梯田和淤地坝建设对流域水文与泥沙连通性的影响研究

作     者：潘金金 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：任宗萍

授予年度：2023年

学科分类：082802[工学-农业水土工程] 090707[农学-水土保持与荒漠化防治] 0907[农学-林学] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：梯田 淤地坝 生态建设 地形 水文连通性 泥沙连通性 

摘      要：泥沙连通性的动态评估是全面了解泥沙源区和汇区之间输运的重要一步,阐明侵蚀与相应的产沙之间的过程,用于描述不同空间和时间尺度上来自不同景观部分的泥沙转移。近年来黄河水沙锐减,该区域大规模生态建设措施引起区域生态环境变化被认为是黄河水沙变化的主要影响因素之一,但是内部机理仍不明晰。因此,本研究以黄土丘陵沟壑水蚀区葛岔小流域为研究对象,通过对流域生态建设前的地形进行重构,设置4种生态建设情景,即情景S0:无梯田无淤地坝、情景S1:有梯田无淤地坝、情景S2:无梯田有淤地坝、情景S3:有梯田有淤地坝。分析不同生态建设情景下的地形变化特征,探讨水文和径流泥沙的度量方法,研究不同生态建设情景下水沙连通性特征,揭示不同生态措施对流域水沙连通性的影响,取得的主要结论如下:(1)基于面向对象方法识别并提取梯田和淤地坝范围,利用等高线重构不同生态建设下的地形,分析不同生态建设情景下地形变化特征。生态建设使流域内小坡度面积增加,大坡度面积减少,情景S0、S2坡度主要集中在10～15°,情景S1、S3坡度范围主要集中在5～15°;梯田和淤地坝的共同作用改变了坡长,情景S3平均坡长相对情景S0、S1、S2分别降低了 69.41%、47.26%、69.51%;情景S3的平均坡度坡长LS因子相对情景S0、S1、S2分别降低了 44.72%、26.17%、42.86%。对于不同分辨率生态建设对地形的影响,坡度最大值随着分辨率的降低而降低,坡长均值随着分辨率降低而增加,LS因子均值随着分辨率降低而增加。(2)基于水流方向和权重计算流域水文连通性指数,不同情景下流域径流长度指数FL空间分布由山顶至沟道逐渐递减。生态建设降低了流域内的水流路径长度,情景S1、S2、S3中径流长度指数相比情景S0分别降低了 9.14%、5.38%、76.08%。当分辨率为1 m、2m时,情景S0、S1、S2的FL指数随分辨率的降低而减小,反之亦然;不同生态建设同情景中,在分辨率小于10m时,各生态建设情景下径流长度因子均被高估约1/3。此外,FL冷热点分析表明,冷热点区域对应水文连通性高和低的区域,情景S1、S2、S3相较情景S0的冷热点面积分别减少了 14.62%、0.63%、58.03%。(3)通过来沙潜力指数和输沙潜力指数计算连通性指数IC,分析IC与生态建设之间的关系。情景S1、S2、S3的坡面来沙潜力指数相较情景S0分别降低了 72.93%、1.12%、78.45%;情景S2、S3沟道输沙潜力指数小于情景S0、S1,即淤地坝建设降低了沟道内的输沙潜力。生态建设降低了流域径流泥沙连通性指数,情景S3中IC指数比情景S0、S1、S2分别降低了 22.02%、7.26%、18.39%,同时布设坡面和沟道措施大于仅布设单一措施对连通性的影响。将流域侵蚀与连通性相匹配,情景S1、S3中LE-LC模式相较情景S0、S2分别增加了 39.34%、60.61%和29.65%、49.45%,表明生态建设减少了侵蚀面积,降低流域泥沙连通性。