黄土高原实际蒸散发模拟与植被用水可持续性分析

摘要

黄土高原地区是我国典型的生态敏感区，同时存在着干旱与水土流失严重两大问题。近年来，在气候变化和人类活动的共同影响下，黄土高原地区植被覆盖率大幅度提高，但黄土高原地处干旱半干旱地区，水分是制约其植被恢复的主要因素，而维持降水和实际蒸散发之间的平衡则是区域生态系统可持续发展的重要基础。基于此，本研究借助Budyko理论框架分析了黄土高原地区1990-2014年年际水量输入输出平衡特征的变化过程，同时使用SEBAL模型估算典型水文年内区域月实际蒸散发量并识别区域月尺度的水量收支特征，最后引入雨水资源化指数（RUP）对现状条件下植被耗用水状况进行研究，为有关部门重新思考或修改现有的绿化措施和水土保持规划提供依据，使黄土高原生态得到保护的同时，社会和环境也可持续发展。本论文取得的主要研究成果如下： （1）利用Budyko水热耦合平衡框架对黄土高原地区1990-2014年水量输入输出平衡特征进行分析。结果表明，研究期内年均降水量为451.6 mm，增长率为1.91 mm/a；年均实际蒸散发为374 mm，也呈显著上升趋势，增长率为1.33 mm/a。从空间分布来看，实际蒸散量从东南向西北逐渐减少。同时，实际蒸散发高值地区(AET>400mm)也从39%(1990年)增加到73%(2014年)。然而，在研究期间，年均潜在蒸散发并没有明显的变化。 （2）由于黄土高原地区年内降水分布严重不均，所以仅在年际尺度上分析植被耗水的可持续性略有不足，基于此，本研究中引入了基于能量平衡方程的遥感蒸散发模型-SEBAL模型定量分析了降水和实际蒸散发量的年内分布情况，识别年内不同月份水分耗补特征。三个典型水文年内1-4月，11-12月的当月降水供给均无法满足用水消耗。尤其在春季(3-4月)，实际蒸散发通常远高于降水，这表明春季干旱应是黄土高原植被生长的潜在威胁。 （3）根据实际蒸散发的估算结果，本研究引入雨水资源化潜力指数（RUP）对黄土高原植被恢复过程中植被水分利用的可持续性进行评价，并分析了归一化植被指数（NDVI）与雨水资源化潜力指数(RUP)之间的相关关系。结果表明，在黄土高原地区， RUP呈显著上升趋势。在1990-1999、2000-2004、2005-2009和2010-2014年四个阶段， RUP的平均值分别为0.132、0.137、0.149和0.163。而RUP与NDVI存在显著的正相关关系，说明随着黄土高原植被覆盖度的增加，区域土壤水和径流量占降水的比例也持续上升，这是由于降水量的上升速率高于实际蒸散发所导致的。基于以上结果，可以得出近年来土壤水和径流量随着植被恢复而增加，未来的蓝水资源应该会更加丰富。 （4）采用Era-Interim三种不同深度的同期土壤水含量以及24个水文站点的实测径流数据对文章结论进行了实证分析，发现研究期内黄土高原地区土壤水并未发生明显变化，而2002-2012年大部分水文站点年径流量呈现上升趋势，前人研究虽表明2000-2010年平均年径流量相比1960-1969年和1990-1995年两个阶段径流量呈减小趋势，但黄土高原地区植被恢复期在2000年之后，所以大规模的植树造林和生态恢复不大可能是造成黄土高原径流量减少的主要原因，相反，植被应有涵养水源的作用，阶段性实测径流的减小应归因于淤地坝、水库等其它人类活动等影响。

目录

第一章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3小结

第二章 研究内容和方法

2.1研究区概况

2.2研究内容及技术路线

2.3研究方法

2.4小结

第三章 基于Budyko理论框架的年际尺度水量收支特征

3.1数据来源和主要分析方法

3.2模拟结果验证

3.3年际尺度水量收支特征分析

3.4小结

第四章 基于SEBAL模型的年内尺度水量收支特征

4.1数据的来源与处理

4.2模型验证

4.3年内尺度水量收支特征分析

4.5小结

第五章 黄土高原地区植被用水可持续性实证分析

5.1雨水资源化潜力指数介绍

5.2雨水资源化潜力指数的变化特征分析

5.3 RUP与NDVI的相关性分析

5.4 结果实证分析

5.5小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

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