北京密云水库集水区水源保护林土壤侵蚀控制机理与模拟研究
【摘要】：森林植被与土壤侵蚀相互关系的研究是当今林业生态工程的主要研究内容之一,也是极富挑战性的研究领域,对于密云水库集水区的饮用水源保护、生态环境改善和区域社会经济的可持续发展具有重要作用。本文根据研究区1991~2000年的野外定位观测成果,采用对比试验的方法,通过设置不同林分类型的径流小区、坡面径流场、水量平衡场、试验流域,结合实验研究和综合调查,以密云水库集水区内主要的水源保护树种油松和刺槐为研究对象,通过多层次、多尺度系统分析,较为深入地研究了水源保护林的土壤侵蚀控制机理,提出具有明确植被参数的土壤侵蚀控制模型,并结合GIS技术完成试验小流域典型场降雨条件下土壤侵蚀量的空间分布式模拟。
本文与“九五”国家重点攻关专题“华北土石山区水源保护林综合配套技术与示范”、中德林业技术合作项目“密云水库流域保护和经营”研究紧密结合,深入研究水源保护林在不同尺度上对土壤水蚀过程的影响,从而为密云水库水源保护林经营管理提供理论依据。主要研究内容有:
以刺槐和油松冠层为研究对象,通过群落植被调查和水文观测试验,分析其截留降雨特性、削减降雨动能特性,进而建立冠层防蚀作用模型。
以刺槐和油松枯落物层为研究对象,通过群落样方调查和水文泥沙观测试验,分析其截持降雨特性、消能缓流和减蚀特性,进而建立枯落物层的防蚀作用模型。
分别以不同空间尺度(100m2、0.9hm2、2.8hm2)的油松和刺槐林地为研究对象,分析其不同空间尺度的产流产沙特性,揭示水源保护林控制土壤侵蚀的尺度特征,进而提出具有植被群落参数的土壤侵蚀控制模型。
以试验小流域(320 hm2)为研究对象,通过实地土地利用现状调查,以土壤侵蚀控制模型为依据,利用GIS强大的空间分析功能,实现不同土地利用条件下土壤侵蚀量的空间分布式模拟,在小流域空间范围内展示水源保护林土壤侵蚀控制效应,为密云水库集水区水源保护林经营管理提供决策依据。
主要研究成果如下:
通过森林植被系统防蚀作用过程分割研究和多尺度水源保护林产流产沙特性的试验研究,提出了以覆盖度为变量,适合于本研究区主要造林树种油松和刺槐的次降雨林冠截留的概念性模型,阐述了林冠层降低有效降雨量、削弱雨滴动能和延长降雨历时的防蚀机理。
通过多种试验手段,研究了不同枯落物层的吸水持水特性,提出了不同干重枯落
【关键词】：水源保护林 林冠层 枯落物层 尺度 GIS 地表糙率 SCS 水文模型 土壤侵蚀模拟 北京密云水库集水区
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2001
【分类号】：S714.7
【目录】：
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2001
【分类号】：S714.7
【目录】：
- 前言9-11
- 中文摘要11-13
- 英文摘要(ABSTRACT)13-15
- 1 森林植被控制土壤侵蚀机理研究进展15-34
- 1.1 土壤侵蚀的生态学过程及后果15-16
- 1.2 森林植被控制土壤侵蚀作用过程研究进展16-22
- 1.2.1 森林植被冠层的防蚀作用17-18
- 1.2.2 森林植被枯落物层的防蚀作用18-19
- 1.2.3 森林植被含根土壤层的防蚀作用19-20
- 1.2.4 森林植被防蚀作用的生态学研究进展20-21
- 1.2.5 森林植被防止土壤侵蚀临界21-22
- 1.2.6 森林植被防蚀作用的模型表达22
- 1.3 土壤侵蚀模拟研究进展述评22-25
- 1.3.1 概念性模型23
- 1.3.2 物理机制模型23-24
- 1.3.3 概念性模型与物理机制模型的比较24
- 1.3.4 分布式模型24
- 1.3.5 土壤侵蚀模拟研究现状24-25
- 1.4 GIS 在水文学中的应用研究进展25-27
- 1.4.1 地理信息系统简评25
- 1.4.2 DEM 模型应用25-27
- 1.4.3 GIS性能评价27
- 1.5 水文学与森林水文学中尺度问题的研究进展27-34
- 1.5.1 尺度基本概念28-31
- 1.5.2 水文过程的尺度推绎31-33
- 1.5.3 尺度问题研究现状及展望33-34
- 2 研究区自然条件与社会经济概况34-42
- 2.1 集水区自然地理概况34-39
- 2.1.1 地理位置34
- 2.1.2 地貌34
- 2.1.3 地质土壤34-35
- 2.1.4 气象35-36
- 2.1.5 水文36-37
- 2.1.6 植被37-38
- 2.1.7 立地条件38-39
- 2.2 水源保护林资源概况39
- 2.3 社会经济概况39-40
- 2.3.1 人口状况39-40
- 2.3.2 工农业发展状况40
- 2.4 研究区自然地理状况40-42
- 3 研究内容与途径42-47
- 3.1 研究目标与内容42-43
- 3.2 研究技术路线与方案43-44
- 3.3 试验地及设施44
- 3.4 水文气象要素观测项目及方法44-46
- 3.5 室内试验46
- 3.6 野外调查46-47
- 4 水源保护林不同植被层的防蚀机理分析47-70
- 4.1 水源保护林林冠层防蚀机理分析47-59
- 4.1.1 试验区降雨特性分析47-51
- 4.1.2 试验区降雨能量特性分析51
- 4.1.3 水源保护林林冠截留特性分析51-56
- 4.1.4 林冠截留模型56-58
- 4.1.5 林冠透过降雨的能量特性分析58-59
- 4.2 水源保护林枯落物层的防蚀机理分析59-68
- 4.2.1 枯枝落叶层的水文生态功能60-66
- 4.2.2 枯枝落叶层的蓄水减沙功能66-68
- 4.3 本章小结68-70
- 5 水源保护林不同尺度上侵蚀产沙特性分析70-94
- 5.1 径流小区尺度水源保护林对土壤侵蚀产沙的影响70-75
- 5.1.1 人工径流小区布设及自然条件70-71
- 5.1.2 人工径流小区产流量与产沙量71-75
- 5.2 天然坡面尺度水源保护林对土壤侵蚀产沙的影响75-80
- 5.2.1 天然坡面径流场概况75-77
- 5.2.2 天然坡面径流场暴雨产沙特性分析77-80
- 5.3 试验小流域尺度水源保护林对土壤侵蚀产沙的影响80-87
- 5.3.1 对比试验小流域概况80-82
- 5.3.2 对比试验小流域暴雨径流过程及产沙特性分析82-84
- 5.3.3 水源保护林径流的空间尺度效应分析84-87
- 5.4 水源保护林对土壤侵蚀影响的空间尺度效应87-92
- 5.4.1 径流小区尺度88-89
- 5.4.2 天然坡面尺度89-90
- 5.4.3 对比试验流域尺度90
- 5.4.4 水源保护林防治土壤侵蚀临界90-92
- 5.4.5 水源保护林年土壤侵蚀量分析92
- 5.5 本章小结92-94
- 6 水源保护区 GIS 支持下的流域土壤侵蚀模拟94-118
- 6.1 试验流域地理信息数据库的建立94-96
- 6.1.1 软硬件设备配置94-95
- 6.1.2 空间数据库的建立95
- 6.1.3 属性数据库的建立95-96
- 6.2 小流域侵蚀过程空间联系的分析96-102
- 6.2.1 基本分析思路96
- 6.2.2 水文DEM 分析96-102
- 6.3 试验流域土壤侵蚀模型系统的建立102-107
- 6.3.1 截留模型102-103
- 6.3.2 枯落物糙率系数模型103
- 6.3.3 径流量计算模型103-106
- 6.3.4 土壤侵蚀模型106-107
- 6.3.5 泥沙输移模型107
- 6.4 水源保护林小流域土壤侵蚀过程模拟107-115
- 6.5 水源保护区试验流域土壤侵蚀模拟结果检验115-117
- 6.6 本章小结117-118
- 7 结论与建议118-122
- 主要参考文献122-130
- 附图1 试验流域土地利用现状图130-131
- 附图2 试验流域DEM图131-132
- 附图3 试验流域栅格流向图132-133
- 附图4 试验流域栅格累积流量图133-134
- 附图5 试验流域典型场降雨19970731 模拟土壤侵蚀分布134-135
- 附图6 试验流域1996 年模拟土壤侵蚀空间分布135-136
- 附图7 试验流域1997 年模拟土壤侵蚀空间分布136-137
- 附图8 试验流域1998 年模拟土壤侵蚀空间分布137-138
- 附件:Visual Basic 和ARC/INFO AML程序设计138-145
- 致谢145-146
- 作者简介:146
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