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北京山区典型小流域土地利用/森林覆被变化的水文生态响应研究

作　者: 王友生
导　师: 贺康宁; 余新晓
学　校: 北京林业大学
专　业: 水土保持与荒漠化防治
关键词: 半城子流域红门川流域径流 WetSpa extension模型土地利用/森林覆被
分类号: S715
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

由于气候变化和人类活动的影响,北京地区面临着水资源短缺和水土流失严重等生态问题,北京山区作为北京市的重要生态屏障,在涵养水源和保持水土资源等方面起到非常重要的作用,但是由于山区水源涵养林不合理的配置结构阻碍了当地水源涵养林生态功能的发挥。为了进一步了解森林植被对水资源的调控作用,本论文结合国家“十二五”林业公益性行业科研专项“典型森林植被对水资源形成过程的调控研究”,选择北京山区典型小流域半城子和红门川流域为研究对象,通过两个流域土地利用变化和降水径流变化的趋势分析,阐述土地利用／森林覆被变化和降水变化对径流过程的影响,并利用分布式水文模型WetSpa extension模拟分析流域不同土地利用／森林覆被变化的径流变化情况,以期为北京山区森林植被建设和水资源调控提供理论依据。主要研究成果如下：(1)研究时段内半城子流域呈阔叶林增加,混交林先增后减小,针叶林、灌木林和水域面积减少的趋势；流域农田和水域分布在250-350m海拔之间的平地或者缓坡地上,各林地主要分布在坡度大于15。的不同海拔和坡向上。结合Fragstats软件分析得知,流域景观和斑块的连通性增加,破碎化程度降低。红门川流域呈阔叶林、针叶林、灌木林和农田增加,混交林和水域减少的趋势；水域和农田分布在550m以下的平地和缓坡地上,林地大多数分布在6。以上的不同海拔和坡向上。景观和斑块的连通性变差,形状变复杂,破碎化程度增大。两个流域的各种土地利用类型间呈双向高速转换的平衡状态。(2)研究时段内两个流域降水量和径流量都呈下降趋势,但是下降趋势并不一致。利用双累积曲线法将两个流域的研究时段都划分为基准期(1990-1997年)和变化期(1998-2006年)两个阶段,半城子流域变化期径流深较基准期减少了132.6mm,土地利用／森林覆被变化和降水对径流变化的贡献分别为27.9%和72.1%；红门川流域变化期径流深较基准期减少了132.7mm,土地利用／森林覆被变化和降水各自的贡献为44.4%和55.6%。两个流域后期土地利用／森林覆被变化都起到一定的减少径流的作用。(3)WetSpa extension模型模拟的半城子流域和红门川流域年均径流、月均径流和日均径流都能满足相对误差小于15%,决定系数R2大于0.60,纳什系数Ens值大于0.60的要求,达到乙等水平,模型在北京山区典型小流域具有较好的适用性；并且两个流域的日径流模拟效果要好于年月模拟。通过数字滤波法基流分割与、VetSpa extension模型模拟径流分割对比发现两种方法分割的两个流域基流比例相差不大,均在50%左右,认为用WetSpa extension模型模拟的壤中流和地下径流结果可信。(4)半城子流域在丰水年下2005年的土地利用结构比1990年土地利用产流明显减少,而平水年和枯水年下,不同土地利用方式产流差别不明显；不同森林植被类型调蓄径流能力不同,产流量的大小依次为灌木林>针叶林>混交林>阔叶林。红门川流域2000年的土地利用结构具有很好的水源涵养功能,在丰水年和平水年水源涵养效果更加显著而在枯水年差异并不明显；不同森林植被类型调蓄径流能力依次为灌木林<针叶林<混交林<阔叶林。两个流域均表现出阔叶林径流组分中壤中流和地下径流所占比例最大,调蓄径流能力最强。两个流域的径流随森林覆被率的增加而减少,当流域森林覆被率增加到超过60%时,总径流量减少幅度明显变小,但是壤中流和地下径流所占比例持续增加。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACTS  6-8
目录  8-11
1. 绪论  11-25
  1.1 引言  11-12
  1.2 国内外研究进展  12-23
    1.2.1 土地利用/森林覆被变化的水文效应研究  13-17
    1.2.2 华北土石山区土地利用/森林覆被变化的水文效应研究  17-20
    1.2.3 土地利用/森林覆被变化的生态水文响应的研究方法  20-23
  1.3 存在的问题及发展趋势  23-25
2. 研究区概况  25-31
  2.1 北京山区概况  25-26
  2.2 实验流域概况  26-31
    2.2.1 半城子流域概况  26-29
    2.2.2 红门川流域概况  29-31
3. 研究内容与方法  31-40
  3.1 研究内容  31-32
  3.2 技术路线  32
  3.3 数据收集  32-33
    3.3.1 土地利用/森林覆被变化数据  32
    3.3.2 流域的气象数据  32-33
    3.3.3 水文数据  33
  3.4 研究方法  33-40
    3.4.1 水文气象数据趋势性分析和突变点检验  33-37
    3.4.2 土地利用/植被动态变化过程  37-39
    3.4.3 模型模拟方法  39-40
4. 流域景观格局变化研究  40-80
  4.1 流域景观类型的划分  40
  4.2 流域土地利用/森林覆被动态演变分析  40-59
    4.2.1 流域土地利用/森林覆被类型的构成  40-44
    4.2.2 流域土地利用/森林覆被变化分析模型  44-47
    4.2.3 流域土地利用/森林覆被转移特征  47-52
    4.2.4 流域土地利用/森林覆被类型的地形分布情况  52-59
  4.3 流域景观格局分析  59-76
    4.3.1 景观指数的选取  60
    4.3.2 景观级别上的景观格局动态变化分析  60-62
    4.3.3 斑块类型级别上的景观格局动态变化分析  62-76
  4.4 流域森林覆被特征分析  76-78
  4.5 小结  78-80
5. 流域的水文情势变化分析  80-120
  5.1 流域降水变化特征  80-91
    5.1.1 降水的年际变化  80-85
    5.1.2 降水的年内变化  85-89
    5.1.3 降水变化的趋势性检验  89-91
  5.2 流域径流变化特征  91-100
    5.2.1 径流的年际变化  92-96
    5.2.2 径流的年内变化  96-98
    5.2.3 径流变化的趋势性检验  98-100
  5.3 流域降水与径流的关系  100-107
    5.3.1 降水与径流的年际变化  100-105
    5.3.2 降水与径流的年内变化  105-107
  5.4 土地利用变化对径流的影响  107-114
    5.4.1 流域土地利用变化对年径流的影响  107-109
    5.4.2 流域土地利用变化对月径流的影响  109-114
  5.5 森林植被变化对径流的影响  114-119
    5.5.1 流域生物量的估算  114-116
    5.5.2 流域森林植被变化对径流的影响  116-119
  5.6 小结  119-120
6. 基于分布式水文模型WetSpa extension的径流过程模拟  120-157
  6.1 WetSpa模型结构及原理  121-123
  6.2 WetSpa extension模型数据库的建立  123-128
    6.2.1 基于地理信息系统建立的流域DEM  123-125
    6.2.2 土壤数据库  125-126
    6.2.3 土地利用/覆被变化数据库  126-128
    6.2.4 气象和水文数据库  128
  6.3 空间分布参数的提取  128-133
    6.3.1 基于DEM的河网提取及子流域划分  129-130
    6.3.2 基于土壤类型的空间分布参数提取  130-131
    6.3.3 基于土地利用类型的空间分布参数提取  131-132
    6.3.4 产流系数和洼蓄容量的空间分布  132
    6.3.5 汇流参数的提取  132-133
  6.4 WetSpa extension模型的参数率定与验证  133-146
    6.4.1 WetSpa extensi.on模型模拟效果的评价标准  134
    6.4.2 流域水文参数率定结果  134-135
    6.4.3 模型径流模拟与验证的结果分析  135-146
  6.5 WetSpaextension模型与数字滤波法基流分割结果比较  146-150
    6.5.1 数字滤波法(Filter法)的介绍  146-147
    6.5.2 数字滤波法进行流域径流分割  147-149
    6.5.3 两种径流分割结果对比  149-150
  6.6 森林植被变化对径流组分的影响  150-156
    6.6.1 流域不同径流组分的变化  150-151
    6.6.2 流域森林植被变化对径流组分的影响  151-156
  6.7 小结  156-157
7. 流域不同土地利用/森林覆被变化的水文情景模拟  157-174
  7.1 流域土地利用/森林覆被变化的情景设置  157-158
  7.2 流域不同土地利用结构的水文响应  158-163
    7.2.1 丰水年流域径流过程模拟  158-159
    7.2.2 平水年流域径流过程模拟  159-160
    7.2.3 枯水年流域径流过程模拟  160-161
    7.2.4 流域不同土地利用结构的水文响应分析  161-163
  7.3 流域不同情景森林植被类型的水文响应  163-170
    7.3.1 丰水年不同森林植被调蓄径流功能比较  163-164
    7.3.2 平水年不同森林植被调蓄径流功能比较  164-165
    7.3.3 枯水年不同森林植被调蓄径流功能比较  165-167
    7.3.4 流域不同降水条件下不同森林植被类型的水文响应分析  167-168
    7.3.5 流域相同降水条件下不同森林植被类型的水文响应分析  168-170
  7.4 流域不同情景森林覆被率的水文响应  170-172
    7.4.1 半城子流域不同森林覆被率的水文响应分析  170-171
    7.4.2 红门川流域不同森林覆被率的水文响应分析  171-172
  7.5 小结  172-174
8. 结论与展望  174-177
  8.1 结论  174-175
  8.2 本论文的特色及创新点  175-176
  8.3 讨论与展望  176-177
参考文献  177-188
个人简介  188-189
导师简介1  189-190
导师简介2  190-192
在读期间主要成果  192-193
致谢  193

北京山区典型小流域土地利用/森林覆被变化的水文生态响应研究

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