清水河流域景观格局变化及其水沙过程研究

黄土高原作为世界上水土流失最为严重的区域之一，森林覆盖率低，水资源十分短缺。长期以来，黄河流域水沙过程受气候变化与人类活动的共同影响，表现出显著的减少趋势。如何量化气候变化和人类活动对流域水沙变化的影响量，成为当前水文学研究的热点和难题。为此，本论文以黄河中游的清水河流域为对象，采用Mann-Kendall非参数检验、Mann-Kendall突变点检验法和累计距平法分析了清水河流域1960-2015年期间降水、蒸散发、径流、泥沙的动态变化特征;利用土地利用面积分析、景观格局指数分析、多元线性回归等方法分析了清水河流域1987年以来土地利用和景观格局的时空变化，筛选影响流域水沙的关键景观指数;通过弹性系数法与双累计曲线法量化了气候和人类活动对流域水沙变化的贡献率。主要研究结论如下:(1)流域1960-2015年的年均降水量为514.31 mm，总趋势为波动下降，56年间没有显著趋势变化。降雨量在各月的年内分配不均，主要集中在汛期(6-9月)，占年平均降水量的71.0%。流域1960-2015年的年均潜在蒸发散为1346.51 mm，总趋势为波动下降，56年间没有显著趋势变化。潜在蒸发散在各月的年内分配不均，为单峰型曲线，峰值集中在5-8月，占全年蒸散发的51.2%。(2)1987至2015年林地面积持续增加，草地持续减小，农地波动减小，水域保持不变，城镇及建筑用地增加迅速。径流深随林地面积的增加呈线性减小趋势，输沙量呈指数型变化。(3)1987至2015年流域景观破碎化与异质性程度增加，相同类型景观指数存在一定相关性。流域景观斑块破碎化程度越高、异质性越强，导致地表景观对水沙阻滞作用增强，产水产沙量越小。通过多元线性回归分析得出流域水沙与ED、PARFAC、SHEI变化量关系密切。其中PARFAC指标影响最为显著。总体上，流域整体景观程度连通度促进径流与土壤侵蚀的发生，且边界简单使得景观对水沙约束力减小，从而更易导致水土流失。(4)1960-2015年间平均径流深为29.08mm，平均输沙量为216.55万吨，均呈极显著下降趋势(P<0.01)。径流量和输沙量在1980和1995年发生突变。不同时期气候与水沙变化规律各不相同。随时期变化，年均降水量呈减少趋势，变异程度减小。潜在蒸散发呈波动趋势，变异程度减小。径流深逐渐减少，但稳定性变小。输沙量总体呈减少趋势，离散程度增加。在不同时期，降水量与径流深、输沙量关系存在一定差异。随时期变化敏感度下降，表明人类活动的变化削弱了降水对径流量与输沙量的影响，在不同时间尺度下，月尺度的相关程度更高。(5)降水量、潜在蒸散发与下垫面弹性系数值绝对值显著增加。且随时间变化，径流对不同因子变化更为敏感。综合弹性系数法分析计算，1981-1995年由气候变化引起的径流变化为26.23%，人类活动引起的径流变化为73.77%。1996-2015年由气候变化引起的径流变化为5.49%，人类活动引起的径流变化为94.51%。综上所述，人类活动是影响清水河流域径流变化的主要因素，降水量变化次之，潜在蒸散发影响最小。综合双累计曲线法分析计算，1981-1995年气候变化引起的输沙量变化为2.20%，人类活动引起的输沙量变化为97.80%，1996-2015年气候变化引起的输沙量变化6.11%，人类活动引起的输沙量变化为93.89%。说明人类活动对流域输沙量的减少起主导作用。