【摘 要】
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受气候变化和人类活动等因素的影响,流域输沙量变化趋势愈加显著。流域输沙过程在全球生物和地球化学循环中起着不可忽视的作用,不仅会改变流域的地表形态,也会对流域内生态系统的结构和功能产生一定的影响,因此有必要明确不同时空尺度下流域输沙量的变化特征及其影响因素。近年来全球很多流域输沙量变化及其驱动因素均产生了显著的时空变化特征,因而研究流域输沙量变化特征及其影响因素已成为水文学研究中最为紧迫的问题之一,
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受气候变化和人类活动等因素的影响,流域输沙量变化趋势愈加显著。流域输沙过程在全球生物和地球化学循环中起着不可忽视的作用,不仅会改变流域的地表形态,也会对流域内生态系统的结构和功能产生一定的影响,因此有必要明确不同时空尺度下流域输沙量的变化特征及其影响因素。近年来全球很多流域输沙量变化及其驱动因素均产生了显著的时空变化特征,因而研究流域输沙量变化特征及其影响因素已成为水文学研究中最为紧迫的问题之一,对气候较为敏感和生态环境脆弱的西南喀斯特区更是如此。基于此,本文选择中国西南典型喀斯特流域作为研究区域,在时间尺度上分析特定喀斯特流域年和月尺度输沙量的变化趋势及其影响因素,在区域尺度上明确喀斯特流域输沙量变化的主控因子。具体为,在时间尺度上,利用Mann-kendall(M-K)趋势检验法确定喀斯特流域年和月尺度输沙量变化趋势,并通过M-K突变点检验法获取年输沙量变化的突变年份,从而确定其基准期与变化期,并基于研究区的降水、径流、蒸散发、输沙等相关数据资料,运用简单线性回归法、双累积曲线法、泥沙归因诊断分析法和弹性系数法来量化气候变化和人类活动对年尺度输沙量变化的贡献率;通过皮尔逊(Person)相关分析法确定月尺度气候因子(温度、降水)和植被指数间的相关性,利用偏最小二乘-结构方程模型(PLS-SEM)解耦气候变化和植被动态对月输沙量变化的影响;在区域尺度上,利用Person相关分析计算流域输沙量呈显著相关的变量,并利用广义线性模型(GLM)探究流域输沙量变化的主控因子。论文主要研究内容如下:(1)在年尺度上,利用简单线性回归、双累积曲线、泥沙归因诊断分析和弹性系数4种方法量化了乌江、郁江、红水和西江4个喀斯特流域气候变化和人类活动对年输沙量变化的影响。在1955-2015年期间,乌江、郁江、红水和西江四个流域的年输沙时间序列均具有显著的下降趋势(P<0.05),其减少幅度从大到小依次是乌江>红水>西江>郁江,输沙量变异系数最高,范围在52%-81%之间;通过M-K突变点检验分析,乌江和郁江流域的输沙量变化突变年份均在2003年,而红水和西江流域均在2004年:除泥沙归因诊断分析法之外,简单线性回归法、双累积曲线法和弹性系数法得到的结果均直接表明四个喀斯特流域输沙量变化主要受人类活动的影响,贡献率范围在72.52%-100.52%之间,泥沙归因诊断分析法则发现四个喀斯特流域输沙量变化主要受含沙量的影响,其对四个流域输沙量下降的贡献率范围约为99.87%-153.81%。(2)在月尺度上,利用PLS-SEM模型解耦了柳江典型喀斯特流域气候变化和植被动态对月输沙量变化的贡献率。Person相关分析表明NDVI与温度在每个滞后时间(T0-T3)上均存在显著相关关系(P<0.05),相关性最强的为滞后一个月的温度(T1),EVI和LAI在T0-T2时期均与温度呈显著相关(P<0.05),与温度相关性最强的是T0,而T3时期与温度无显著相关关系(P>0.05);在不同滞后时间的降水与植被指数的相关性中,3个植被指数在4个滞后时间段均与降水量呈显著相关(P<0.05),其中,T2时期的降水量与NDVI和LAI的相关性最强,EVI与滞后一个月(T1)降水量的相关性最强;气候因子(降水、蒸散发)对植被动态的贡献率高达85%,植被动态和气候因子对月径流量变化的贡献率为73%,而植被动态、气候因子和径流对月输沙量的贡献率为62%,气候因子对植被动态有直接影响,其中温度的影响最为显著(β=0.65),降水量是影响径流变化最显著的直接因子(β=0.81),而温度是影响径流变化最显著的间接因子(0.06)。在影响输沙量变化的因素中,径流的直接作用最大(β=0.84),降水通过径流来间接影响输沙量的作用也较为显著(0.67),而前期温度,温度,前期降水,植被动态均对输沙量的变化呈负面影响。(3)在区域尺度上,利用40个喀斯特流域的数据,解析了喀斯特流域输沙量变化的主控因子。通过Person相关分析计算气候、土壤、岩性、植被和地貌对喀斯特流域输沙量的影响,其中酸碱度PH、碳酸钙含量CC、碳酸盐C、水流强度指数SPI、地形湿度指数TWI、和河网密度Dd在P<0.01上与输沙量显著相关(P<0.01);广义线性模型(GLM)解释了影响输沙量变化的62.63%,其中水域(W)解释比例最大,占到了26.59%,其次是碳酸盐(C),能够解释流域输沙量变化的23.26%,这表明水域(W)和碳酸盐(C)是影响喀斯特流域输沙量变化的重要影响因素。
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