祁连山排露沟小流域森林植被水文影响的模拟研究

摘要

山地是我国温带干旱缺水地区的重要水源地，需恢复和维持较好的森林植被以保护山地土壤和充分利用森林的水文效益，但不合理的恢复森林植被可能会减少径流水资源，因此，需根据自然环境条件和人类发展要求合理调控森林植被与水的关系。 为了深入认识森林植被对水文过程的作用机理，分析森林植被、土壤、地形等水文要素的空间异质性对流域水文过程的影响，揭示植被变化对流域水分平衡的影响和流域产流对植被变化的响应，本文将以热带地区生态水文特点为基础设计的小流域分布式生态水文模型TOPOG 应用于祁连山排露沟小流域，利用2001年、2002年的气象数据和水文数据对TOPOG模型进行率定和检验，并用2002年的气象数据模拟该流域生长季的截留、蒸散、径流等生态水文过程，分析海拔高度、坡度、坡向、植被类型等流域水文要素对流域水分平衡的影响，并根据植被对水分条件的要求和生态环境建设与水资源保护对植被建设的要求，制定7种流域植被分布情景，其青海云杉林覆盖率分别为0.41％、9.19％、12.31．％、36.00％、36.15％、45.65％、46.33％，模拟植被变化对流域水分平衡的影响，特别是对径流的影响。 主要研究结果如下： (1) TOPOG模型的适用性TOPOG模型能准确地模拟生长季(5～9月)降雨量为5～25mm的次降雨截留量；也能较准确地模拟海拔2730～3100m的青海云杉林总蒸散量及其组成，及海拔2700～2800m的阳坡草地总蒸散量；模拟的小流域生长季径流量与实测值相一致。但不能模拟非生长季的水分循环过程，因祁连山存在的积雪与融化、季节性冻融等过程对流域非生长季的生态水文过程影响较大，而TOPOG模型未考虑这些过程。 (2)地形因子对冠层截留、蒸腾、土壤蒸发和产流的影响青海云杉林的冠层截留系数平均为0.38，随海拔的升高而减小，随坡向、坡度的变化没有明显变化；蒸腾系数随海拔的变化没有明显变化，在各个坡向差异较大，西坡最高，达1.0，东坡最低，为0.38；土壤蒸发系数在0.01左右，随海拔、坡向、坡度没有明显变化；产流系数随海拔的变化没有明显变化，在各个坡向差异较大，北坡(15～30°)最高，达0.26，西坡产流系数最低，为-0.44。 灌丛的冠层截留系数在0.2左右，随海拔的升高而增加；蒸腾系数在0.4～0.8之间，且随海拔的升高而增加，西北坡(0.6)略高于东北坡(0.57)，随坡度的增加逐渐减小；土壤蒸发系数在0.012～0.03之间，随海拔的升高而增加，产流系数在-0.06～0.415之间，且随海拔的升高而降低，东北坡(0.3)高于西北坡(0.18)，随坡度的增大而增加。草地的冠层截留系数为0.1，随海拔、坡向、坡度的变化没有明显变化；蒸腾系数在0.4～0.6之间，随海拔升高略微下降，西北坡高于东北坡，随坡度变化没有明显变化；土壤蒸发系数在0.07～0.12之间，随海拔、坡度、坡向没有明显的变化；产流系数在0.15～0.42之间，西坡最高(0.3)，随海拔、坡度的变化没有明显的变化。 (3) 流域产流的空间分布海拔2650～2900m的阴坡青海云杉林为水分消耗区，5～9月潜在产流量为-77.5mm～-19.5mm；海拔2900～3200m的阴坡青海云杉林为水分平衡区，5～9月蒸散消耗的水量与同期降水量基本相当；海拔3200～3300m的阴坡青海云杉林为可能产流区，蒸散消耗的水量小于同期降水量，5～9月潜在产流量为51.0mm。 海拔3000m以下的草地为可能产流区，5～9月的潜在产流量为104.2～152.0mm。 海拔3300～3700m的灌丛为可能产流区，5～9月潜在产流量为57.9～157.3mm，海拔3700～3770m的灌丛为水分消耗区，5～9月的潜在产流量为-15.3mm。 (4) 植被对流域水分平衡分量的影响不同植被截留量不同，其中5～9月截留量从大到小的顺序为：青海云杉林(176.8mm)>灌丛(95.8mm)>草地(50.8mm)，如在海拔2700m处青海云杉林截留量为171.2mm，比同一海拔高度的草地平均多截留120.5mm，海拔3300m处青海云杉截留量为183.2mm，比同一海拔高度的灌丛多截留86.5mm。 不同植被蒸腾耗水亦不同，祁连山主要植被的5～9月蒸腾量从大到小依次为：灌丛(304.7mm)>青海云杉林(298.7mm)>草地(242.5mm)，如海拔2700 m的青海云杉林5～9月的蒸腾耗水为252.3mm，比草地多42.6mm。 不同植被5～9月的土壤蒸发量从大到小依次为：草地(38.4mm)>灌丛(10.4mm)>青海云杉林(5.1mm)，其中海拔2700m处青海云杉林的土壤蒸发量为4.9mm，比草地少蒸发29.4mm，在3300m处青海云杉林土壤蒸发量为5.5mm，比灌丛少蒸发4.4mm。 不同植被的产流能力从大到小依次为：草地(112.7mm)>灌丛(77.2mm)>青海云杉林(-7.5mm)，如海拔2700m的青海云杉林5～9月潜在产流量为-19.5mm，比草地少134.7mm，在3300m处青海云杉林产流量为51.1mm，比灌丛少101.3mm。 (5) 植被变化对流域产流的影响根据青海云杉林在祁连山只能分布在海拔2650m～3300m阴坡的特点，计算出排露沟小流域青海云杉林覆盖率将在0.41％～46.33％之间变动，青海云杉林面积每增加1％，草地面积减少1％，流域截留量增加1.3mm，流域蒸腾量增加3.2mm，流域土壤蒸发量减小0.3mm，流域径流量减小4.2mm，洪峰流量减小0.004 m<'3>/s。

目录

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英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

1.1选题背景和依据

1.2研究目标与内容

1.3国内外研究进展

1.3.1森林生态水文学研究进展

1.3.2分布式水文模型研究进展

1.3.3 TOPOG模型研究与应用进展

第二章研究区概况

2.1研究地区概况

2.1.1祁连山概况

2.1.2地质地貌

2.1.3气候

2.1.4土壤

2.1.5植被

2.2排露沟小流域概况

2.2.1地形特征

2.2.2气候

2.2.3土壤和植被

2.2.4生态水文基本规律

第三章模型与方法

3.1 TOPOG模型简介

3.1.1水文过程的计算

3.1.2生态过程的计算

3.1.3模型的输入和输出

3.2方法

3.2.1参数获取

3.2.2参数率定与检验

3.2.3情景模拟

第四章TOPOG模型的率定与检验

4.1模型参数的率定

4.1.1土壤参数

4.1.2植被参数

4.2模型参数的检验

4.2.1林冠截留

4.2.2蒸散

4.2.3流域径流

第五章排露沟小流域不同植被水分平衡分量的分布特征

5.1青海云杉林水分平衡分量的分布特征

5.1.1海拔高度对青海云杉林水分平衡的影响

5.1.2坡向对青海云杉林水分平衡的影响

5.1.3坡度对青海云杉林水分平衡的影响

5.2灌丛水分平衡分量的分布特征

5.2.1海拔对灌丛水分平衡的影响

5.2.2坡向对灌丛水分平衡的影响

5.2.3坡度对灌丛水分平衡的影响

5.3草地水分平衡分量的分布特征

5.3.1海拔对草地水分平衡的影响

5.3.2坡向对草地水分平衡的影响

5.3.3坡度对草地水分平衡的影响

5.4植被类型对水分平衡的影响

5.4.1截留

5.4.2蒸腾

5.4.3土壤蒸发

5.4.4潜在产流

5.5流域水分平衡分量的时空分布特征

第六章植被变化对流域水分平衡的影响

6.2.1植被变化情景

6.2.2植被变化对水分平衡分量的影响

6.2.3植被模式讨论

第七章结论

7.1主要研究结果

7.1.1 TOPOG模型在温带山地的适用性

7.1.2地形对不同植被水分平衡的影响

7.1.3地形因子对冠层截留系数、蒸腾系数、土壤蒸发系数、产流系数的影响

7.1.4植被对流域水分平衡分量的影响

7.1.5植被变化对流域水分平衡的影响

7.2本研究的不足与展望

7.2.1 TOPOG模型的局限性

7.2.2气象与水文数据的补充

7.2.3高海拔地带的生态水文过程

7.2.4植被属性赋值

7.2.5气候变化对森林流域的生态水文影响

参考文献

在读期间学术研究

致谢