考虑植被影响的水文过程模拟研究

论文摘要

大多数的概念性流域水文模型缺少显式考虑流域下垫面植被特性对水文过程的影响,因此不利于研究气候变化和土地利用/覆被变化对流域水文循环的影响。本文将在概念性水文模型——新安江模型中引入植被覆盖影响水文过程的物理机制,构建考虑植被影响的新安江模型,研究我国南水北调中线工程水源地——汉江流域在变化环境下的水文响应。 利用美国马里兰大学全球1km土地覆被数据描述研究区域的植被空间分布,采用遥感数据归一化植被指数NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）反演研究区域叶面积指数的时空分布,基于陆面数据同化系统LDAS（Land Data Assimilation System）和相关文献确定各类植被的参数,采用具有物理基础的双源蒸散发能力计算模型,计算汉江上游汉中水文站集水区域的蒸散发能力时空分布。结果表明:土地覆被对蒸散发能力的大小及时空分布具有显著的影响;双源蒸散发能力计算模型可以与新安江三水源模型耦合,并能合理地模拟汉中水文站的日径流过程,确定性系数达到0.737～0.977。 在新安江模型中显式表征植被物候特征（叶面积指数）、根系特征（根系深度）、生理特性（叶面气孔开合）、地表粗糙度（糙率）等因素对流域蒸散发、产流和汇流过程的影响,在数字流域上利用地理信息系统技术和遥感信息,构建考虑植被影响的新安江模型,并模拟汉江流域汉中水文站的日径流和洪水过程,模拟结果良好。 采用极端土地利用/覆被法在汉江上游汉中水文站集水区域构建土地覆被变化情景,运用考虑植被影响的新安江模型研究土地覆被变化情景下的水文响应。在汉江汉中站集水区域植树造林将可能使年均蒸散发量增加2.1%～11.1%,年均径流量减少1.3%～7.5%,可以有效地削减洪峰流量、延缓洪峰;将森林植被转换为耕地、林地草原或草原植被将使年均蒸散发量减少3.1%～22.2%,年均径流量增加2.0%～15.0%,并引起洪峰流量增加、峰现时间提前。 基于汉江流域0.5°网格系统和考虑植被影响的新安江模型,构建汉江流域气候变化对径流影响评估模型,并与区域气候模型PRECIS（Providing Regional Climate for Impacts Studies）单向耦合,评测气候变化政府间研究小组温室气体排放情景特别报告IPCC-SRES（Intergovernmental Panel on Climate Change-Special Report on Emission Scenarios）的气候变化情景下汉江流域的水文响应。汉江流域未来（1991～2100年）多年平均径流深较基准年（1961～1990年）约增加4.7%;汉江流域未来径流深的空间分布差异性更为显著,预示着汉江流域发生局部旱灾和洪灾的可能性增大。 采用LPJ全球植被动态模型（Lund-Potsdam-Jena Dynamic Global Vegetation Model）模拟气候变化对汉江流域植被的可能影响。模拟结果表明各种气候条件和大气CO2浓度组合情况下,汉江流域的植被第一净生产力、叶面积指数、植被组成和分布将发生显著的变化。利用LPJ模型输出的植被信息,采用考虑植被影响的新安江模型在汉江流域进行植被动态变化的水文模拟数值试验,研究表明在长时间尺度的径流模拟中应该考虑植被的动态变化。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外的研究进展
• 1.2.1 流域水文模型
• 1.2.2 土地利用／覆被变化对流域水循环的影响
• 1.2.3 气候变化对流域水循环的影响
• 1.2.4 气候变化对植被的影响
• 1.3 本文研究框架
• 1.3.1 论文研究目的和意义
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 技术路线
• 第二章 双源蒸散发能力计算模型及其应用
• 2.1 概述
• 2.1.1 单层模型
• 2.1.2 多层模型
• 2.2 双源蒸散发能力计算模型
• 2.2.1 基本方程
• 2.2.2 辐射平衡
• 2.2.3 陆面阻抗参数化方案
• 2.2.4 冠层截留
• 2.3 模型应用
• 2.3.1 汉江流域概况
• 2.3.2 资料准备
• 2.3.3 单点试验
• 2.3.4 全流域试验
• 2.4 新安江模型与双源蒸散发能力计算模型的耦合
• 2.5 小结
• 第三章 考虑植被影响的新安江模型
• 3.1 概述
• 3.2 数字流域水系
• 3.2.1 DEM数据的预处理
• 3.2.2 栅格单元流向的确定
• 3.2.3 流域分水线和河网水系的确定
• 3.2.4 栅格水系最优汇流演算次序的计算
• 3.3 水文模型基本原理
• 3.3.1 单元产流模块
• 3.3.2 蒸散发及截留模块
• 3.3.3 坡地汇流模块
• 3.3.4 河网汇流模块
• 3.3.5 日模型坡地汇流和河网汇流模块
• 3.3.6 模型参数
• 3.4 模型应用
• 3.4.1 汉江汉中站集水区域数字流域水系构建
• 3.4.2 汉江汉中站集水区域空间信息库构建
• 3.4.3 日径流过程模拟
• 3.4.4 洪水过程模拟
• 3.5 小结
• 第四章 汉江流域土地覆被变化引起的水文响应
• 4.1 概述
• 4.2 土地覆被变化情景的构建
• 4.2.1 土地覆被变化情景的构建方法
• 4.2.2 资料及参数准备
• 4.3 土地覆被变化情景下的水文响应
• 4.3.1 土地覆被变化对暴雨截留的影响
• 4.3.2 土地覆被变化对洪峰的影响
• 4.3.3 土地覆被变化对蒸散发量的影响
• 4.3.4 土地覆被变化对径流量的影响
• 4.4 小结
• 第五章 汉江流域气候变化引起的水文响应
• 5.1 概述
• 5.2 汉江流域近50年气候变化分析
• 5.2.1 汉江流域气温变化分析
• 5.2.2 汉江流域降雨变化分析
• 5.3 汉江流域气候变化对径流影响评估模型
• 5.3.1 大气强迫资料
• 5.3.2 植被参数
• 5.3.3 土壤参数
• 5.3.4 水文参数率定
• 5.4 汉江流域气候变化情景下的水文响应
• 5.4.1 汉江流域气候变化情景的构建
• 5.4.2 汉江流域气候变化情景分析
• 5.4.3 汉江流域气候变化情景下的径流变化
• 5.5 小结
• 第六章 汉江流域气候变化引起的植被响应
• 6.1 概述
• 6.2 LPJ模型
• 6.3 汉江流域气候变化情景下的植被响应
• 6.3.1 资料准备
• 6.3.2 气候变化对汉江流域植被净初级生产力的影响
• 6.3.3 气候变化对汉江流域植被分布的影响
• 6.4 考虑植被动态变化的水文模拟
• 6.4.1 资料准备
• 6.4.2 模拟结果分析
• 6.5 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 创新点
• 7.3 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间负责的科研项目
• 攻读博士期间参加的科研项目
• 攻读博士期间发表的论文及译作