头塘小流域植被恢复过程中生态水文效应的研究

摘要

植被建设是根治我国水土流失和改善生态环境质量的重大政策措施，开展植被建设（变化）的水文生态效应研究对正确评价植被建设的水文生态效益具有重要的现实意义。
　　 本文以头塘小流域的实测资料为基础，并结合大量相关文献资料，采用对比分析与模型模拟相结合的方法，较为全面地分析了流域水文特征及植被变化的生态水文效应。
　　 论文取得的主要成果如下：
　　 1.小流域降雨平均变率k1=1.338，降雨变率k2=1.764，降雨变异系数Cr=0.249，年径流深Cv=0.60，说明头塘小流域径流深年际变化较大。小流域内径流年变化与降水趋势基本一致。年降雨量Pimm、年径流深Qi之间的相关系数为r=0.983，降雨量和径流量之间有十分显著的正相关关系。根据已有的2000至2007年共8年的年降雨数据，按大小排列其顺序，计算相应的值出现的频率，以频率为横坐标，年降雨量为纵坐标，绘制了年降雨量的经验频率曲线，并选取较常用的几个概率，利用p-Ⅲ型经验频率方程计算各概率下的降雨量。本文分析了已知年份的月降雨量变化趋势，并在此基础上按照月平均降雨量占年平均降雨量的比例，对概率分别为0.01％、0.1％、5％、10％、25％、50％、75％、90％、95％、99％所对应的年降雨量下的月降雨量进行了模拟。
　　 2.本文从水文学的角度，结合生态因子给出了生态水文模型的一般模式，并在此基础上选用SCS模型对头塘小流域次暴雨径流量进行了模拟，应用此模型对头塘小流域2000-2007年发生的18场暴雨产流量进行了模拟，总体模拟效果较好，表明该模型具有一定的合理性和适用性。所得结论如下：
　　 （1）生态水文模型结构中由于考虑了植被的影响，因而使得水文计算更趋合理。
　　 （2）SCS模型把影响径流的主要因素土壤类别、土地利用变化对径流的影响定量化，可以用于小流域、沟道等小型集水区的集水量计算。
　　 （3）在计算流域平均CN值中，使用的是各土地利用方式CN值的面积加权平均方法。这种方法虽然能够反映下垫面中土地利用等因素在数量上的变化，但并不能反映土地利用空间结构的变化。而土地利用等因子空间结构的变化对降雨-径流关系，尤其是对暴雨-洪水关系的影响更大，因此，如何表征土地利用空间结构变化对降雨-流关系的影响今后仍需深入研究。
　　 （4）SCS模型没有考虑降雨历时、降雨强度等对土壤滞留量及CN值的影响，这要影响模型的估算精度，另外，前期降雨对土壤湿润状况的影响是一个很复杂的过程，这一方面的研究还有待进一步深化。
　　 3.分析表明，径流深与降雨量、蒸发量、年均湿度之间存在高度显著的正相关关系，相关系数分别达到了0.983、0.936、0.974，建立了流域年径流量与年降雨量、年蒸发量、年均湿度之间的多元线性回归模型。应用变量逐步进入，求得的多元回归方程如下：Qi=417.506+0.706Pi-0.903Ei（α=0.05）式中Qi为年径流深（mm），Pi为年降雨量（mm），Ei为年水面蒸发量（mm）。年径流深与年降雨量、年水面蒸发量之间的复相关系数为0.993，方差分析结果为F比为178.347，双尾显著性概率sig=0.000<0.05，年降雨量、年水面蒸发量的回归系数显著性概率分别为0.001，0.044，均小与显著水平0.05，年径流深与年径流量、年蒸发量之间存在高度显著的线性关系。
　　 4.依据头塘流域及坡面小区2000～2007年实测水文资料，从头塘流域及流域内坡面小区两个尺度层次分析了植被变化对汛期产流产沙、流域径流形成过程及土壤水文的影响。分析表明，在径流系数、泥沙含量方面，不同植被模式之间的关系为生态林地<经济林地<未退耕地；生态林地的径流系数产沙量随植被度的提高有连年下降的趋势；不同植被恢复模式、不同坡度等级、两者的交互效应对坡面径流系数、产沙量影响均比较显著；乔灌草模式在产沙量、径流系数方面均为最小，其水土保持功能最大，其次为灌草模式，随着坡度的增大，径流系数与产沙量均有增大趋势。对比结果表明，生态林地的土壤0～60cm土层最大蓄水量大于裸地，初渗速度、稳渗速度均比裸地要快，雨季土壤含水率、旱季土壤含水率均比裸地要大，且差异十分显著。林地的初渗速度和稳渗速度分别是裸地的4.60倍和4.61倍，裸地的土壤结构极差，水的下渗速度慢，林地由于植被的存在，增加了土壤的孔隙度，加快了水分的下渗速度，优化了坡面的防护功能，蓄水功能有显著的提高。流域植被度增大后，排除个别奇异点，径流系数大致呈减少趋势，悬移质含沙量大致呈减少趋势；洪水总量减少，洪水历时延长，洪峰流量显著降低，峰前历时时间比例减小，峰后历时时间比例增大，峰前径流量比例减少，峰后径流量比例增大。

目录

文摘

英文文摘

1 概述

1.1 研究背景与课题来源

1.2 研究流域概况

1.2.1 研究范围

1.2.2 人口分布

1.2.3 地貌

1.2.4 土壤和植被

1.2.5 气象

1.3 研究目的及意义

1.4 研究内容

2 国内外研究现状综述

2.1 水文频率分析国内外研究现状

2.2 生态水文学研究进展

2.3 森林植被变化的生态水文效应

2.4 水文数学模型的研究现状

2.4.1 水文模型分类

2.4.2 GIS和Rs技术与水文模型的结合

3 本论文的研究方法

3.1 野外调查

3.2 资料的搜集

3.3 数据的处理

3.4 研究方法

4 降雨特性

4.1 降雨量数据选取

4.2 年降雨量模拟

4.2.1 绘制年降雨量的经验频率曲线

4.2.2 计算不同概率下的降雨量

4.3 月降雨量模拟

4.3.1 月降雨量变化趋势

4.3.2 月平均降雨量变化趋势

5 径流特性

5.1 小流域径流特性

5.2 降水量与径流量关系

6 流域生态水文模型探讨

6.1 SCS模型建立

6.2 模型参数CN的确定

6.2.1 流域前期土壤湿润程度

6.2.2 SCS模型土壤类型分类

6.2.3 土地利用方式

6.2.4 CN值查算表

6.3 头塘小流域的SCS模型

6.3.1 土壤前期湿度

6.3.2 小流域的土壤类型分类

6.3.3 小流域的土地利用方式

6.3.4 小流域的CN值参数

6.3.5 日产流量模拟

6.3.6 模型检验

6.3.7 结果与讨论

6.3.8 模拟方法的应用前景

7 年径流量与年降雨量、年蒸发量、年均湿度之间的多元回归模型

7.1 径流量与降雨量、蒸发量、年均湿度之间的相关关系

7.2 径流量与降雨量、蒸发量、年均湿度之间的多元线性回归模型

8 植被恢复对头塘坡面及流域的生态水文效应分析

8.1 坡面小区

8.1.1 植被变化对坡面小区产流的影响

8.1.2 植被变化对坡面小区产沙的影响

8.1.3 不同植被恢复模式及不同坡度下的坡面径流特征

8.1.4 不同植被恢复模式及不同坡度下的产沙特征

8.1.5 植被变化对土壤水文效应的影响

8.2 头塘小流域

8.2.1 植被变化对流域产流产沙的影响分析

8.2.2 植被变化对小流域洪水特征的影响

8.3 植被变化对小流域径流形成过程的分析

9 结语

9.1 结论

9.2 建议

参考文献

致谢

硕士研究生期间发表论文情况