文摘

本研究的目的是调查水文气象学模式变化的影响在黄土高原侵蚀地貌演化在过去60年(1950 - 2010)。我们首先描述水文气象学变化模式(rainfall-runoff-soil侵蚀响应)在不同时间尺度(每日、每月、每年)流域,然后进一步研究水文气象学角度对侵蚀地形的影响通过统计量化相结合的分析方法和提出的概念模型rainfall-runoff-soil侵蚀地貌。通过以上调查,取得了以下研究结果。首先,它表明,年径流和泥沙排放明显降低不过降水保持在同一水平,在过去50年(1960 - 2010)。排放的年径流和泥沙下降了30% -90%,-80%和60%。其次,贡献者的水土流失是由综合因素,如降水、河流网络和流域的地形特征。强烈的水土流失面积存在中间丘陵区,而高降水量南部山区。第三,侵蚀地貌发展在很大程度上是由水文气象学特征相比与其他贡献者。它表明有强降水之间的积极关系和侵蚀。

1。介绍

土壤侵蚀是几十年来最引发环境问题的破坏作用[1- - - - - -7]。土壤侵蚀恶化的自然环境和社会经济属性,如土壤质量、农业生产、生态系统稳定性和黄土的社会经济属性(8- - - - - -10]。土壤侵蚀,分为不同的类别(水、风、冰川、重力和人类侵蚀),是由贡献者诸如气候(如降雨)、地形(斜率、河流网络),植被和土地利用覆盖,和人类活动。土壤侵蚀模式的变化改变了这些贡献者。例如,在西班牙地中海环境变得更容易水土流失(11],高山地区有很高的土壤侵蚀风险与极端气候和地形条件,关联和密西西比河的沉积物,尼罗河,湄公河也发生了重大的变化在过去的几十年(12- - - - - -16)由于气候变化和人类活动(17- - - - - -19]。产沙量主要是由计划控制曲率和最高位通道长度,紧随其后的是色积分,降雨,盆地救济等等。在黄土高原流域形状参数和救援参数是影响产沙量的主要因素20.]。大坝和水库的建设,流域纵向联系被削弱导致产沙量的减少,而自然植被间隙和地表采矿活动减少阻力,提高流沉积物的有效性,从而增加产沙量(21,22]。在黄土高原,降水减少的泥沙减少的主要原因,及其时空模式是一致的在过去的几十年。人类活动的贡献率是61% - -93%的输沙量减少10黄河支流的中间达到[23]。

各种方法是研究土壤侵蚀及其相关问题,包括野外观测、实验室测试,定量分析和模型仿真(13,24]。野外观察为土壤侵蚀调查提供第一手的数据(21,25]。数理统计主要关注趋势分析,观察到水流的考验,和降水,其中包括参数和非参数测试。非参数测试通常用来量化水文参数;例如,Mann-Kendall测试已经广泛用于趋势分析(26- - - - - -30.]。地理数据主要用于观测数据的空间分布分析。然而,统计方法不能揭示水文参数的物理过程和关系,解释变化的原因。因此,数学和水文模型已被广泛使用。水文模型通常用于有效地分析水文参数的变化及其对气候变化的反应,人类活动和地形演化。水土评估工具(SWAT)模型,分布式Biosphere-Hydrological(胸径)模型,和社区土地模型(CLM4)版本4常被用于调查回应的流速及流水量LUCC,气候变化和人类活动(31日]。通用土壤流失方程(32)及其继任者,修正通用土壤流失方程(RUSLE),是目前最常用的为土壤侵蚀预测模型。USLE和哭泣是用于研究土壤侵蚀的波动对降雨的影响,植被覆盖率、保护措施和土地使用33- - - - - -36]。

黄土高原几十年来一直经历着严重的土壤侵蚀受到气候变化的影响,水文变化和人类活动(37- - - - - -40]。先前的调查表明,降雨密度土壤侵蚀过程中发挥了重要作用相比其他特性在黄土高原41,42]。土地利用是控制水土流失的关键在这个区域(43,44,据报道,土壤侵蚀与植被的增加急剧减少在过去几十年在黄土高原。土壤侵蚀强度、流程和机制由地形坡度等因素的影响,水速度、渗透,和径流总量在黄土高原20.,45- - - - - -49]。土壤侵蚀密切相关的沉积物运输中间黄河。改变沉积物的主流中产黄河水土流失的变化反映在黄土高原(50]。这些调查提供了丰富的背景知识在黄土高原水土流失。然而,这些研究主要集中在土壤侵蚀的时空特征和在大尺度上气候变化和降雨侵蚀过程的分水岭。在黄土高原水文气象学和侵蚀地貌演化之间的互动仍不清楚。耦合响应的土壤侵蚀和地貌演化尚未详细定量分析,特别是黄土高原。因此,有必要开展水文气象学的耦合分析和定量调查,在黄土高原侵蚀地貌演化。本研究的目的是调查水文气象学模式变化的影响在黄土高原侵蚀地貌演化在过去60年(1950 - 2010)通过统计量化相结合的分析方法和提出概念模型rainfall-runoff-soil侵蚀地貌。我们首先描述水文气象学变化模式(rainfall-runoff-soil侵蚀响应)在不同时间尺度(每小时、每天、每月、每年)从流域的角度,然后分析水文气象学和侵蚀地貌演化。

2。研究区域

黄土高原(100°54′~ 114°33′E和43°33′41°16′N)覆盖624000公里²超过60%受到水土损失主要是位于黄河中游(3943公里)(图1)。黄土高原上的年平均降水250毫米到600毫米不等,从西北到东南逐渐增加。雨季降水(从6月到9月)占总数的60 - 70%。大雨暴雨频繁发生在雨季形式导致洪水和严重的水土流失。强烈侵蚀形成特定的地貌特征,有许多沟壑和分散在黄土高原地貌。高原(元),山脊(梁)、山(毛)是典型的黄土高原地貌侵蚀。冲沟侵蚀占80%以上的水土流失。沟壑密度和分割地面高达8公里/公里²,分割在一些地区地面大约是43.7%。平均侵蚀模数达到5000 - 10000 t·公里⁻²·一个⁻¹,有时甚至达到20000 - 30000 t·公里⁻²·一个⁻¹,它下降到2205.4 t·公里⁻²·一个⁻¹在他长期地区2011年(51]。他长段黄河输沙量的约3.1×10⁸在1980 - 2010和1.6×10 t⁸t 2000 - 2010 (51]。植被破坏是一种重要的贡献者在黄土高原水土流失几十年来,由于人类活动不当(如种植、砍伐森林和经济发展)。然而,它改善了很多项目实施方式在1990年代后增加草地覆盖(总额的30.5%)和森林在黄土高原(总额的12.0%)。更重要的是,植被改善后大量的生态工程等项目检查水坝、梯田、造林实施。

3所示。材料和方法

3.1。数据源和材料

在这项研究中,降雨和水文数据集来自黄土高原的水文和气象电台(图1)和地形数据集从数字高程模型(DEM)中提取。所有这些数据集是用来调查水文气象学模式变化对黄土高原侵蚀地貌演化的影响在过去的60年。76个观测点的气象数据集,包括每日、每月、和年降水量在1960 - 2011年期间,被用来说明情况在黄土高原的气候变化和人类活动。降水数据集进一步削减和归类为腐蚀性降水和暴雨的降雨强度。例如,腐蚀性降水定义当每日降水等于或大于12毫米/ d (52),它被定义为暴雨如果每日降水等于或大于50毫米/ d。这些数据集是由国家气象信息中心(NMIC),中国气象局(CMA)。41测量站的水文数据集被用来进行水文气象分析和土壤侵蚀。这些数据集包括日常流速及流水量和输沙量从1960年到2011年。其中41个指标,5站位于中间的主流黄河,包括Tangnaihai Toudaoguai,龙门、潼关,Huayuankou,将强调在这个研究。这些数据集是黄土高原的生态环境提供的数据库,中国科学院水利部(CAS&MWR)。地形参数,如沟壑密度、斜率,救援振幅(rdl),和河流网络,从30米分辨率DEM提取,从国际科学和技术数据镜像站点下载,中国科学院计算机网络信息中心。

3.2。水文气象时空分布的分析

水文气象时空分布模式进行了分析通过使用Mann-Kendall测试(曼,1945;肯德尔,1975),地理信息系统方法,例如,逆距离加权(IDW) [53]。Mann-Kendall测试申请探测点hydroclimatic时间序列的变化。同时,时间特征和关系的降水、径流和泥沙在黄土高原,和中间的黄河流域也被Mann-Kendall测试。变化的气候和水文空间分布模式说明了空间插值技术,逆距离加权(IDW)。地形参数进一步分析从DEM提取后,如沟壑密度、斜率,方面,放松,和河网提取30米分辨率DEM。相比之下,在不同流域土壤侵蚀地貌特征通过这些地形参数。

3.3。水土流失侵蚀地貌演化指数和地貌演化

量化土壤侵蚀地貌演化的贡献者,我们提出了一个侵蚀地貌演化指数(ELEI)描述黄土高原的土壤侵蚀和地貌演化。考虑地形的复杂性,造成水土流失,这些参数的沟密度,缓解振幅(rdl),和丘陵斜坡选择量化地形变化,降水、径流、泥沙被定义为土壤侵蚀的主要参数。地貌演化变化()是沟长度的函数(),救助振幅()和丘陵斜坡()。土壤侵蚀强度()是降水的函数()、径流()和沉积物运输()。侵蚀地貌演化指数(ELEI)是地貌演化的函数变化)和土壤侵蚀强度()。利用主成分分析(PCA),我们可以选择综合地形演化变革因素()和土壤侵蚀强度()参数的侵蚀地貌演化指数(ELEI)和气候因素,建立地形演化变革功能()和土壤侵蚀强度()。与此同时,我们也可以构建之间的函数和通过使用线性回归分析:

根据引用地貌分类的映射,它定义了rdl平(0-20米)、小(20 - 75),中等(75 - 300)、山(300 - 600),高山(> 600)。民主党在黄土高原的特点的基础上,斜率可以被定义为5的成绩(< 3°,3 ~ 7°,7 ~ 15°,15 ~ 25°,和> 25°)。在这项研究中,我们计算的百分比不同rdl和斜率。

4所示。结果

4.1。改变模式Rainfall-Runoff-Soil黄土高原侵蚀过程(1950 - 2010)

改变降水、径流和泥沙显示不同的模式在过去60年(1950 - 2010)。尽管年降水量没有明显的改变,平均年径流已经下降了30% -80%,输沙量已经下降了60% -90%,2000年代与1960年代相比。图2显示分布的年降雨量、降雨侵蚀力(降雨侵蚀力雨滴动能的影响,径流相关,乔丹·毫米·哈⁻¹·h⁻¹·年⁻¹)和特定的土壤产量(SSY指单位面积上的沉积物出口,Mg·公里⁻²·y⁻¹从1960年到2010年)。这表明只有四站在西部和北部表示增加的趋势(0 - 1.7毫米·y⁻¹),和所有其他的电台呈现下降的趋势,从−−0.02毫米4.85毫米,特别在兰州、银川城市以及黄土高原的东北部37]。进一步,通过Mann-Kendall测试,年降水量的变化点通常发生在1980年代末,和年降水量变化点(图后略有增加3)。所有水文站年径流减少在过去的50年中,99%置信区间和重大变化往往始于1980年代(通过Man-Kendall测试)。平均每年特定的产沙量的空间分布在两个时期黄土高原。期间从1955年到1969年,水土流失最严重的地区SSY高于8000 Mg·公里⁻²·y⁻¹躺在Toudaoguai和龙门站(图之间的部分1),它也被称为“粗砂丘陵集雨”(19]。这个区域面积7.86×104公里²,占整个黄河流域,但只有14.8%的生产近80%的粗泥沙黄河(37]。显然,大雨导致径流增加的趋势是一致的,但降水的影响是推迟由于径流和洪水过程。在黄土高原,超过50%的年度降水和径流集中在雨季(六月、七月、八月和九月),和土壤侵蚀主要由暴雨引起(图4)。很明显,有时间滞后之间的降雨和径流,径流和泥沙运输中所观察到的电台。例如,降水峰值Tangnaihai站1967年18天,最近的径流开始增加22天,和径流峰值是35天;1976年,径流的山峰比降水约4 - 8天晚。

降水和径流和泥沙之间的差异增加了从上游到下游的上部和中部黄河的主流,虽然降雨雪波动在一定水平。和沉积物比径流有所下降。更高的这些城市降水(Tangnaihai Toudaoguai,龙门、潼关高程和Huayuankou)定位于上层的黄河降低与更高的径流和泥沙从1960年到2010年。降水与径流之间的相关性是积极的(,),它在1960年和1990年更明显。在1960年代和1970年代,径流的变化主要是由降雨变动引起的。随着社会的发展和人类活动的增加,径流影响因素增加,降雨和径流之间的耦合关系变得更加复杂。此外,年径流量增加从上游到下游以及年降水量。

虽然年降水量波动在研究期间,年径流输沙量明显减少。然而,与降雨径流峰值对应,特别是暴雨(每日降雨量大于50毫米/ d)。输沙量不显示与降水的相关性;因此,输沙量(土壤侵蚀)主要受植被、土地覆盖和人类活动。暴雨径流可以对应的关系。1977年7月在平凉市,暴雨持续了19个小时,覆盖33200公里²。降雨量255毫米,最大峰值流量是5220米³/ s。1984年8月在此处,暴雨持续了6个小时,覆盖423公里²,最大峰值流量是586米³/ s。1985年5月在镇远,暴雨持续了2.5小时,覆盖480公里²359毫米的降水,最大峰值流量的1260米³/ s。1996年7月在庆阳,暴雨持续了19.5小时,覆盖33150公里²257.2毫米的降水,最大峰值流量是4680米³/ s。

低强度降雨频率高于高强度降雨,强度和频率相同的降雨在下游比上游更高。平均年降水量增加从西北到东南,和最小年降水量在Linhe(46.80毫米/ a),内蒙古,和最大年降水量(1262.3毫米/ a)是在华山,陕西。总的来说,高降雨量(超过720毫米/ a)地区主要集中在陕西南部,和低降雨量(少于250毫米/ a)在内蒙古,宁夏,甘肃西北。十年平均降水量的趋势是一致的,平均年降水量的增加从西北(138毫米)东南(819毫米)。在典型的黄河输沙量和特定站年径流接近下游比其他人更大。这表明,(a)在上游流域输沙量的下降趋势是更重要的比下游盆地为同一年级支流和(b)下游流域年径流的趋势是更重要的比上游流域。输沙量的趋势类似于从上游向下游径流的增加。

4.2。耦合分析黄土高原的土壤侵蚀和地貌演化

在第四纪地壳运动形成了基本在黄土高原地形。基于上述分析,降雨、径流和泥沙运输,我们可以观察到山峰的径流和输沙量是一致的与降雨峰值时间滞后,径流和输沙量和时间滞后成为下游比上游长对正态分布的降雨。

显示在方法部分,侵蚀地貌演化的高价值指数(ELEI)代表地貌侵蚀的后期阶段。表1显示参数配置的侵蚀地貌演化指数(ELEI)。利用主成分分析方法,我们可以很容易地得到一个全面的因素站三个地形因素(rdl沟长度,坡)。在PCA过程之前,我们标准化三个地形因素的数据,因为不同的单位。主成分分析(表的结果2)表明,第一次主要的比例是98.41%,与三个地形因素显著相关。所以我们选择第一个主成分作为综合因素的侵蚀地貌;更高的主要价值观意味着更高的侵蚀地貌的发展。此外,我们与主成分分析结果构建(2)之间的第一个主要和地形因素。方程表明,三个地形因素与综合地形因子正相关: 在方程是综合因素的侵蚀地貌,的标准化值是沟长度,波浪状的标准化值,的标准化值斜率。

另一方面,我们也应用同样的PCA侵蚀地貌的综合因子的计算过程,计算侵蚀地貌的综合效果。通过使用数据的侵蚀地貌(表的影响2),我们获得的综合效应基于这些侵蚀地貌侵蚀地形效应(降雨径流、泥沙和体积)。结果(表2)表明,第一次主要的比例是92.71%,这意味着第一个主要可以解释所有的侵蚀地形效果很好。因此,我们选择第一个主成分作为侵蚀地貌的综合效应,和更高的主要成绩意味着更多的影响侵蚀地貌。侵蚀地貌的综合效应方程如下: 在哪里侵蚀地貌的综合效应,径流的标准化值,沉积物的标准化值,体积是降雨的标准化值。

最后,通过使用回归分析,我们可以找出综合因子之间的关系和综合效应的侵蚀地貌。通过第一个主要综合指标(表的分数2在7个盆地),我们可以计算这两个指标之间的关系。结果(表3)表明,侵蚀地形综合因素显著相关()全面侵蚀地形的影响,模型的截距与侵蚀地貌综合因子不显著()。因此,我们从模型中删除拦截。

此外,通过回归分析,我们也获得(4)之间的侵蚀地貌综合因子和综合效果。从方程,与此同时我们也可以表明,侵蚀地形综合因素与侵蚀地形的影响有积极的关系。因此,侵蚀地貌的发展水平将增加的效应值增加: 在这个方程中,是综合因素的侵蚀地貌和侵蚀地貌的综合效果。

5。结论

本研究的目的是确定土壤侵蚀和地貌演化的耦合关系的背景下,气候变化和人类活动。通过数理统计、回归分析和主成分分析方法,发现的主要影响降雨侵蚀地形是体积,径流和泥沙在中国黄土高原。主成分分析的结果表明,侵蚀地形综合因素是由三个地形因素,沟长度,rdl和斜率。它还表明,有一个重要的积极的侵蚀地貌综合因子和地形因子之间的关系,这意味着这三个因素可以侵蚀地貌。因此,他们可以作为评价因素的侵蚀地貌。multiregression分析的结果表明,年降雨量体积,径流,泥沙侵蚀地形的主要影响,他们开车在黄土高原地形的变化。此外,地形因素和侵蚀地形影响应该使用它们之前标准化建立相关模型,因为标准化可以降低不平等的影响单位的这些因素,这是一个非常重要的部分在这个建模。与此同时,回归的结果还表明,还有一个重要的积极的侵蚀地貌综合因素之间的线性关系及其影响。因此,侵蚀地貌的发展水平将增加它的值增加的影响。因此,这项研究提供了有用的信息在侵蚀地貌演化的影响,可以用来指导水土保持和地貌演化进行调查。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者承认感谢提供的研究经费请Hundred-Talent项目的中国科学院(20110009 h . m .博士,他),中国科学院的主要研究项目(KZZD-EW-04),创新的前沿项目水土保持研究所中国科学院土壤侵蚀的国家重点实验室,在黄土高原旱地农业(10501 - 192)。他们承认与博士的帮助感激赵Guangju(水土保持研究所中国科学院和水利部)支持数据集完善他们的研究。