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典型小流域土地利用与气候变异的生态水文响应研究

作　者: 王盛萍
导　师: 谢宝元；张志强；孙阁
学　校: 北京林业大学
专　业: 生态环境工程
关键词: MIKESHE 典型小流域 土地利用与气候变化 生态水文 情景模拟
分类号: X171
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 1454次
引　用: 4次
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内容摘要


黄土高原区域长期气候干旱、区域水资源短缺、土壤侵蚀严重。在气候变暖以及区域退耕还林还草工程实施的背景下，有效揭示区域土地利用与植被变化以及气候变化的生态水文响应具有重要意义。通过MIKESHE模型的生态水文模拟，比较分析了生态水文条件不同的流域生态水文响应特性，目的旨在深刻区别认识不同流域生态-水文关系，为黄土高原区域生态环境恢复、以及最优水资源规划及管理等提供重要理论依据。在应用Zhang模型以及Budyko模型等经验模型探讨流域土地利用与气候变化生态水文响应的基础上，转而借助MIKESHE建立黄土高原吕二沟流域和奥地利Seitengraben流域模型对二者进行模拟和评价；通过设置极端土地利用情景、空间配置情景，以及降水减少20％、气温升高2℃的气候变化情景等模拟分析典型小流域土地利用与气候变化的生态水文响应；针对黄土高原吕二沟流域侵蚀严重等独特的生态水文现象，结合MIKESHE模型与MUSLE模型进行土壤侵蚀模拟评价及情景分析。采用Zhang模型经验模型水文响应分析表明，经验模型模型并未能有效揭示吕二沟流域土地利用变化水文响应；Zhang模型与Budyko模型虽然揭示了气候变化影响的水文响应灵敏度信息，但观测序列气候变异不能完全解释水文变化。定量确定土地利用与气候变化生态水文响应有待于基于物理过程的分布式模型的应用。MIKESHE模型在黄土高原吕二沟流域与奥地利Seitengraben流域的模拟应用中表现有一定差异：模型基本模拟反映吕二沟流域的降雨-产流过程，校正期与检验期相关系数R分别为0.833和0.630，但精度较低，流量偏差FBal分别为-40.0％和-17.9％；模型较好反映了Seitengraben流域蓄满产流过程，R分别为0.711和0.785，流量偏差FBal分别为-1.97％、-3.56％。吕二沟流域约23.5％、18.78％、24.91％、14.8％径流来自于梯田、草地、村庄及非生产用地、以及灌木林，径流过程涨水段主要由上述区域地表径流组成；Seitengraben流域总地表径流中61.7％和37.5％来自于冬作物区域和林地区域；林地较其余土地利用基流补给持续时间长，各各土地利用地表径流与基流季节分布特征基本一致。极端情景分析表明，Seitengraben流域极端土地利用转变可能引起生态水文响应灵敏度大于吕二沟流域：极端土地利用情景转变引起吕二沟流域和Seitengraben流域蒸发散（占降水量百分比）变化最大分别为2.97％和10.14％，地表径流变化最大分别为3.42％和6.88％，总径流变化最大分别为3.46％和12.6％。空间配置土地利用情景表明：吕二沟流域林地覆盖进一步逐级增加并无显著减少流域产水量；Seitengraben流域林地覆盖每增加10％，模拟径流减少9.5mm。流域二者对降水变化的生态水文响应均较大：降水减少引起吕二沟和Seitengraben流域总径流减少约66.59％～89.40％。吕二沟流域对气温升高水文响应较Seitengraben流域灵敏：气温升高使吕二沟和Seitengraben流域总径流分别减少41.69％～49.83％和3.69％～8.04％。土壤侵蚀空间动态分布特征表明：流域沟道和沟坡侵蚀产沙占全流域90％左右。流域村庄厂矿和居民用地侵蚀产沙占33％，坡耕地与草地分别占27％和24％。流域无明显侵蚀和轻度侵蚀面积占42％和31.87％。不同情景模拟中用材林较原土地利用的减少效益最显著，约70～1398t／km2，其次为草地，果园和灌木林减沙效益相当约70～517t／km2。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-12
1.绪论  12-30
  1.1 引言  12-14
  1.2 研究综述  14-23
    1.2.1 生态水文学发展及内容  14-16
      1.2.1.1 生态水文学产生及特点  14-15
      1.2.1.2 生态水文学内容  15-16
      1.2.1.3 土地利用与气候变化生态水文响应研究  16
    1.2.2 多尺度生态-水文关系  16-20
      1.2.2.1 植被生长-水文关系  17
      1.2.2.2 植被演替-水文关系  17-18
      1.2.2.3 放牧、弃耕、火烧-水文关系  18
      1.2.2.4 造林、采伐-水文关系  18-19
      1.2.2.5 尺度  19-20
    1.2.3 生态水文研究方法  20-23
      1.2.3.1 实验方法  20-21
      1.2.3.2 统计分析方法  21-22
      1.2.3.3 模型模拟方法  22-23
  1.3 相关模型比较  23-26
    1.3.1 SWAT模型  23-24
    1.3.2 TOPOMODEL  24
    1.3.3 TOPOG  24-25
    1.3.4 RHESSys模型  25
    1.3.5 SWMM模型  25
    1.3.6 DHSVM模型  25-26
  1.4 MIKESHE模型选择  26-27
  1.5 研究目的  27-28
  1.6 篇章结构  28-30
2.流域概况及数据收集准备  30-46
  2.1 流域概况  30-37
    2.1.1 地理位置、地形、地貌  30-31
    2.1.2 地质、土壤  31-32
    2.1.3 植被与土地利用  32-33
    2.1.4 气候与水文  33-37
      2.1.4.1 气候特征  33-35
      2.1.4.2 径流特征  35-37
    2.1.5 其它  37
  2.2.数据观测与数据准备  37-46
    2.2.1 水文观测与气象  37-39
    2.2.2 参考作物蒸发散(潜在蒸发散)  39-41
    2.2.3 DEM  41
    2.2.4 土地利用与植被  41-43
    2.2.5 土壤  43-44
    2.2.6 河道  44-46
3.经验模型土地利用与气候变化水文响应分析  46-58
  3.1 土地利用变化水文响应分析  46-50
    3.1.1 土地利用变化定量分析  46-48
      3.1.1.1 土地利用变化率  46-47
      3.1.1.2 土地利用转移矩阵  47-48
    3.1.2 土地利用与产水量变化关系  48-49
    3.1.3 观测序列土地利用变化水文响应分析  49-50
  3.2 气候变化水文响应分析  50-56
    3.2.1 气候变化与水文变化双线性关系  50-51
    3.2.2 气候变化水文响应灵敏系数  51-55
    3.2.3 观测序列气候变异水文响应解释  55-56
  3.3 小结与讨论  56-58
4.基于物理过程分布式模型MIKESHE流域生态水文模型建立及模型参数化  58-83
  4.1 MIKESHE模型结构原理  58-67
    4.1.1 截留与蒸发散  58-60
    4.1.2 地表径流  60-62
    4.1.3 河道流  62-63
    4.1.4 非饱和带土壤水运动  63-64
    4.1.5 饱和流  64-65
    4.1.6 融雪  65
    4.1.7 MIKESHE模型数据组织及模型输出  65-67
  4.2 黄土高原吕二沟流域模型建立  67-77
    4.2.1 模型参数化  67-72
      4.2.1.1 模型离散  67
      4.2.1.2 地形  67-68
      4.2.1.3 降水  68
      4.2.1.4 土地利用与植被  68-70
      4.2.1.5 参考作物蒸发散  70
      4.2.1.6 非饱和带  70-71
      4.2.1.7 饱和带  71
      4.2.1.8 地表径流与河流  71-72
    4.2.2 模拟步长设置  72
    4.2.3 初始条件设置  72-73
    4.2.4 模型校正检验及评判指标的选取  73-77
      4.2.4.1 试错法  73-74
      4.2.4.2 自动校正  74-77
  4.3 奥地利SEITENGRABEN小流域模型建立  77-83
    4.3.1 模型参数化  77-81
      4.3.1.1 模型离散  77-78
      4.3.1.2 地形  78
      4.3.1.3 降水  78
      4.3.1.4 土地利用与植被  78-79
      4.3.1.5 参考作物蒸发散  79
      4.3.1.6 非饱和带  79-80
      4.3.1.7 饱和带  80
      4.3.1.8 地表径流与河道  80-81
    4.3.2 模拟步长设置  81
    4.3.3 初始条件设置  81
    4.3.4 模型校正检验机制及评判指标的选取  81-83
5 MIKESHE模型模拟灵敏度分析  83-97
  5.1 模型参数灵敏度分析  83-90
    5.1.1 方法  83-85
      5.1.1.1 MIKESHE模型灵敏度分析工具  83-84
      5.1.1.2 一般灵敏度分析  84-85
    5.1.2 结果  85-90
      5.1.2.1 局部灵敏度分析  85-86
      5.1.2.2 一般灵敏度分析  86-90
  5.2 模型结构灵敏度分析  90-94
    5.2.1 方法  90
    5.2.2 结果  90-94
      5.2.2.1 单元格变化灵敏度分析  90-92
      5.2.2.2 步长变化灵敏度分析  92-94
  5.3 小结  94-97
6 MIKESHE模型模拟结果评价与分析  97-119
  6.1 黄土高原吕二沟流域  97-105
    6.1.1 次降雨-径流模型  97-100
      6.1.1.1 模型校正  97-98
      6.1.1.2 模型验证  98-99
      6.1.1.3 分析与讨论  99-100
    6.1.2 年尺度模型  100-105
      6.1.2.1 模型校正  100-102
      6.1.2.2 模型检验  102-103
      6.1.2.3 分析与讨论  103-105
  6.2.奥地利SEITENGRABEN小流域  105-108
    6.2.1 径流过程线比较  105-107
    6.2.2 基流比较  107
    6.2.3 分析与讨论  107-108
  6.3 模拟结果分析  108-117
    6.3.1 流域水量平衡总体评价  108-110
    6.3.2 不同土地利用蒸发散及径流模拟贡献评价  110-117
      6.3.2.1 吕二沟流域蒸发散及径流总量不同土地利用分配  110-112
      6.3.2.2 吕二沟流域径流过程不同土地利用分配  112-113
      6.3.2.3 Seitengraben流域蒸发散及径流总量不同土地利用分配  113-114
      6.3.2.4 Seitengraben流域径流过程不同土地利用分配  114-117
  6.4 小结  117-119
7 土地利用与气候变化生态水文响应情景分析  119-140
  7.1 情景类型及情景建立方法  119-120
    7.1.1 情景类型  119
    7.1.2 情景建立方法  119-120
  7.2 研究流域情景设计  120-123
    7.2.1 土地利用变化情景  120-122
      7.2.1.1 极端土地利用情景  120-121
      7.2.1.2 土地利用空间配置情景  121-122
    7.2.2 气候变化情景  122-123
  7.3 土地利用变化情景水文模拟  123-130
    7.3.1 极端土地利用变化情景  123-127
      7.3.1.1 径流过程线模拟  123-124
      7.3.1.2 蒸发散模拟(ET)  124-126
      7.3.1.3 地表径流模拟(OL)  126
      7.3.1.4 非饱和带土壤贮水变化(dS_UZ)  126-127
      7.3.1.5 总径流模拟(Q)  127
    7.3.2 土地利用空间配置情景  127-130
      7.3.2.1 吕二沟流域  127-129
      7.3.2.2 Seitengraben流域  129-130
  7.4 气候变化情景水文模拟  130-138
    7.4.1 径流过程线模拟  130-133
    7.4.2 蒸发散模拟  133-134
    7.4.3 地表径流模拟(OL)  134-135
    7.4.4 非饱和带土壤贮水变化模拟(dS_UZ)  135-136
    7.4.5 径流总量模拟(Q)  136-138
  7.5 小结  138-140
8 土壤侵蚀空间动态分布评价与情景预测  140-156
  8.1 研究方法  140-146
    8.1.1 修正通用土壤流失方程(Modified USLE)  140-141
    8.1.2 MIKESHE与MUSLE模型耦合及因子确定  141-146
      8.1.2.1 降雨径流侵蚀因子(R)  142
      8.1.2.2 土壤可蚀性因子(K)  142-143
      8.1.2.3 LS因子  143-144
      8.1.2.4 植被覆盖与管理因子(C)  144-145
      8.1.2.5 水土保持措施因发(P)  145-146
  8.2 典型侵蚀降雨流域侵蚀产沙空间分布  146-152
    8.2.1 不同地貌侵蚀产沙  146-149
    8.2.2 不同土地利用侵蚀产沙  149-150
    8.2.3 流域侵蚀强度划分  150-152
  8.3 流域侵蚀产沙模拟与观测径流泥沙比较  152-153
  8.4 典型降雨流域侵蚀产沙情景模拟  153-154
  8.3 小结  154-156
9 结论与讨论  156-160
  9.1 结论  156-157
  9.2 讨论  157-160
    9.2.1 模拟等效行为(Equifinality)和模拟不确定性(Uncertainty)  157-159
    9.2.2 模型校正检验机制  159-160
附录  160-167
参考文献  167-183
个人简介  183-184
在读期间成果清单(2004-2007)  184-185
导师简介1  185-186
导师简介2  186-187
导师简介3  187-189
致谢  189

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 环境科学基础理论 > 环境生物学 > 生态系统与污染生态学
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