黄土高原小流域洪水过程对还林与还草模式的响应研究

作     者：范嘉耕 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：任宗萍;王友胜

授予年度：2024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] 081501[工学-水文学及水资源] 09[农学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：植被恢复模式 降水径流特征 洪水过程 MIKE模型 地形 植被措施格局 

摘      要：为应对长期的水土流失和生态环境退化问题,黄土高原自1999年开始实施退耕还林还草工程,大规模的植被恢复使植被覆盖度大幅提升,极大地影响了流域的径流特征,抑制了水土流失的同时却也加剧了水资源紧缺问题。探究还林和还草模式对流域径流的影响,尤其是对小流域洪水过程这一黄士高原地区径流主要组分的影响,可为流域综合管理提供参考。鉴于此,本文选取南小河沟流域内相邻的杨家沟流域(还林模式)和董庄沟流域(还草模式)作为研究对象,分析了小流域年尺度、次降雨尺度的降水、径流特征及降雨-径流关系,并划分降雨雨型,阐明不同降雨雨型下还林和还草小流域的径流特征;构建MIKE SHE和MIKE 1 1耦合模型,并进一步评估了不同DEM分辨率下的洪水过程模拟效果；开展不同地形下洪水过程模拟,阐明了地形对洪水过程的影响;设计了上草下林这种植被措施格局和不同降雨量级的降雨过程,研究不同植被格局和降雨量级对洪水过程的影响,为黄土高原可持续生态建设提供科技支撑。论文取得的主要结论如下: (1)阐明了 2005—2014年杨家沟和董庄沟流域年尺度、次降雨尺度的降水、径流特征。杨家沟和董庄沟流域的多年平均径流深分别为12.1mm和27.8mm。杨家沟流域在丰、平、枯三种降水年型的平均次洪径流深分别为4.7mm、2.1mm和1.1mm;董庄沟流域则分别为7.3mm、3.8mm和1.3mm。两个流域次降雨的降雨量·径流深关系均表现出一定的阈值效应,杨家沟和董庄沟产流的雨量阈值分别为14 mm和10 mm。在不同降雨量级的场次降雨下,董庄沟流域的洪峰流量和径流深分别为杨家沟流域的1.4～15倍和2.1～4.4 倍。 (2)辨析了不同降雨雨型下还林和还草小流域的径流特征。选取降雨量和前5d降雨量作为降雨雨型分类特征变量,采用K-均值聚类法得到4类雨型,分别为A雨型、B雨型、C雨型、D雨型。两个流域在B雨型下平均次洪径流深最大(6.3 mm和9.5 mm),平均洪水历时最长(67.7 h和30.6 h),在C雨型下平均流量最大(0.04 m3/s和0.17 m3/s)。杨家沟在B雨型下洪峰流量最大,为0.17m3·s-1,而董庄沟在C雨型下洪峰流量最大,为0.52m3·s-1。杨家沟在B雨型降雨下的径流系数最大(0.11),董庄沟在A雨型降雨下的径流系数最大(0.20)。相较于还草模式,还林模式能够降低径流深和洪峰流量,降低幅度在小雨量大雨强的C雨型下最大。 (3)构建了 MIKE耦合模型,获得了模型在不同数字高程模型(DEM)分辨率下的模拟效果。构建了杨家沟和董庄沟的MIKE SHE和MIKE 11耦合模型,在本次模拟中,率定阶段模型的决定系数均大于0.66,纳什效率系数均大于0.65;验证阶段模型的决定系数均大于0.66,纳什效率系数均大于0.60。模型模拟结果满足精度要求,可以用来模拟黄土高原小流域洪水过程。DEM分辨率对模型模拟结果有显著影响。当DEM分辨率小于等于10m时,模型模拟结果较好,洪峰流量的模拟误差均在8.8%以下;当DEM分辨率大于10 m时,洪峰流量的模拟结果随着DEM精度的降低而不断下降。 (4)分析了还林模式和还草模式下地形对小流域洪水过程和小流域主沟道不同位置洪水过程的影响。董庄沟陡坡多的地形特点使峰现时间提前,洪峰流量模数增大。地形对小流域洪水过程的影响在C雨型降雨下较明显。在C雨型降雨下,在董庄沟地形下还林模式和还草模式的洪水过程峰现时间分别较杨家沟地形提前21min和15 min,洪峰流量分别增大0.14m3/s和0.27m3/s,洪峰流量模数分别增大0.02m3/(s·km2)和0.07 m3/(s·km2)。地形对小流域主沟道不同位置洪水过程的影响同样在C雨型降雨下较明显。C雨型降雨下,董庄沟的洪峰滞时更小,且两个地形的洪峰滞时差值在沟道中游最大,在河流交汇点后有所减少。 (5)分析了不同植被措施格局和降雨量级对洪水过程的影响。相较于还林格局,上草下林格局使洪峰流量和径流量增大,在小雨量大雨强降雨和大雨量小雨强降雨中该格局的洪峰流量比还林格局分别增大33.3%和27.5%,径流量分别增加12.5%和7.7%。相较于还草格局,上草下林格局具有削峰滞洪作用,在小雨量大雨强降雨和大雨量小雨强降雨中该格局的洪峰流量比还林格局分别降低28.6%和10.7%,径流量分别减少9.0%和3.8%。采用同倍比放大法设计不同降雨量级的降雨过程。在不同降雨量级下,董庄沟流域的洪峰流量和径流深分别是杨家沟流域的1.64～3.85倍、1.06～1.51倍,且随着降雨量级的增大,该倍数在减小。