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流域内的泥沙运动是一个复杂的过程。研究表明,不同河道中的泥沙量在不停发生变化,全球包括中国大河的入海输沙量也在逐渐减少。在气候变化的背景下,输沙量的减少与全球气候变化有多大的关系,人类活动对输沙量有什么样的影响,并且用什么方法来评估气候变化、人类活动对输沙量的影响都是值得研究的问题。为解决这些问题,本论文选定赣江流域为典型研究区,分别依据HBV水文模型和人工神经网络模型(下文简称ANNs),从“降水-径流-输沙量”、“降水、人类活动-输沙量”两条路线分析气候变化主要指降水变化和人类活动对输沙量的影响,以区分降水和人类活动对输沙量变化的贡献率。
通过对赣江流域1960-2002年实测降水、径流和输沙量分析,赣江流域年降水量与年径流的变化趋势一直比较一致,且变化趋势均不大;年降水量与年输沙量的变化趋势自1990年发生改变,年输沙量持续减少;年输沙量与年径流的关系也自1990年发生改变,径流量变化趋势不明显,年输沙量则持续减少。以1990年为分界点,依据实测逐月径流和逐月输沙量,分别建立1990年前和自1990年输沙量与径流间的函数关系。
“降水-径流-输沙量”这条路线借助于HBV水文模型。在流域地形、土地利用类型等数据的基础上,利用HBV水文模型模拟了赣江流域降水与径流间的关系,借助于输沙量与径流的函数关系,将径流转化为输沙量。通过降水频率分析,选取降水平水年的基准年为2005年,土地利用类型的基准值以2000年赣江流域实际土地利用类型为基准,依据率定后的HBV水文模型,按照输沙量与径流间建立的函数关系,研究不同降水情景和土地利用类型变化情景下外洲站输沙量相对于基准值的变化。结果表明:(1)降水量增加幅度变大时,输沙量增加的幅度更大。降水量减少幅度变大时,输沙量减少的趋势要小于降水增加时输沙量的增加趋势。当降水量与输沙量变化趋势一致时,年降水增加10%,年输沙量增加15.0%,年降水增加20%时,年输沙量则增加33.6%,大于15.0%*2=30.0%。年降水减少10%时,年输沙量减少19.5%,年降水减少20%时,年输沙量则减少34.8%,小于19.5%*2=39.0%;(2)将不同土地利用方式变为林地时,流域的输沙量都呈减少趋势,而将林地变为其他土地利用方式时,输沙量则增加。在林地、农田、草地这几种土地利用方式中,林地的减沙效益最为明显,其次是草地,其减沙效益要高于农田;(3)降水总量相同的次降水过程,降水强度越大,相应的输沙量越大。
“降水、人类活动-输沙量”这条路线借助于ANNs。对于赣江流域,仪考虑降水因子的ANNs在1960-1989年模拟的输沙量与实测值相差不大,1990年以后与实测输沙量有较大误差;进一步分析各项人类活动1960-2002年对输沙量的影响,并将各项人类活动对输沙量的影响与降水一起作为输入,通过ANNs建立评估赣江流域降水、人类活动对外洲站输沙量影响的模型。ANNs计算的年输沙量与实测值的相对误差小于25%的样本数为33个,占总样本数的76.7%,1990-2002年,模型计算值与实测年输沙量的相对误差小于25%的样本数为11个,占13个样本的84.6%。
借助于HBV水文模型、ANNs的分析结果,计算了1990-2002年间赣江流域降水量和人类活动对外洲站输沙量变化的贡献率。结果表明,相对于1960-1989年的均值,1990-2002年外洲站赣江流域输沙量减少了49.1%,该时段内降水的变化对输沙量的贡献率为:使输沙量增加17.2%;人类活动对输沙量的贡献率为:使输沙量减少了66.3%,其中水库运用使输沙量减少46.1%,河道采砂使输沙量减少19.7%,水土保持仅使输沙量减少0.5%。
基于HBV水文模型和ANNs的两种方法分别适用于不同数据条件的计算,HBV水文模型适合具有流域降水、气温、径流、输沙量和流域地形、土地利用类型等资料,ANNs模型适合具有流域降水、输沙量、人类活动对输沙量的影响等资料。两种方法难以率定的参数都较少,非常适合大流域的泥沙计算,以区分气候变化主要指降水和人类活动对输沙量变化的贡献率。