基于植被和冻土协同影响的江河源区水循环研究

论文摘要

全球变化和人类活动下的江河源区水文和能量过程成为维系江河源区作为“中华水塔”的控制要素，土地利用和气候变化对江河源区高寒生态系统的水文和水热过程平衡造成了严重的影响。本论文探讨了江河源区气候变化，分析了土地利用变化及生态系统的稳定性，利用SWAT模型研究了土地利用变化对黄河生态源区径流过程的影响。在长江源区和黄河源区分别选择典型的小流域，进行水文、能量和生态过程各环节不同时期的实验和观测，开发了一个耦合水热过程的分布式冻土水文过程模型，基于定点和模型观测数据探讨大气、土壤与植被水热传输与交换（SVAT）及流域水文过程。1．江河源区的降水整体呈现缓慢增加的趋势，降水增加量4.3mm／10年；黄河源区南区的8个站点存在降水量下降的趋势，而其他站点的降水量增加；降水变化跟海拔的关系不明显。江河源区及周边气温存在着明显增高的趋势，平均气温增幅为0.318℃／10yr，高于整个青藏高原整体的增幅水平，气温变化与海拔之间的关系不明显。作为江河源区最重要的生态系统草地，20世纪中期特别是1986年以来高覆盖草地的面积减少，生态系统稳定性减弱；而低覆盖草地的面积增加，生态系统稳定性增强。水域系统退化中，湖泊的萎缩主要发生在长江源区，而河流的萎缩主要发生在黄河源区。20世纪80年代中期以来，黄河生态源区流量减少的速度越来越快，以玛多站最为明显；同时汛期的洪峰减少速率小于基流。研究表明，LUCC对流量变化的影响平均为19％，对枯水期的影响较大，为28％左右。2．在多年冻土区，径流过程存在春汛和夏汛两个明显的汛期，春汛由降水、积雪融化和冻土活动层融化水组成，而夏汛主要由降雨组成，春末夏初（5-6月）和秋季（9-10月）的径流系数远高于年均值，有些甚至超过了1，夏季径流系数较小。通过在风火山流域的实验研究表明，SRM融雪径流模型可以成功地应用于该地区。模拟结果表明：在气温升高2℃情况下，流域积雪消融期明显提前，改变了径流在时间分布上的原有形式，整个水文过程线在时间上明显前移。在降水增加和减少10％的情况下，流域融雪径流量也随之不同程度的增加和减少，则当降水增加或者减少10％时，其峰值有较明显的变化。冻土水文模型对土壤温度的模拟的整体模型效率系数达到了0.85以上，模拟的径流的模型效率系数达到了0.731。不同气候情景下的模拟表明未来气候在温度增加1℃和降水增加10％的情境下，蒸散发增幅最大，比现在提高8.1％；温度不变，降水量减少10％，蒸散发减幅最大，比现在减少3.1％。不同植被盖度下的模拟表明，植被盖度的退化，使得蒸发量减少，径流增加，同时径流组成发生了变化，地表径流的比例增大，壤中流的比率减少。3．随着植被盖度的降低，冻结过程和融化过程变得迅速，季节冻土冻结开始时间和多年冻土活动层的融化开始时间显著提前，从而形成了季节冻土冻结深度积分增加而多年冻土活动层冻结深度积分减少两种相反的趋势。冻结期负等温线和未冻结期正等温线的最大侵入深度和持续时间随着盖度的降低而增加；但季节冻土融化期温度≥10℃等温线却随植被盖度的降低而减小，季节冻土冻结期温度≤5℃等温线对植被盖度的响应不明显。多年冻土活动层土壤剖面在40cm和120cm左右都存在着高含水层，70cm左右为低含水层；季节冻土在10cm和80cm左右为高含水层，30cm左右为低含水层。植被盖度的降低，导致多年冻土活动层土壤剖面20～60cm土壤水分减少，60～120cm土壤水分含量在除了冻结期外的三个阶段而增加；而季节冻土整个土壤剖面的水分含量随植被盖度的降低而减小。基于冻土水文模型的模拟表明，植被盖度的退化，吸收的能量减少，净辐射减少。潜热减少，地热的绝对值增加，从而促使了深层冻土的融化和活动层厚度的增加。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 全球变化与多年冻土环境
• 1.2.2 多年冻土区水循环过程机制研究
• 1.2.3 多年冻土区生态水文界面耦合研究
• 1.2.4 多年冻土区生态水文过程模拟研究
• 1.3 论文的主要研究内容及技术路线
• 1.3.1 科学问题
• 1.3.2 研究目标
• 1.3.3 研究内容
• 1.3.4 技术路线
• 第二章 研究区概况
• 2.1 江河源区的界定
• 2.2 江河源区的环境特征
• 2.2.1 江河源区植被特征
• 2.2.2 江河源土壤概况
• 2.2.3 水文环境特征
• 2.2.4 江河源区冻土特征
• 2.2.5 江河源区社会经济状况
• 2.3 典型小流域
• 2.3.1 达日县研究区
• 2.3.2 风火山研究区
• 2.3.3 径流场布设
• 第三章 江河源区气候、土地覆被的时空变化及水文效应
• 3.1 江河源区气候的时空变化
• 3.1.1 研究数据及方法
• 3.1.2 降水时空变化
• 3.1.3 气温变化及其空间异质性
• 3.1.4 小结
• 3.2 江河源区近40年的主要生态系统变化
• 3.2.1 草地生态系统变化
• 3.2.2 水域变化
• 3.2.3 小结
• 3.3 气候和LUCC对黄河源区径流过程的影响研究
• 3.3.1 研究区概况
• 3.3.2 径流序列的分析
• 3.3.3 气候因素分析
• 3.3.4 黄河生态源区LUCC
• 3.3.5 土地覆被变化对径流过程影响的模拟研究
• 3.3.6 小结
• 第四章 长江源区小流域径流过程及基于SRM的模拟研究
• 4.1 小流域径流过程特征分析
• 4.1.1 研究方法
• 4.1.2 径流过程变化
• 4.1.3 径流影响因子分析
• 4.1.4 小结
• 4.2 基于SRM（融雪径流）模型的径流模拟及其对气候变化的响应
• 4.2.1 SRM融雪径流模型简介
• 4.2.2 模型的主要参变量及其确定
• 4.2.3 融雪径流模拟及评价
• 4.2.4 小结
• 第五章 土壤水热过程对植被盖度的响应
• 5.1 研究方法
• 5.2 多年冻土活动层水热过程对植被盖度的响应
• 5.2.1 多年冻土活动层土壤温度对植被盖度的响应
• 5.2.2 多年冻土活动层土壤水分对植被盖度的响应
• 5.3 季节冻土区土壤水热过程对植被盖度的影响
• 5.3.1 季节冻土土壤温度对植被盖度的响应
• 5.3.2 季节冻土土壤水分对植被盖度的响应
• 5.4 活动层土壤水热过程对植被盖度的响应对比
• 5.5 结果和讨论
• 第六章 冻土草地流域水文模型
• 6.1 模型原理
• 6.1.1 模型水量平衡
• 6.1.2 模型能量平衡
• 6.1.3 模型的时间尺度
• 6.1.4 模型空间尺度
• 6.2 模型模块设计
• 6.2.1 气象因子模型
• 6.2.2 植被截留
• 6.2.3 地表反射率
• 6.2.4 蒸散发处理
• 6.2.5 感热计算
• 6.2.6 地表温度
• 6.2.7 融雪计算
• 6.2.8 土壤水热耦合模型
• 6.2.9 壤中流
• 6.2.10 地表产流
• 6.2.11 汇流
• 6.3 模型主要参数
• 6.4 小结
• 第七章 基于冻土草地水文模型（FGW）的小流域水文和能量过程模拟
• 7.1 小流域水热过程模拟
• 7.1.1 数据和参数准备
• 7.1.2 土壤温度模拟
• 7.1.3 土壤水分模拟
• 7.1.4 径流验证
• 7.2 模型应用对比分析
• 7.3 气候和土地利用情景变化下的小流域顺循环模拟
• 7.3.1 气候变化下的高寒草甸小流域水文过程模拟
• 7.3.2 植被盖度变化下的高寒草甸小流域水文过程模拟
• 7.3.3 气候和植被盖度综合变化下的水文过程模拟
• 7.3.4 不同植被盖度情景下的能量过程模拟
• 7.4 小结
• 第八章 总结和展望
• 8.1 取得的研究成果
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 博士在读期间参加的科研项目和发表的文章
• 致谢