分布式水文模型的理论、方法与应用
【摘要】：
流域内自然地理要素的空间分异导致流域水文过程的时空变化。传统的黑箱模型和集总式模型没有考虑这种影响。为了真实反映流域水文过程，准确计算森林和其它植被类型的水文效应，需要在传统的定位观测和单点模拟的基础上，根据地形、土壤、植被等自然地理要素对水文过程的影响机理，建立基于自然地理要素的流域分布式水文模型，并以尺度转换方法，将小流域上的分布式水文模型推广到中、大流域。本研究选择位于长江中上游的四川绵阳官司河流域(104°46′-104°49′E，31°32′-31°37′N)为研究区，构建并运行了分布式水文模型—官司河模型，编写了相应的软件，并对这一模型在更大尺度上推广的方法进行了探讨。
官司河流域在长江中上游防护林分布区具有典型性。本文通过野外定点观测和实验确定模型的参数。官司河模型首先把流域划分为一系列大小相同的正方形方格，每个方格为一个单元，方格的大小为模型的空间分辨率。在官司河流域应用该模型时，把官司河流域分成了7378个50m×50m的单元。并认为在50m×50m这样的分辨率下，每个单元内部在水平方向上均匀一致，具有相同的海拔高度、植被、土壤等一组自然地理特性，这些地理特性决定了该单元的水文过程和水文特征。在垂直方向上，官司河模型根据森林生态系统的成层性和不同生态层对水文过程的作用，把单元进一步划分为层。在官司河流域，把每个单元从上到下分为植物群落冠层、地表枯落物层、地表面层和土壤层4层。在地理信息系统工具Arc／Info和Idrisi的支持下，对每一单元的地形、土壤和植
摘要
被信息赋值。在单元和层划分的基础上，模拟各单元的截留、下渗和径流形成
过程。根据水分在单元和层之间的传输途径关系模拟流域内水的空间运移。
用官司河流域的观测结果对官司河模型计算的降雨－径流过程的检验表明，
该模型具有较好的准确性。官司河模型还可被进一步用于流域管理措施生态效
益的评估。通过预设的土地利用方式变化的研究表明，森林面积增加并不是削
减洪峰过程的唯一因素，流域径流过程的改变还与土壤等自然地理条件有关。
考虑到森林可以逐渐地改变土壤条件，所以森林的水文效应可能会在造林后相
当长时间内通过改变土壤条件而更明显地体现出来。
尺度转换是森林水文学和景观生态学研究的热点。通过官司河模型可以实现
森林水文过程及其生态效益从点到面，从小区域到大区域的转化。与国外同类
模型的比较表明，官司河模型具有通用性强的特点，具有在其他流域和其他尺
度应用的潜力。
【关键词】：官司河模型 分布式水文模型 尺度转换 官司河流域 森林水文生态效应 【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】：2001
【分类号】：S715
【目录】：
- 第一章 前言14-29
- 1．1 研究背景14-15
- 1．2 与分布式水文模型相关的学科研究进展15-29
- 1．2．1 森林水文学与森林水文模型的进展15-20
- 1．2．2 流域水文学与流域水文模型的进展20-26
- 1．2．3 景观生态学与尺度转换26-27
- 1．2．4 分布式水文模型与GIS技术27-29
- 第二章 研究区概况29-48
- 2．1 研究区位置29
- 2．2 地质地貌条件29-34
- 2．3 地质构造特征与储水特性34-35
- 2．4 土壤性质35-38
- 2．5 气候条件38
- 2．6 水文特征与水土流失状况38-40
- 2．7 植被概况40-48
- 2．7．1 群落类型与分布40-41
- 2．7．2 主要群落类型的特征41-48
- 第三章 官司河流域的森林水文定位研究与野外实验48-62
- 3．1 官司河流域定位观测设施、观测项目与实验方法48-51
- 3．1．1 定位研究设施48-49
- 3．1．2 定位观测项目49-50
- 3．1．3 野外调查与实验50-51
- 3．2 土壤水分常数与土壤水分动态51-58
- 3．2．1 土壤孔隙状况和持水能力51-54
- 3．2．2 土壤容重54-57
- 3．2．3 土壤水分动态57-58
- 3．3 蒸散58-59
- 3．4 植被—土壤系统水量平衡59-62
- 第四章 官司河模型的建立62-86
- 4．1 流域主要水文过程的空间分异62-66
- 4．1．1 植被对降雨的拦截62-63
- 4．1．2 枯落物对水分的拦截与吸持63-64
- 4．1．3 水分的下渗64
- 4．1．4 径流的产生64-66
- 4．1．5 蒸散66
- 4．2 官司河模型的结构66-68
- 4．2．1 单元与层的划分67-68
- 4．2．2 时段的划分68
- 4．3 官司河模型中水文过程的假定和计算68-76
- 4．3．1 单元内不同层间水分的运动和分配68-72
- 4．3．2 单元间的水分交换72-76
- 4．4 官司河模型的工作流程76-86
- 4．4．1 单元的划分76-77
- 4．4．2 单元性质的确定77-78
- 4．4．3 流域汇流路径的确定78-79
- 4．4．4 流域水文过程的模拟和计算79-86
- 第五章 官司河模型的运行与检验86-106
- 5．1 模型参数的确定86-95
- 5．1．1 单元与层概况86
- 5．1．2 植被特性参数86-92
- 5．1．3 土壤特性参数92-95
- 5．2 官司河模型的检验95-106
- 5．2．1 降雨特性95-96
- 5．2．2 降雨前官司河流域的水文状况96-100
- 5．2．3 应用官司河模型模拟计算官司河流域的径流过程100-106
- 第六章 官司河模型在小流域管理中的应用106-115
- 6．1 官司河模型在土地利用变化的生态效应模拟中的应用106-112
- 6．2 官司河模型在其他生态效应模拟中的应用112-115
- 6．2．1 水土流失的模拟112
- 6．2．2 流域水资源分布与调配112-113
- 6．2．3 官司河模型与污染物的扩散113-115
- 第七章 官司河模型与尺度转换115-119
- 7．1 生态功能与尺度115-116
- 7．2 尺度转换与官司河模型在大尺度上的应用116-117
- 7．3 遥感、GIS与尺度转换的实现117-119
- 第八章 官司河模型与其它分布式水文模型的比较119-125
- 8．1 通用模型与专用模型119-120
- 8．2 官司河模型与其它模型的比较120-124
- 8．2．1 与SHE模型的比较120-123
- 8．2．2 与RHESSys模型比较123-124
- 8．3 官司河模型未来的发展方向124-125
- 第九章 结论125-127
- 致谢127-128
- 参考文献128-143
- 附录143-146
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