黑河上游天老池流域植被变化对降雨径流过程影响研究

摘要

传统的基于“需求管理”的水资源管理模式和基于水文机制的工程措施已经不能应对黑河流域日益严峻的水资源及与之相关的生态环境问题，当前研究需要以考虑生态过程与水文过程在不同时空尺度上的相互影响、相互作用、耦合演进的生态水文学作为流域综合管理与可持续发展的理论基础。　　黑河上游山地是流域水资源的形成区和涵养区，也是整个流域生态过程与水文过程相互作用和耦合演进的最关键区域。位于该区的森林草地生态系统，通过对山区水文路径的调节担当着涵养水源和净化水质的重任。本文以山地森林草地生态系统为中心，通过对该系统生态格局对水文过程影响的模型模拟来定量地揭示山地森林草地系统对山区产流的调节机理，为建立合理的流域水资源管理模式提供科学依据。　　本研究以黑河干流上游的天老池流域为典型流域，利用GIS和遥感技术对流域的气象、植被和土壤数据空间化，然后以分布式水文模型SWAT为工具，研究植被变化情景对降雨径流过程的影响。主要得出以以下结论。　　适用于天老池流域GeoEye-1数据的面向对象分类方法分割参数的组合为[120，0.2，0.4]，其分类结果的总体精度为90.25%，总体Kappa系数为0.86。　　天老池流域海拔在2800-3800m之间的面积占整个流域的85%左右，该带主要由森林-草地植被类型控制。裸岩主要分布在海拔3800m以上。整个天老池流域，阴坡所占面积最大，其次是半阴坡，两者占研究区总面积的61.44%。阳坡和半阳坡所占面积较小，仪占总面积的38.56%。祁连圆柏，干草原和亚高山草甸主要分布在阳坡和半阳坡，而青海云杉和灌木主要分布在阴坡和半阴坡。　　植被和其他环境因素差异会引起有机碳，容重和孔隙度的差异，从而造成不同的土壤水文特性，影响土壤持水能力和蓄水能力。即使相同的土壤类型，不同植被覆盖导致的土壤有机质含量、机械组成和枯落物层厚度的不同也会造成根系带土壤饱和导水率和土壤持水能力的差异，从而引起不同的土壤水文过程。　　分类回归树模型与广义线性模型由于能够利用不同类型的环境变量作为解释变量，成为进行土壤数据空间制图的优选模型。但是，由于存在多种对比鲜明的成土过程的土壤景观，以及可能存在的不同空间依赖性和时空尺度，在天老池流域很难建立一个非常合理的范式来描述土壤性质。　　实测数据对于SWAT模型的参数敏感性结果具有重要影响，在模型调参时应尽量使用实测数据。除SWAT给出的26个关于水量平衡的参数之外，壤中流补给河道的时间和壤中流的坡长对模拟的结果影响也非常大，在调参时需要注意。适合天老池流域的SWAT模型参数的最终率定结果为基流α系数(0.065)，径流曲线系数(-10)，土壤蒸发补偿系数(0.95)，河道渗流系数(20)，土壤饱和导水率(+10)，浅层地下水径流系数(1)，平均坡度(0.75)，土壤可利用有效含水量(-0.04)。　　SWAT模型能够较好的模拟研究区的降雨径流过程，在研究区其模拟值与实测值的决定系数和Nash系数分别为0.71和0.67。在没有降雨或者降雨较小的情况下，模型的模拟结果相对较好，在有持续时间比较长的大降雨情况下，降雨之后一段时间的模型模拟结果较差。　　当乔木全部转化为灌木和亚高山草甸时，流域的径流对于当前的植被情况增加的比例分别为6.38%和6.65%；当3400m以下的灌木全部转换为乔木时，流域径流会减少为9.28%。当流域面积发生10%的变化时：乔木转化为灌木，可以增加1.12mm的径流；乔木转化为亚高山草甸，可以增加1.20mm的径流；灌木转化为亚高山草甸，可以增加0.13mm的径流；灌木转化为乔木，可以减少2.58mm的径流。整个流域的地表径流比例极小，森林草原带的地表径流主要来白于亚高山草甸，森林植被的地表产流远小于亚高山草甸。由于植被覆盖度很高，植被从乔木向灌木和亚高山草甸进行转化时，径流的增加主要来源于壤中流和地下径流。

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