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《中国林业科学研究院》 2011年
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土地利用和气候变化对流域水文过程影响的定量评价

张淑兰  
【摘要】:位于西北黄土高原的泾河,随着近几十年气候变暖和植被覆盖/土地利用变化,产流量持续和显著减少,危及黄土高原的水资源安全和可持续发展,急需开展深入研究以认识该流域的水文过程特色及不同因素对水文水资源的影响。本文选择泾川水文站控制的泾河干流上游作为研究区,基于地形、植被、土壤、气象、水文等观测与调查资料,采用统计分析和分布式流域生态水文模型模拟的两种途径,定量区分和评价了气候变化和植被覆盖对流域水文过程和水资源数量的影响。为干旱缺水地区流域的水资源配置及森林植被建设和综合管理提供理论依据和科学指导,为制定能够适应区域气候变化的流域水资源管理方案和土地利用及植被覆盖格局规划提供决策依据和参考。主要成果如下: 1.流域水文情势变化 在1954-2005年间,发现研究流域年降水量呈微弱降低趋势,器皿年蒸发量呈微弱下降趋势,而年径流量却呈明显降低趋势,从上世纪50年代的72.0 mm下降为本世纪初的51.4 mm。径流减少受到多种因素影响,不同时期的主要影响因素存在差异,但人为活动的影响自20世纪70年代以后不断增强,特别是大规模退耕还林和植被恢复的1998-2005年年径流比1954-1960显著减少了23.1 mm。 2. SWIM模型在泾河上游的适用性 模型能够较准确地模拟研究流域的潜在蒸散、降水截留、林地蒸腾和农田蒸散等水量平衡分量,并分别在黄土区和石质山区确定了模型的主要参数。流域出口站(泾川水文站)的率定期(1997-1999)和验证期(2000-2003)的日径流的峰值变化趋势基本一致,且效率系数分别为0.51和0.55,径流总量相对误差分别为1.6%和0.3%。 同时,模型的应用存在不确定性和局限性,如石质山区的雨量站较少,这直接影响了径流模拟精度;单一流域出口的径流验证不能保证流域内各子流域产流的准确性;仅对典型植被的蒸散或分量进行了验证,而限于研究条件未能验证其他一些植被的蒸散。 3.泾河上游的水量平衡分量的时空分布 泾河上游多年(1997-2003年)的平均降水量为547mm,实测年径流量为41.7mm,其模拟的潜在蒸散量为934 mm,实际蒸散量为451 mm(425-545mm),包括土壤蒸发253 mm,植被蒸腾157 mm,冠层截持40 mm。潜在蒸散量自西向东先增加后减少,实际蒸散随海拔升高先降低再增大。整个流域蒸散年际变动在398~512 mm之间,湿润年份较干旱年份的蒸散量平均可高出70 mm;年蒸散主要集中在5~8月份,平均月蒸散量约67 mm·mon~(-1),以冠层蒸散所占比例较大,可达63%。 研究流域年地表径流量为10.7 mm、壤中流为31.9 mm,二者之和(即径流量)为42.6 mm;径流量与深层渗漏量(64 mm)之和(即产水量)为106.6 mm。各产水分量年际波动较大,地表径流量和壤中流的年际波动范围分别为3.5~18.1 mm和6~66 mm,深层渗漏为-8.5~188.1 mm。产水能力在不同区域具有明显的差异,并随海拔升高而略有增加。径流量在黄土区以地表产流为主,为12.5 mm,壤中流仅为2.5 mm;而在石质山区以壤中流为主,为79.7 mm,地表产流为7.8 mm;同时,两个区域均具有较高的深层渗漏,分别为59 mm和72 mm。 4.典型植被类型的水量平衡特点 森林的年蒸散量为479~519 mm,占年降水量的86%~99%,仅石质山区灌木蒸散略低(429 mm);其具有较高的林冠截留量和蒸腾量,分别为86~117 mm和196~258 mm,但土壤蒸发较低(138.5~197 mm)。年产水量在石质山区为63~119.5 mm,以壤中流为主,仅有少量的深层渗漏(4.6~15.5 mm);在黄土区不具有产水功能,反而需要从外界获取8.4 ~13.8 mm水量供蒸散耗水。 各类农田的年蒸散量变化在426 ~470 mm,占降水量86~92%;年冠层截留量平均为20~41 mm,玉米田具有较高蒸腾和较低土壤蒸发,而麦田一般有较高土壤蒸发和较低蒸腾。黄土区农田的产水量平均在44~70 mm,而石质山区为160mm。 在草地中,人工草地的年蒸散量最大(504 mm),其次为黄土草地(420 mm),再次为山地草地(378 mm)。人工草地有较高的冠层截留量和蒸腾量,年均38.5 mm和210 mm,但土壤蒸发量较低(256 mm);而黄土和山地草地的冠层截留量分别为13.5 mm和16 mm,年蒸腾量分别为105 mm和48.5 mm,年土壤蒸发量分别为301 mm和313 mm。三种草地类型的产水量多为深层渗漏,分别为180、87和58 mm,少部分为径流,分别为33.5 mm、7 mm和0。 5.土地利用变化对水量平衡的影响 无论是黄土区还是石质山区,总蒸散量为:森林农田草地;而产流能力则:森林农田草地。在黄土区,将梯田麦田和黄土草地变刺槐林,则蒸散量增加66mm和83~87mm;产水量减少90mm和101~107mm,径流减少8mm和5~6.6mm,深层渗漏减少82mm和95~102mm;将梯田麦田变黄土草地,则蒸散量减少27mm,而产水量增加23mm,径流减少仅0.5mm,深层渗漏增加23mm。在石质山区,将山地麦田变森林、灌木林,总蒸散量分别增加76mm和44mm,产水量减少85mm和49mm;而变为山地草地,总蒸散量减少57mm,产水量增加50mm。将石质山区的各森林类型变为山地草地,则总蒸散量均显著减少78~84mm,径流增加41.5~53mm,深层渗漏增加30~45mm。 随着森林覆盖率增加10%,整个流域的总蒸散量平均可增加8 mm,其主要是冠层蒸散发增加16 mm,而土壤蒸发减少8 mm;如在石质山区造林,流域出口径流量随着森林覆盖率增加10%,平均减少7.5 mm,而在黄土区造林,随森林覆盖率增加10%,则减少4.5 mm。 根据坡度级设计的12种植被恢复情景模拟表明,在泾河上游造林和植草虽然对控制土壤侵蚀是必要的,但全部造林或植草均会给流域水资源管理带来不利影响,因此需要根据流域水资源管理要求合理确定恢复规模和林草空间优化配置,本研究根据坡度等级0-5°、5°-15°和15°顺序种植耕地、森林、草地的情景3和情景10(即自坡顶到坡底依次为耕地、草地、森林),可能对流域水土保持具有较好的作用,并使水资源量得到较合理利用。 6.气候变化对水量平衡的影响 流域的年径流、蒸散及蒸散分量均随降水量的增减而增减。其中,降水量增加对径流的影响明显大于降水量减少的影响,而对蒸散的影响则相反;增加的降水量转化为径流量的比例为63%,显著大于转化为蒸散量的比例(23%);而减少的降水量转化为的径流量和蒸散是变化所占比例差异较小,分别为42.5%和31%。 随着年均气温的升高(或降低),泾河上游的年径流量呈现出减少(或增加)的趋势,而年蒸散及其组分呈现增加(或减少)的趋势。气温升高对年径流的影响明显小于温度降低的影响,而其对流域年蒸散量的影响则相反。在年蒸散的组分中,土壤蒸发对气温变化的响应大于冠层蒸散,且温度升高对二者的影响小于温度降低的影响。
【学位授予单位】:中国林业科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:S271

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