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黄土高原中部典型流域退耕还林(草)对径流的影响

杨洁  
【摘要】:土地覆盖对流域水文过程有重要影响。自20世纪90年代末以来,黄土高原大规模的生态恢复工程显著改变了土地利用类型和植被覆盖,产生了一系列的生态效益,在一定程度上减少了该地区的水土流失问题,其对水文过程影响也受到越来越多研究学者的关注。针对黄土高原生态恢复后水文要素变化和水文要素之间关系不明确的问题,以黄土高原中部半湿润型气候的延河流域为例,通过CLM5.0模型模拟1980–2018年土地覆盖变化对流域关键水文要素间关系的影响。首先,为了真实地表现延河流域下垫面特征,基于统计搜集的土壤厚度和河道分布的数据制作了一套适用于黄土高原地区数据集作为CLM5.0模型的地表数据输入。其次,基于一套土地利用数据集中退耕还林(草)(以下简称“退耕还林”)工程实施前后两期数据制作了一套植被功能类型数据集作为CLM5.0模型的地表数据输入。然后,根据土壤深度数据和黄土高原实际蒸发状况,改进了CLM5.0模型中的土壤分层结构和土壤蒸发方案。最后,基于新制作的地表输入数据和改进后的CLM5.0模型模拟不同土地覆盖情境下的流域水文过程,分析土地覆盖变化和气候变化对延河流域径流的影响。研究表明:(1)黄土高原延河流域的土地覆盖发生了显著变化。退耕还林工程实施前后流域内大面积的分布着草地和耕地。土地覆盖类型的转移主要发生在林地、耕地和草地之间。退耕还林工程实施前耕地面积的52.40%和5.77%转换成了退耕还林工程实施前后的草地和林地,由此导致草地和林地面积的增加。草地、耕地、林地和灌木面积的变化受到自然和人为因素的综合影响,水体和城镇面积的变化主要受到人为因素的影响。土地覆盖的变化深刻影响着延河流域的水文过程。(2)完善和改进的CLM5.0模型具有灵活高效的特点,改进的模型参数和物理过程在延河流域具有一定的代表性。真实土壤厚度和沟道分布信息数据的构建减少了模型在模拟延河流域水文过程的模拟误差,模型模拟的延河流域总径流量与实测径流量之间的R~2从0.104增加到0.55,RMSE从14.5 mm减少到12.61 mm。根据敏感性试验,用CLM5.0模拟延河流域水文过程时,土壤分层结构采用40层最为合理。将土壤蒸发方案中形成DSL的临界含水量设置为田间持水量可进一步减少模型模拟的误差,模拟的延河流域总径流量与实测径流量之间的R~2增加到0.61,RMSE减少到2.1 mm,NSE增加到0.54。基于真实下垫面情况构建地表数据和改进的CLM5.0模型可以更好的描述水文循环过程变量的实际情况,提高对延河流域的降雨-径流过程的模拟精度。(3)土地覆盖变化导致延河年径流和年径流系数明显减小。延河流域年径流量与年降水量波动趋势基本一致,但年径流量的变幅明显大于年降水量。退耕还林工程实施前后,延河流域年径流量的平均下降幅度为12.34%,年平均径流系数下降了11.46%。通过线性回归分析,退耕还林工程实施前后年降水对年径流量变化的贡献率为92.2%和90.5%。降水是主导流域径流变化的因素,随着人类活动的增加,其对流域径流变化的影响逐渐减弱,人类活动的影响开始凸显。(4)土地覆盖变化导致延河月径流和月径流系数明显减小,其对丰水季径流影响较小,枯水季径流影响较大,并使年内径流分配区域集中化。退耕还林(草)工程实施前后,延河流域径流量和径流系数在丰水季的平均下降幅度为8.72%,在枯水季的平均下降幅度为29.5%。通过线性回归分析,退耕还林工程实施后,降水对径流的贡献率都有所下降,土地覆盖对径流的贡献率都有所上升;而枯水季贡献率的变化幅度明显高于丰水季。退耕还林工程实施前后径流的年内分配不均匀系数为1.27和1.35。黄土高原是世界上黄土覆盖面积最大的地区,因其地形极为复杂和土壤类型独特导致该地区的水文过程十分复杂。本研究以黄土高原中部典型流域延河流域为例,综合考虑从植被到基岩多个因子,构建了一个更接近实际的下垫面数据集。针对高分辨率的数值模型CLM5.0在延河流域的适用性,改进的部分模型参数和物理过程。研究结果厘清了土地覆盖变化对延河流域水文过程的影响以及深厚土层和复杂地形地区的土地覆盖变化对水文过程的影响,对提高该地区水资源预测具有重要意义。


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