变化环境下延河流域地表水土过程演变特征与驱动机制

Climate change and human activities caused dramatic changes of surface environment in the Loess Plateau.Studying the characteristics and driving mechanism of hydrological process and sediment transport is the basis and premise of soil and water conservation measures and ecological restoration.This project analyze the spatial and temporal variations of streamflow and sediment flux by making use of climate, hydrology, sediment data, land use and soil and water conservation measures in the Yanhe basin in the Loess Plateau. SWAT model which embed in terraces and check-dam modules is applied to analyze hydrological and soil erosion responses by returing farmland to forest (grassland)，terraces and check dams.Model calibration and validation are undertaken by comparing the simulated values with observations, as well as parameters sensitivity analysis.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.

气候变化与人类活动导致黄土高原地表环境发生剧烈变化，研究变化环境下地表水土过程特征与驱动机制是实施区域水土保持措施和生态修复的基础与前提。以黄土高原沟壑区延河流域为研究对象，通过搜集流域气象、水文、泥沙、土地利用及水土保持措施等基础地理信息数据，定量分析流域水沙变化的时空演变特征；以嵌入梯田和坝库模块的SWAT模型为基础，采用淤地坝淤积信息及水文站实测资料对模型率定和验证，进行参数敏感性分析，定量评价退耕还林（草）、梯田和淤地坝对流域产汇流、侵蚀产沙及泥沙输移过程的影响机制。本项目的实施有利于深入认识变化环境下的流域地表水土过程演变规律，为气候变化和强烈人类活动干扰下的黄土高原水土保持、生态修复及流域综合管理提供科学依据。

黄河水沙变化一直是备受关注的热点。近年来，受气候变化和人类活动的影响，黄河水沙急剧减少，导致河道萎缩，断流频发。本项目选取延河流域为研究对象，采用Mann-Kendall趋势检验法、水文法和弹性系数法研究了延河流域1960-2011年降水、径流和输沙的演变特征，定量评价了人类活动和降水变化对径流水沙的贡献率；通过建立SWAT水文模型评价了气候变化、土地利用和坝库工程对流域水沙变化的影响程度。结果表明1960年—2011年延河流域52年来径流量和输沙量均呈显著减小趋势，分别以每年 0.02 亿 m3和 0.01 亿 t 的速度减少；径流量和输沙量以1996 年为临界年份发生突变性减少，但年降水量并未发生显著突变；人类活动是导致降水—径流、降水—输沙关系变化的主要原因，其对区间径流量、输沙量减少的贡献率分别为79.2%和88.1%。延河流域在年降水量未发生显著变化。人类活动依然是延河流域水沙减少的主要因素，通过弹性系数法计算的径流对降水变化的敏感性为 1.26，降水对径流减少的贡献率为 33.6%，采用水文法计算的降水变化对径流减少的贡献率为32.6%，与采用弹性系数法计算结果基本一致。基于延河水沙序列突变特征，采用基准期1960—1972年甘谷驿水文站的月径流输沙数据对SWAT模型进行率定和验证，模型模拟径流结果的纳什系数(NS)和决定系数(R2)超过了0.6，模拟输沙量的NS和R2超过了0.5。说明模型模拟结果满足精度要求，能够反映延河流域水沙逐月变化过程，可进一步评价水沙变化对气候、土地利用/覆被和坝库工程变化的响应。延河流域不同时期土地利用变化明显,1978—2010年间，林地、草地呈增加趋势，其中林地增加速度最快；耕地具有显著的减少趋势。利用不同时期气候、土地利用组合情景模拟流域径流变化情况，结果表明，近期（1997—2010年）人类活动和气候变化对流域径流减少的贡献率为74.6%和25.4%；人类活动和气候变化对流域输沙量减少的贡献率为89.2%和10.8%。与1978年土地利用条件相比，2010年土地利用条件引起流域产流减少0.31亿m3；1996—2010年期间，淤地坝平均每年拦水和拦沙量为0.32亿m3和0.122亿t。2000-2010年梯田的建设分别减少延河流域径流和泥沙量分别为546万m3和336.8万t。