋于稳定。.结合GIS与RS技术，采用动态环境模拟语言PCRaster，以SEDD模型为基础构建半分布式流域侵蚀产沙模型，采用延安站、甘谷驿的输沙量验证模型，模拟结果显示Nash系数与相关系数均超过0.5（1980-1999）。在1990年的土地利用条件下，未利用地和坡耕地的土壤侵蚀模数较高，6233.2和3265.7 t/km2/a；而土壤侵蚀模数较小的区域是植被覆盖度较高的林地和草地，土壤侵蚀模数均低于2000t/km2/a。2010年的土地利用较1990年坡耕地显著减少，草地面积增加显著，土壤侵蚀模数减少剧烈。根据改进的SEDD模型分析流域坝库工程拦蓄泥沙状况得知：坝库工程显著改变了流域产沙的空间分布，且部分子流域输沙量减少超过80%。.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沙变化的影响，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。