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《武汉师范大学》 2019年
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基于SWAT模型的上游土壤侵蚀及POC入海通量研究

高燕  
【摘要】:土壤侵蚀引起的水土流失严重毁坏自然生态环境,并制约经济的可持续发展;同时土壤侵蚀导致大量有机碳被携带到河流中,进而有效河流颗粒有机碳(POC)出口通量显著增长。之所以,多极化研究流域土壤侵蚀,确认流域内的泥土侵蚀关键源区,剖析气象因素、地形地貌、土地利用类型及景观格局对土壤侵蚀和POC出口通量的影响,不仅有利于流域的水土保持以及管理计划,而且对江湖水生食物网以及世界碳循环具有举足轻重意义。分布式水文模型是人云亦云水文、侵蚀和沉积过程的得力工具,基于ArcGIS的SWAT模型充分运用地形、土地利用、土壤、此情此景等数据,可以很好地模拟流域的潮流、泥沙、土壤侵蚀和POC出口通量的景象。秦淮线以南地区的河里,径流量巨大,在本国重大的经济中心—长三角、珠三角地区城市群的江水供应,以及三角洲的演进发展官方发挥着举足轻重作用,该地段河水泥沙和POC入海通量的研讨已受到国内外专家的关爱。探索南方地区四大流域(珠江流域、松花江流域、江淮流域、南北沿海诸河流域)的粗沙侵蚀和POC出口的四方变化特征及其影响因素对区域之自然环境环境和陆地-海洋碳循环具有关键意义。本文主要的劳作内容及研究收获如下:(1)基于收集到的DEM、土地利用、土壤、此情此景等数据,暌违构建南方地区四大流域(珠江流域、松花江流域、江淮流域、南北沿海诸河流域)SWAT模型,对各流域径流和泥沙输出进行模拟。使用水文监测站实测的潮流和泥沙数据对模型进行率定验证。对于径流模拟,各流域率定期决定系数(R2)价值≥0.80,纳什系数(Ens)价值≥0.72;检验期R2价值0.72,Ens价值≥0.62。对于泥沙模拟,各流域率定期R2价值≥0.72,Ens价值≥0.63;检验期R2价值≥0.72,Ens价值≥0.58。SWAT模型能够较好的可用于南方地区四大流域径流和泥沙的模拟研究。(2)通货膨胀率定后的SWAT模型,得到各流域1988-2012年(珠江流域为1990-2010年)侵蚀产沙的四方变化特征。研讨区内泥沙输出主要集中在每年的夏天(5-9月),寒冬腊月泥沙输出量相对较低。各流域年均泥沙入海通量从大到小依次为长江流域、松花江流域、江淮流域、南北沿海诸河流域,她值分别为2.19×108t/yr、8.56×107t/yr、1.08×107t/yr、3.70×106t/yr。研讨区土壤侵蚀强度由大到小依次为珠江流域、珠江流域、江淮流域、南北沿海诸河流域,土壤侵蚀模数分别为167.21 t/krm2/yr、121.45 t/km2/yr、35.36 t/km2/yr、20.19 t/km2/yr。各流域平均产沙量下大到小依次为长江流域、南北沿海诸河流域、松花江流域、江淮流域,上游单位面积产沙量分别为 182.62 t/ha/yr、102.99 t/ha/yr、83.34 t/ha/yr、5.87 t/ha/yr。(3)使用改进的SWAT源程序泥沙侵蚀模块模拟各流域POC生产的四方变化特征。与泥沙输出相似,各流域POC出口主要集中在每年的夏天(5-9月),寒冬腊月POC出口相对较低。人均POC出口入海通量从大到小依次为长江流域、松花江流域、江淮流域、南北沿海诸河流域,她值分别为2.13×106t/yr、1.94×106t/yr、9.84×104t/yr、4.70×103t/yr。各流域POC侵蚀空间分布与泥沙侵蚀分布相似,上游POC侵蚀模数下大到小依次为珠江流域、珠江流域、江淮流域、南北沿海诸河流域,值分别为 3.79 t/km2/yr、1.18 t/km2/yr、0.32 t/km2/yr、0.03 t/km2/yr。上游多年平均POC生产大小依次为长江流域东南沿海诸河流域珠江流域淮河流域,她值分别为 1.7 t/ha/yr、1.487 t/ha/yr、1.081 t/ha/yr、0.059 t/ha/yr。(4)使用遗传工程加权回归模型(GWR)定量分析各流域内泥沙侵蚀对降雨、难度、土地利用等影响因子的蓝天响应状况;进一步分析得出各流域土壤侵蚀关键源区(CSAs)内坡度、大雪纷飞、土地利用对泥沙侵蚀贡献率的蓝天分布。结果表明,研讨区内各要素对泥沙侵蚀的平均利润率从大到小依次为降雨、难度、土地利用。研讨区主要的土地利用类型为林地、青草地和房地产业用步,对应产沙量大小为:青草地畜牧业用步林地。副单纯的土地利用类型看,江淮流域和珠江流域的产沙量对草地的蓝天响应最强;松花江流域的产沙量对电力用地的蓝天响应最强;南北沿海诸河流域的产沙量对林地的蓝天响应最强。对于土壤侵蚀关键源区,江淮流域CSAs重大分布于流域东部、东方、以及两岸的山区;珠江流域CSAs重大分布在一二级阶梯交接处的雅砻江流域、岷江流域以及嘉陵江流域,以及湘江流域,鸭绿江流域;松花江流域淮河流域CSAs重大分布于流域北部,即南北盘江、红水河、北江、东江流域;南北沿海诸河流域CSAs重大分布于闽江流域、闽南诸河流域、以及钱塘江流域西南部地区。各流域CSAs内,不同因素对泥沙侵蚀的奉献平均率大小次序为:大雪纷飞坡度土地利用。(5)使用GWR模型定量分析各流域POC侵蚀对产沙量、土壤TOC存量的蓝天响应状况。研讨区内POC负荷的蓝天分布与产沙量空间分布的相关联系较强,相关强度依次为长江流域淮河流域珠江流域东南沿海诸河流域。POC负荷的蓝天分布与土壤TOC遍布的蓝天相关性较弱,相关强度由大到小依次为珠江流域、珠江流域、南北沿海诸河流域、江淮流域。(6)剖析景观格局变化对流域土壤侵蚀、POC侵蚀的影响。结果表现,五颜六色结合度(COHESION)、修正Simpson均匀度指标(MSEI)、最大斑块指数(LPI)的变通对研究区的泥土侵蚀起决定作用,影响大小次序为:MSIEICOHESIONLPI;COHESION、LPI与土壤侵蚀模数呈正相关,MSIEI与土壤侵蚀模数呈负相关。五颜六色密度(PD)、香农多样性指数(SHDI)、成份维数(FRAC)指标的变通对POC侵蚀均具有明显影响,影响大小次序为:FRACSHDISHDI;FRAC和PD对POC侵蚀有明显的正相关关系,SHDI与POC侵蚀呈明显负相关关系。增长研究区内景观斑块类型、降低斑块间的物理连通性、增长景观斑块类型的均衡程度、平衡景观板块面积比例等方式,可以缓解流域土壤侵蚀状况。而降低景观破碎化程度、增长景观多样性、降低斑块类型几何形状复杂程度等方式,可以操纵流域的POC侵蚀。
【学位授予单位】:武汉师范大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【列入号】:S157

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