水沙与植被变化专题2013年进展报告_温仲明

不同区域典型支流水沙变化对退耕还林等坡面工程的响应 2013年进展报告

专题负责人： 温仲明 2013年12月16日 报告摘要 根据专题任务与目标，本年度开展的工作主要有：收集整理了延河流域与皇甫川流域的径流、泥沙、气象、影像、数字地形等基础数据；完成了两个典型流域的土地利用变化分析；分析了53年来黄土高原降雨及极端事件时空变化，并重点分析了极端降雨的时空变化；比较了森林/非森林流域径流稳定性及演变趋势对比分析；基于MMF模型，完成了径流与泥沙模拟需要的参数率定，对延河流域的径流产沙进行了模拟；采用野外量测的方法，调查延河流域暴雨集中区不同植被覆盖下的土壤侵蚀产沙情况。 在上述调查研究的基础上，本年度取得的主要进展有：1）延河流域的植被覆盖变化较大，林地覆盖率逐步增加，在2000年后，林草植被覆盖增加显著，而耕地比例则从1978年的66.82%降低至2000年的30.84%，再降低至2010年的16.05%；皇甫川流域的土地利用格局总体上以草地为主，且多年来的耕地、林地及草地面积比例变化较小；2）黄土高原区域年降雨量呈不显著减少趋势，同时降雨量带南移，雨季稍有推迟，尤其是暴雨、大暴雨事件重现期延长；3）林区流域和非林区流域径流量年际尺度分布表现出一致的强变异性，年内分布均为双峰型特征，但林区流域峰型平缓，非林区流域峰型陡峭；无论径流过程或径流量年变化，林区稳定性要明显优于非林区流域；4）MMF模型对径流的模拟精度要显著高于对泥沙的模拟精度，可能的原因，是MMF模型没有考虑淤地坝对泥沙的淤积过程；5）在暴雨集中区，坡耕地的土壤侵蚀量最大，大概是果园地的2倍，草地的4倍，而林草地几乎没有侵蚀；就不同植被结构而言，土壤侵蚀量分别是草本结构＞灌草结构＞乔草结构＞乔灌草结构，具有良好结构的乔灌草群落在本次暴雨中的土壤侵蚀量微弱，大多数并没有侵蚀发生；调查还表明，在植被覆盖大于60%时，土壤侵蚀量渐趋稳定，并且土壤侵蚀微弱，与前人径流小区或观测小区得到的结果一致。专题在上述研究的基础上，发表论文6篇。 报告正文 一、 研究内容与目标 根据项目任务，本专题的主要任务是： 1）了解黄土高原退耕还林（草）工程及生物措施历史演变及现状； 2）退耕还林（草）等生物措施蓄水拦沙的机理及其尺度效应； 3）不同区域典型支流水沙突变对退耕还林（草）工程的响应。 专题的研究目标有： （1）实现小区及流域尺度植被减水减沙效益评估及尺度转换； （2）阐明植被减水减沙机理及流域尺度植被对减水减沙的贡献 （3）评价退耕还林（草）工程对黄河水沙变化的贡献 （4）发表论文3-5篇，其中SCI论文1-2篇 二、 本年度开展工作情况 根据课题任务要求，本年度开展的主要工作有以下几个方面： 1、收集研究区的泥沙水文、数字地形、遥感影像等基础数据，并对遥感影像进行解译，获取典型流域多年来的土地利用变化尤其是植被覆盖变化数据信息，退耕以来的植被覆被变化过程。 2、分析了53年来黄土高原降雨及极端事件时空变化，了解黄土高原降雨的变化及其空间差异，并重点分析了极端降雨的时空变化。 3、选择森林区、费森林区的典型流域，开展了森林/非森林流域径流稳定性及演变趋势对比分析，了解不同区域的典型流域的径流变化趋势，以为了解植被变化对径流的影响提供依据。 4、采用MMF模型，结合延河流域已经开展的工作，率定了模型需要的参数，模拟了延河流域植被减水减沙变化。 5、针对延安地区2013年度暴雨频发情景，组织调查了暴雨发生集中区不同植被类型下的土壤侵蚀调查，了解不同植被覆盖状况下的侵蚀产沙情况。

三、 年度研究进展 1、数据收集 本研究选择的典型流域分别为皇甫川流域和延河流域，其中皇甫川流域干流长137km，流域面积3246 km2 ，地处黄土高原与鄂尔多斯高原的交接地带，属于水蚀风蚀过渡区，是黄河粗泥沙产区及泥沙来源的主要地区。按不同地表物质分布和侵蚀差异可将流域划分为黄土丘陵沟壑区、沙土丘陵沟壑区 、砒砂岩丘陵沟壑区。而延河流域全长286.9 km ,流域面积7725km2 ,是黄河右岸、中游区上段的河口镇至龙门段的一级支流。流域内黄土丘陵沟壑面积占全流域的90% ,其中延长以上为黄土梁峁状丘陵沟谷区,安塞—延长之间沿河一带为河阶地,延长以下为黄土宽梁残塬沟谷区,流域出口处为黄土覆盖石质丘陵沟谷区。两个典型流域在黄土高原水系中的具体位置如下图所示： 根据任务需要，本年度从不同途径，收集整理两个典型流域的泥沙水文、气候、数字地

形及遥感影像等数据，具体数据信息为： ① 延河流域 遥感影像: 1978(MSS),1990-2012(TM) DEM: 5m/25m 气象数据：1960s-2010 径流泥沙： 1970-2010 ②皇甫川流域 遥感影像: 1978(MSS),1990-2012(TM) DEM: 5m/25m 气象数据：1954或1985-2009

图1、典型流域在黄土高原水系中的位置 径流泥沙：1965-2010 2、分析了典型流域植被覆被变化 基于遥感影像，结合地面调查，解译获取了两个典型流域的土地利用变化信息，并重点分析了两个典型流域的植被覆盖变化情况（图2、图3）。

图2.延河流域土地利用图（1978-2010） 表1 延河流域耕地及林草植被变化 根据图2及表2，延河流域的植被覆盖变化较大，林地覆盖率逐步增加，在2000年后，林草植被覆盖增加显著，而耕地比例则从1978年的66.82%降低至2000年的30.84%，再降低至2010年的16.05%。 图3.皇甫川土地利用变化图 表2 皇甫川流域耕地及林草植被变化 根据图3及表2，皇甫川流域的土地利用格局总体上以草地为主，且多年来的耕地、林地及草地面积比例变化较小。 3．53年来黄土高原降雨及极端事件时空变化 对黄土高原区域53年来降雨等值线及暴雨发生频率进行分析，结果表明，黄土高原区域年降雨量呈不显著减少趋势，同时降雨量带南移，雨季稍有推迟，尤其是暴雨、大暴雨事件重现期延长（图4）。 区域间对全球气候变化的响应差异较大。西北部年、季降雨量呈微弱增加趋势，降雨量带移动不显著，极端降雨事件呈明显减少趋势。东南部，年、季降雨量呈较严重的减少趋势，降雨量带明显南移，极端降雨事件有轻微减少趋势。53年来，越来越多的降雨发生在极端事件中，会引起降雨侵蚀力的增加，尤其在黄土高原南、中、东部明显。这些地区植被正承受着降雨减少-温度升高的环境胁迫。降雨量减少可能导致侵蚀减弱，但极端降雨引起的侵蚀量增加（图5）。 图4 黄土高原53年降雨量等值线的变化 图5 黄土高原暴雨发生频率变化图 4．森林非森林流域径流稳定性及演变趋势对比 研究选择黄土高原子午岭林区流域（黄陵、张村驿）和非林区流域（吴起、志丹、刘家河），进行径流稳定性及演变趋势对比分析，结果表明，黄土高原子午岭林区流域和非林区流域径流量年际尺度分布表现出一致的强变异性，年内分布均为双峰型特征，但林区流域峰型平缓，非林区流域峰型陡峭。 林区流域年内分布较非林区流域均匀，前者径流集中期较后者滞后1个月。 近50年来，林区流域径流量无明显变化趋势，而非林区流域年、夏、秋及汛期径流量表现出显著性减少趋势，且有显著的跃变时间。

无论径流过程或径流量年变化，林区稳定性要明显优于非林区流域。 表3流域径流年际分布特征统计

水文站 多年年均 (mm) 最大值(mm) 最小值(mm) 极值比 峰均比 变异系数(C.V.) 黄陵 46.8 132.0（1983） 18.6（1974） 7.09 2.82 0.613 张村驿 21.4 63.8（1964） 7.5（1972） 6.17 3.25 0.460 吴起 27.4 88.9（1994） 12.2（2008） 7.30 3.24 0.505 志丹 38.5 84.3（1977） 9.7（2006） 8.70 2.19 0.485 刘家河 31.9 54.5（1966） 16.8（2006） 3.25 1.74 0.333

024681012

024681012径流深(mm)

月份

黄陵张村驿吴起志丹刘家河 图6 林区/非林区流域月均径流量对比 表4流域径流年内分布特征统计

水文站 集中期 集中度 峰枯比 峰均比 汛期径流深及比例(mm,%) 非汛期径流深及比例(mm,%) 黄陵 8月23日 0.32 4.3 1.9 18.6 39.8 28.2 60.2 张村驿 8月15日 0.23 3.4 1.8 8.3 40.3 12.3 59.7 吴起 7月10日 0.48 20.3 3.4 15.9 58.1 11.5 41.9 志丹 7月12日 0.52 24.5 3.4 23.8 62.0 14.6 38.0 刘家河 7月13日 0.43 11.0 3.0 17.5 55.0 14.4 45.0

表5 流域时段径流量演变趋势检验 时期 黄陵 张村驿 吴起 志丹 刘家河 Z P  Z P  Z P  Z P  Z P  年 -1.09/ ns / -0.273 -0.78/ ns / -0.041 -2.70/**/-0.260 -3.65/ ***/ -0.642 -2.01/ **/ -0.208

春 -1.26/ ns / -0.049 -0.37 / ns /-0.007 -1.06/ ns /-0.011 -3.34 / ***/-0.081 -1.44 / ns / -0.022 夏 -0.42/ ns / -0.037 0.83 / ns / 0.023 -2.81/ ** / -0.224 -2.95/ ** / -0.420 -2.37/ * / -0.201 秋 -1.23/ ns / -0.132 -1.48 / ns / -0.039 -2.04/ * / -0.024 -3.75/ ***/ -0.109 -1.87/ + /-0.030 冬 -0.06/ ns / -0.001 -0.15 / ns / -0.001 0.86/ ns / 0.005 1.51/ ns / 0.015 5.82/ ***/ 0.030 汛期 -1.07/ ns / -0.128 -0.93 / ns / -0.035 -2.59/ ** / -0.200 -3.26/ ** / -0.483 -2.79/ ** / -0.235 非汛期 -0.13/ ns / -0.029 -0.26 / ns / -0.008 -2.27/ */ -0.049 -3.16/ ** / -0.155 -0.06/ ns / -0.002 1月 0.64/ ns / 0.006 -0.24 / ns / -0.001 1.59/ ns / 0.004 3.08/ ** / 0.006 5.86/ ***/ 0.015