黄土丘陵区典型流域土壤侵蚀时空演变特征及其驱动机制:以祖厉河为例

黄土丘陵区作为中国生态脆弱区,水土流失形势严峻,准确评估其土壤侵蚀时空变化规律,深入探究其背后的驱动机理,对于指导当地水土保持工作具有重要科学意义。以祖厉河流域为研究对象,基于RUSLE土壤侵蚀评估模型,结合转移矩阵、空间自相关和地理探测器等地学统计分析工具,对2000-2020年间土壤侵蚀模数的空间分布格局及背后驱动力进行评估。结果显示,1)2000-2020年祖厉河流域土壤侵蚀强度等级以微度和轻度为主,20年间平均土壤侵蚀模数由1.299×10^(3)t∙km^(−2)∙a^(−1)下降至635 t∙km^(−2)∙a^(−1),即侵蚀强度等级由轻度侵蚀降为微度侵蚀。2)2000-2010年期间,约有1.968×10^(3)km^(2)的区域土壤侵蚀状况向良性方向发展,占流域总面积的18.4%;而在2010-2020年间,约有3.089×10^(3)km^(2)的区域土壤侵蚀情况得到改善,占流域总面积的28.9%,水土流失治理效果显著。3)祖厉河流域土壤侵蚀存在明显的空间聚集性,其中“高-高”聚集区主要分布在会宁县与安定区交界处以及流域西北部的山地丘陵地带,“低-低”聚集主要分布在流域北部和西南部沿岸平原地区,20年来该“高-高”和“低-低”聚集类型面积逐年减少。4)降水是影响土壤侵蚀的首要因素,梯田在改善土壤侵蚀状况中发挥了重要作用,自然因子与人类活动因子之间的共同作用塑造了土壤侵蚀空间分布格局。未来水土保持治理重点应聚焦于低温干旱、高海拔、地势陡峭、植被覆盖低、土壤砂粉化程度高和梯田分布少等条件的风险区。

祖厉河流域水质评价与时空变化分析

祖厉河是黄河上游重要的一级支流,其水质状况直接影响到黄河干流水质。为了解祖厉河流域近年的水质状况,收集了7个监测断面2016—2020年的17个水质指标数据,使用单因子评价法、主成分分析法和综合污染指数法探究了祖厉河流域水质的时空变化特征。结果表明:(1)2016—2020年,祖厉河流域水体水质指标中氨氮、总磷、Cd、高锰酸盐指数、化学需氧量和粪大肠菌群存在超过《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅴ类标准限值的风险。(2)3种方法评价结果大体一致,下游因水量大、环境容量高、水体自净能力强而水质较好,上游因水量小、距离污水处理厂近而水质较差。(3)2016—2020年祖厉河流域水质状况逐年改善,2020年综合污染指数已达到清洁,水质较好状态;年内夏季相对较好,冬季相对较差。

基于Mann-Kendall法的祖厉河流域水沙特征及趋势分析

为了探究半干旱黄土区水沙特征及变化趋势,采用Mann-Kendall非参数检验法,对祖厉河流域2001—2016年的降水量、径流量与输沙量进行了分析研究。结果表明:研究期内年降水量呈不明显增加趋势,年变化幅度为1.83 mm/a,汛期降水量呈减少趋势,年变化幅度为-2.01 mm/a;年径流量与汛期径流量变化曲线基本一致,总体都呈显著波动下降趋势(P<0.05),径流量年变化幅度为-3.85×10^(6) m^(3)/a,汛期径流量年变化幅度为-2.729×10^(6) m^(3)/a,二者突变时间均在2013年左右,突变以后UF k值超过95%的信度线(α=0.05),呈现急剧减少趋势;输沙量和径流量呈现相似的显著减少趋势,年输沙量与汛期输沙量变化曲线基本一致,年输沙量和汛期输沙量年变化幅度均为-1.06×10^(6) t/a,二者突变开始时间均在2011—2012年之间,2014年以后UF k值超过95%的信度线(α=0.05),呈急剧减少趋势。

基于遥感和GIS技术的祖厉河流域植被覆盖动态变化监测

利用祖厉河流域1987,1993,2003年的TM图像和2000年的ETM^+图像共四期数据提取归一化植被指数(NDVI),运用混合像元模型(MPM)及NDVI反演植被覆盖度,并划分为4个不同的盖度等级.根据盖度等级的空间分布特征,比较分析了祖厉河流域植被覆盖变化情况.结果表明:整个祖厉河流域植被覆盖在1987-2000年逐步退化,到2000年起开始逐步恢复,经历了从逐步退化到逐步恢复的过程,植被的变化和土地利用方式紧密相关.基于遥感技术进行祖厉河流域植被覆盖度动态变化分析的研究思路和方法,为祖厉河流域生态环境保护提供参考依据.

基于GIS技术的祖历河流域粮食产量及粮食安全分析

借助3S（RS、GIS、GPS）技术,在地处干旱、半干旱黄土高原、水资源是土地生产力限制因子的祖历河流域,建立了流域粮食单产10年平均值的产量估算限制因子回归模型。通过将该模型与GIS耦合,模拟了全流域粮食产量的空间分布,以乡镇为离散单位,统计分析了流域粮食总产量和人均粮食产量及其空间分布,分析了流域粮食供需现状以及粮食安全问题。结果表明：祖厉河流域主要以雨养农业为主（旱地面积占总耕地的92.74%）,由于水资源短缺,旱地粮食产量普遍偏低,单产在630.1∽1 231.5 kg·hm-2之间,仅有水浇地单产的1/4∽1/5,而且空间分布不均匀;灌区粮食产量较高,可达3 750∽5 250 kg·hm-2;全流域粮食总产量4.17×108t,人均粮食产量481.94 kg·人-1,粮食产量能够满足流域人口需要。虽然人均粮食产量小于395 kg·人-1的乡镇有16个,占全流域的25.4%,但可以通过流域内部粮食调配,实现供需平衡。

祖厉河流域近50a降水变化及典型人类活动对降水的影响

对祖厉河流域近50a降水资料的分析结果表明：祖厉河主流域区等降水量线纬向分布特征明显，降水量随纬度增高而减少；在流域南部和东北部高度差大的地方，降水量随高度增高而增加；受地形影响，祖厉河中下游有一条干舌自西北向东南伸到流域东部边缘，与周边区域相比，干舌区降水偏少90～140mm。近50a祖厉河流域降水显著减少，区域平均减少106．4mm。小波分析表明，25a以上和10a左右的降水变化周期很明显，目前处于偏少期；区域平均降水量从20世纪60年代后期开始减少，1986年发生了突变，之后迅速减少。流域内降水季节分配很不均匀，夏季降水最多，占年降水的55％，春、秋季均占年降水的21％，冬季占年降水的3％；春、夏季降水减少不显著，秋季降水减少显著，但进入本世纪，秋雨开始增多，冬季降水有不显著的增多趋势。中下游过度垦殖及河流源头过多的小水利工程等人类活动造成地表状况变化，降水有加剧减少的迹象；流域外大量调水虽然对降水不足有相当的补偿作用，但地表调水显然没有使流域内的天然降水量增加；地表植被增加和人类活动对地表影响较小的区域降水减少比较缓慢。

基于GIS的祖厉河流域土壤侵蚀治理模式模拟研究

借助RS图像信息提取技术,对祖厉河流域遥感影像进行校正与信息提取。利用GIS栅格数据空间分析功能,将研究区空间化为30m×30m的栅格单元。根据土壤流失方程RUSLE生成各因子栅格图,借助GIS空间分析功能,实现该区土壤侵蚀评估模拟。结果表明:祖厉河流域1995年、2005年、2015年土壤侵蚀模数分别为2 877,3 372,3 713t/(km2·a);从侵蚀量变化来看,1995年总土壤流失总量为29 608 397t/a,2005年总土壤流失总量为34 694 588t/a,2015年总土壤流失总量为38 202 817t/a,年平均流失模数为3 713t/(km2·a)。从土壤侵蚀空间分布和侵蚀量变化来看,研究区土壤侵蚀度呈现南北低、中部高;河流深切区低,高山林立区高的特点。针对研究区,提出4种模拟治理并进行验证,分析得出完全采取人工提升林区植被增长速度,主要包括全力发展坡地退耕还林还草的高效治理模式是该区最佳治理模式,可有效改善土壤流失状况,使平均土壤流失模数降为2 656t/(km2·a)。

祖厉河流域生态环境修复型农业经济模式探讨

通过对祖厉河流域资源配置的分析:流域内土地面积大、土层较厚、表层土壤疏松、土肥容易流失;土壤呈微碱性,土壤养分氮少、磷缺、钾适中;祖厉河流域光照充足,辐射较强,但光能利用率低,提高太阳能利用率的潜力巨大;流域内气候温凉,山、川、塬热量差异较大,川区热量富足,山、塬区热量略欠;植物生长季节短,易发生冻害;祖厉河流域降水总量少,且减少趋势显著;降水时空分布不均匀,降水变率大;水资源供需矛盾相当突出,水资源是其他自然资源利用的制约性因素.小流域治理的典型案例表明:祖厉河流域发展集水型循环生态农业经济的主要技术途径是建设生态环境修复体系;生态环境修复体系建设要遵循科学分区、注重效益的原则,实行人工治理和生态修复相结合,工程措施和耕作措施相结合,按照不同的功能区域进行建设,通过综合治理和功能区域的逐级建设,祖厉河流域的生态环境能够修复.集水型循环生态农业经济体系能减少系统的无效输出,实现系统物能高效循环转化,提高系统对自然资源的利用率.

祖厉河流域水土盐化空间分异特征研究

盐化问题是制约区域发展的重要因素之一。为了解决祖厉河流域盐化问题，利用相关分析法对流域内盐化水土的分布和形成原因进行了调查和分析。结果表明：流域内的水土盐化是相互影响、相互制约和相互转换的，呈现出较显著的对数关系，相关系数为0．8125。流域内水土的盐化分布具有显著的空间分异特征，盐分由地面垂直向下逐渐减少，由上游至下游、干流南岸至北岸逐渐增加。水质类型由上游的咸水演变成下游的盐水，土体类型由上游的弱盐化土发展到中下游的中盐化土。成土母质中0．5％～0．8％的易溶盐是流域盐化的主要盐分来源，干旱与半干旱区特殊的气候条件、岩土类型、地形和人类活动又加速了流域内的盐化进程。

基于GIS的祖厉河流域土壤侵蚀治理模式模拟研究

利用遥感图像处理技术，借助GIS软件的栅格数据空间分析功能，以祖厉河流域为研究对象，依据土壤流失方程RUSLE模型生成各因子栅格图，使用GIS软件的空间分析功能，实现祖厉河流域的土壤侵蚀评估与模拟，在此基础上设计了不同情景下的土壤侵蚀治理模式，以便解决研究区土壤侵蚀带来的一系列问题．研究结果表明：祖厉河流域1995、2005和2015年土壤侵蚀模数分别为2877．87t·km-2·a-1、3372．24t·km-2·a-1和3713．23t·km-2·a-1；从侵蚀量变化来看，1995年总土壤流失总量为29608397．23t／a，2005年总土壤流失总量为34694588．64t／a，2015年总土壤流失总量为38202817．64t／a。年平均流失模数为3713．23t·km-2·a-1，从侵蚀量看，研究区土壤侵蚀仍然呈恶化趋势；从土壤侵蚀空间分布和侵蚀量变化来看，研究区土壤侵蚀度呈现南北低、中部高；河流深切区低，高山林立区高的特点．针对研究区情况，提出4种模拟治理并进行验证，经模拟分析得出高效治理模式是该区最佳治理模式，可有效改善土壤流失状况，使平均模数降为2656．88t·km-2·a-1．

祖厉河流域水体盐分空间分布特征及演化过程

运用水化学方法,通过对祖厉河这一黄河上游重要支流的多次实地考察和采样,结合区域水文地质条件,对祖厉河流域水体盐分的空间变化特征进行分析,并揭示流域水体的演化过程。结果表明,流域水体TDS普遍较高,总体以咸水为主。水中阳离子以Na^+为主,阴离子则以Cl-、SO_4^(2-)为主。水化学类型方面,源区地下水以Mg-Ca-Na-HCO_3型水为主,河水则以Na-Mg-Cl-SO_4型水为主。流域内水体盐分主要来源于阳离子交替吸附作用、上游地下水淋滤地层盐分后以泉的形式向河流排泄以及河流径流过程中侵蚀两岸高盐分土壤或含盐地层。径流过程中,当地干旱的气候环境使水体进一步蒸发浓缩,这是流域内水体TDS进一步增高的外在水化学演化过程。总之,由于多种来源的盐分,特别是源区高TDS地下水排泄、流域内强烈的土壤侵蚀以及干旱的气候条件等多重作用过程,是祖厉河TDS显著增高失去水资源功能的主要机制。

祖厉河流域水沙演变规律及其成因分析

应用祖厉河流域1956~2016年实测水文资料,采用水文统计法、差积曲线法、突变检验法等方法,分析了流域水沙时空分布规律及水沙关系。结果表明:祖厉河流域年降水量、年径流深从上游向下游减小;支流关川河巉口以上年输沙模数相对较小,中游会宁-郭城驿最大。4个代表站历年降水量、径流量、输沙量均呈显著减少趋势,降水量年内分配主要集中在5~9月,径流量和输沙量主要集中在6~9月;水沙变化的突变年份为1999年,基准期1956~1999到措施期2000~2016年多年平均年径流量和输沙量分别减少了39.6%、72.9%。流域降水量年均减少0.53~1.23mm,气温年均升高0.029~0.042℃/a,植被覆盖度年均增加0.85%/a,降水减少、水土保持措施面积增加和植被覆盖度大幅提高是流域水沙持续减少的主要原因。

祖厉河流域最大暴雨洪水特性研究

依据祖厉河流域实测水文资料,利用水文学、数理统计学等理论和方法,分析了流域暴雨、洪水的时空分布规律,拟合了最大暴雨量P随暴雨历时T变化的平均关系曲线及外包线,选取上下游水文站4场相应典型洪水过程,分析其变化特性和暴雨成因。结果表明:流域10 min、30 min、1 h、3 h、6 h、24 h最大暴雨量多年平均值分别为7.9、13.3、16.6、23.3、27.6、38.2 mm,暴雨量最大值主要发生在关川河流域,最小值均发生在最下游的靖远站;最大暴雨和洪水年内分布主要集中在汛期,历年最大暴雨量除会宁站30 min略有增加外,其余站点各时段最大暴雨量均呈减小趋势,年最大流量总体呈持续减小趋势,发生大洪水的频次在减少;会宁、郭城驿、靖远站历年最大流量均值分别为248、415、474 m3/s,100 a一遇洪峰流量分别为1263、1525、2395 m3/s,50 a一遇洪峰流量分别为1026、1297、1969 m3/s;流域洪水过程与暴雨量及其时空分布有关,较大洪水一般是全流域普遍发生大暴雨所致,中下游水文站控制断面洪水过程经常发生连续涨落的复式洪峰;干流洪水传播时间与洪峰流量大小和河道比降有关,会宁—郭城驿段洪峰传播时间为5.0~13.0 h,郭城驿—靖远段洪峰传播时间为4.6~11.1 h。

祖厉河流域降水特征及变化趋势分析

通过对14个代表站降水量资料的分析,得出了祖厉河流域降水量的变化特征、时空分布规律及变化趋势。祖厉河流域降水量年内分配不均,年际变化大,降水量随时间递减的趋势显著。

地区场选样洪水计算在西部流域应用分析

为采用地区场选样洪水计算方法分析研究建立了西部祖厉河流域设计洪水计算经验公式,设计计算成果经与皮尔逊三型频率曲线设计计算成果比较分析,计算成果精度较高。由此确定了该流域设计洪水计算相关成果图及查算表,为该流域设计洪水计算提供技术支撑。

基于RUSLE模型的祖厉河流域土壤侵蚀时空分异特征分析

以祖厉河流域为研究区,借助RS的图像信息提取技术,对研究区遥感影像进行校正与信息提取。利用GIS的栅格数据空间分析功能,将研究区空间离散化为30 m×30 m的栅格单元。根据修正的通用土壤流失方程RUSLE生成因子栅格图,借助GIS空间分析功能,实现研究区的土壤侵蚀评估模拟。研究结果表明:祖厉河流域1995、2005和2015年土壤侵蚀模数分别为2 877.87、3 372.24和3 713.23 t/(km2·a);从侵蚀量变化来看,1995、2005、2015年土壤流失量分别为2 960.84万、3 469.46万、3 820.28万t。从土壤侵蚀量空间分布和侵蚀量变化来看,研究区土壤侵蚀程度呈现南北低、中部高,河流深切区低、高山林立区高的特点。

跨流域引水工程对祖厉河流域径流的影响研究

祖厉河流域在黄土高原干旱半干旱区是一个十分典型的流域,河流径流量的变化主要受降水、下垫面、人类活动等因素的影响。引黄灌溉回归水的加入,增大了河流天然径流量,并且回归水对枯期径流的影响更为显著。考虑未来引洮工程的影响,对祖厉河流域的径流变化趋势进行了分析预测,表明各阶段年径流呈丰枯交替变化,在2005年以前总体上呈衰减趋势,20世纪90年代衰减趋势加剧,到2000年后,特别是2010年以后,受引洮一期工程回归水的影响,径流又呈稳定回升趋势。

黄河上游干旱区祖厉河流域生态发展模式研究

祖厉河流域位于黄河上游干旱半干旱区,是黄河上游的重要支流,其发展模式对黄河上游干旱区高质量发展有着重要示范意义。本文通过调查交流和总结已有研究成果,提出流域契合生态型发展模式。结果表明:河流特殊的地理环境造成流域资源性与水质性缺少并存的本底条件,流域内采砂、河道治理和土地利用等人类活动对生态造成较大扰动。流域发展应分区域分重点精准施策,川区重在实施灌区现代化改造,节约集约利用域外调水资源,山塬区推广旱作生态农业。通过小流域综合治理和适当人工植绿,引导流域生态向更健康的方向演替。

基于遥感技术的祖厉河流域LUCC与蒸散发研究

本文以陇中黄土高原的祖厉河流域为研究区,基于Landsat系列遥感影像,利用主成分变换方法,与地面温度和植被指数相结合,进行土地利用/土地覆盖提取研究,在此基础上,探讨祖厉河流域土地利用/土地覆盖变化(LUCC)及其驱动因素。利用基于TM影像的SEBAL(Surface Energy Balance Algorithm for Land)模型,从祖厉河流域三期影像提取了区域蒸散发通量。首先进行了NDVI、比辐射率和地面温度等地表参数的计算,然后反演了地表的净辐射、土壤热通量和感热通量,根据能量守恒最终获得日蒸散发量。结合气象观测数据反演作物系数,最后计算月蒸散发量。对同期的土地利用/土地覆盖数据和陆面蒸散发量进行对比分析,探讨了土地利用类型的变化对流域内能量和水分时空分异的影响。

基于遥感的祖厉河流域土地分类及其分布空间分析

以陇西黄土高原的祖厉河流域为研究区,利用1993和2007年两期TM影像数据对研究区土地利用类型进行分类,在此基础上结合数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）、多年平均降水量的空间分布数据,利用地理信息系统（GIS）空间分析方法,重点分析坡耕地、林地和草地的气候特征空间与地形特征空间,研究得出：①14 a内研究区大约有214.82 km2坡耕地被治理,但2007年仍有145.08 km2处于临界坡度以上。②林地大致分布在降水量386~517 mm之间,14 a内人工林地有所增多。③在人为活动的干扰下,草地的覆盖度普遍降低。植被的恢复和重建是流域治理的切入点,该项研究目的为退耕还林还草提供科学支撑,服务于建立祖厉河流域生态系统的良性循环。