三江平原挠力河流域湿地生态系统水文过程模拟研究

论文摘要

湿地具有巨大的环境功能和效益,但近半个世纪以来在各种自然因素及人类干扰作用下,湿地的数量和面积锐减,服务功能退化严重。湿地水文情势的改变是湿地退化的最根本原因。利用水文模型能对湿地复杂的水文过程进行概化和模拟,尤其是具有物理基础的分布式水文模型能够反映流域产汇流的空间分布规律,模拟变化环境（如土地利用和气候变化等）下的水循环过程,可对湿地生态系统的管理、保护和恢复起到技术支撑作用。本研究的主要目标是基于分布式水文模型研究适宜我国三江平原地区的湿地生态系统管理、保护和恢复方法。为此,首先构建了一个概念性的集总式模型（NAM）,以初步确定流域下垫面的水文特征参数,了解挠力河流域水文情势的变化及主要的影响因素。进一步,基于气象、水文、遥感和数字高程模型等多源数据集构建了挠力河流域地表水/地下水耦合模型（MIKE SHE/MIKE11）,以流域内四个水文观测站1998～2000年逐日径流数据率定模型,以2003～2005年数据验证模型。进一步使用IPCC第四次评估报告公布的7个全球气候模式（GCMs）预估了流域2050s的气候情景,并基于这些情景模拟了未来气候变化对流域湿地水文情势的潜在影响。最后根据前面多个章节研究的结果,提出了适宜于挠力河流域的湿地生态系统管理、保护和恢复方案。研究的主要结论总结如下：（1）概念性集总式模型可以对挠力河流域降雨径流过程进行较好的模拟,模型在率定期的表现优于验证期。造成模型在验证期模拟效果降低的最主要原因可能在于农业开发活动对流域下垫面性质强烈而快速的改变。自20世纪50年代以来三江平原地区强烈的农业开发活动深刻影响了流域水文情势,并且这种影响在近20年仍然在持续。概念性集总式模型不确定性主要来源于输入数据、模型结构和最优参数集的选择。NAM模型只能对整个研究区的水文特性进行平均考虑,无法对融雪、人为干扰（抽水灌溉等）、不同土地利用类型的水文特性等进行深入考虑。（2）模拟和实测的水文过程线比较图以及定量的模型效果评价说明所构建的MIKE SHE/MIKE11耦合模型能够较好地模拟三江平原挠力河流域水循环过程,对湿地的管理和保护起到了技术支撑的作用。模型在率定期和验证期的Nash-Sutcliffe系数均达到0.65以上。水量平衡分析显示,模型率定期流域内总蒸散发量超过总降水量,流域处于水量损失的状态。对不同土地利用类型进行的水量平衡分析说明了湿地在调节区域气候和涵养水源方面的重要作用。流域内大面积农田采取的井灌措施导致了地下水水位的持续下降,农田抽水灌溉的吸水效应也对被农田包围的湿地和林地构成显著影响。模型不确定性的主要来源包括输入数据、模型结构和参数的选择。（3）GCMs对未来气候的预估结果表明,A2、A1B和B1.三个排放情景下挠力河流域在2050s年代的降水、温度和潜在蒸散发水平与基准期相比均有所提高,以A1B情景增加幅度最大。不同的气候模式对未来流域气候的预估趋势基本一致,但存在变动幅度大小的差异。气候变化的水文影响分析表明,未来流域内河道径流量在一年大部分时间都有所增加,以A1B情景增加量最高,集合平均模式AEM预测下游控制站菜咀子站的年径流总量在A2、A1B和B1情景下将分别增加7.7%,10.1%和6.8%。河道径流量的变化相对于降水量的变化有明显的延迟效应,这与流域中下游大面积沼泽湿地的蓄洪滞水和径流调节能力有关。未来流域总降水和蒸散发量都有明显升高趋势,但蒸散发的增加量较降水的增量更高。在全球气候变化的背景下,如果仍然维持当前的景观格局且不采取其它补水措施的话,未来挠力河流域的水资源供需矛盾将加剧,而流域内的湿地将面临更大的水量损失风险,极有可能进一步退化。气候模式的模拟结果也说明未来流域地表径流（坡面漫流）增加明显,如果不采取对应的防洪治涝和退耕还湿措施,流域将面临更大的洪涝灾害和水土流失风险。（4）根据水文模型模拟所反映的当前挠力河流域内湿地管理和保护方面面临的主要问题,提出了三种基本的湿地管理、保护和恢复方案（思路）,分别对应着不同的湿地恢复强度和策略。方案一重点考虑核心湿地区的连续性,将处于成片湿地周边的破碎化农田等恢复为湿地,方案二将流域内全部水稻田恢复为湿地,方案三将流域内全部早地恢复为湿地。依据模型模拟结果并考虑现实可操作性,认为方案一在各个水文指标上均对流域湿地的保护具有积极正面的效果,且退耕还湿比例非常有限（耕地面积仅减少了6.68%）,不会对农业生产造成显著影响,是一种合理且易于实施的最优方案。考虑到三江平原挠力河地区的流域特征以及该区湿地可能受到的未来气候变化的影响,实施湿地生态系统的管理、保护和恢复方案主要应从适当程度的退耕还湿、科学有效的生态补水、以及能落到实处的湿地生态环境保护等多方面开展。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究综述
• 1.2.1 水文模型发展简介
• 1.2.2 分布式水文模型
• 1.2.2.1 分布式水文模型内涵
• 1.2.2.2 典型的分布式水文模型
• 1.2.3 湿地水文模型
• 1.2.4 分布式水文模型MIKE SHE研究进展
• 1.2.4.1 搭建MIKE SHE模型
• 1.2.4.2 模型基础过程研究
• 1.2.4.3 利用遥感等多源数据构建水文模型
• 1.2.4.4 土地利用和气候变化的水文响应
• 1.2.4.5 前景和展望
• 1.3 三江平原湿地管理的关键科学问题
• 1.3.1 三江平原湿地基本概况
• 1.3.2 存在的关键科学问题
• 1.4 研究目的和意义
• 1.5 主要研究内容及思路
• 1.6 论文结构
• 第二章 MIKE SHE模型原理和模拟方法
• 2.1 MIKE SHE概述
• 2.2 MIKE SHE对水文过程的模拟方法
• 2.3 MIKE SHE模拟的主要水文过程
• 2.3.1 截留/蒸散（ET）
• 2.3.2 坡面流（OL）
• 2.3.3 非饱和带水流（UZ）
• 2.3.4 饱和带水流（SZ）
• 2.3.5 融雪（SM）
• 2.3.6 明渠流
• 2.4 MIKE SHE与MIKE 11的耦合
• 2.5 MIKE SHE的数据组织
• 2.6 MIKE SHE的输入和输出
• 第三章 研究区概况和建模数据准备
• 3.1 流域概况
• 3.1.1 地理位置及地形地貌
• 3.1.2 流域气候
• 3.1.3 水文水资源
• 3.1.3.1 水文
• 3.1.3.2 水资源
• 3.1.4 土壤和植被
• 3.1.5 其它自然资源
• 3.1.5.1 动物资源
• 3.1.5.2 景观资源
• 3.1.6 社会经济概况
• 3.2 建模数据准备
• 3.2.1 建模用到的基础数据
• 3.2.2 建模数据预处理
• 3.2.2.1 气象数据预处理
• 3.2.2.2 潜在蒸散发计算
• 3.2.2.3 DEM数据预处理
• 3.2.3 基于DEM提取流域水文特征
• 3.2.4 遥感影像处理
• 3.2.4.1 Landsat-5 TM影像简介
• 3.2.4.2 Landsat-5 TM影像的获取方法
• 3.2.4.3 影像处理
• 3.2.4.4 数据转换
• 第四章 概念模型构建
• 4.1 NAM模型构建
• 4.1.1 NAM模型原理
• 4.1.2 NAM模型结构
• 4.1.3 NAM模型主要参数
• 4.1.4 NAM模型主要水文过程计算方法
• 4.1.4.1 蒸散发（Evapotranspiration）
• 4.1.4.2 坡面流（Overland Flow）
• 4.1.4.3 壤中流（Interflow）
• 4.1.4.4 地下水补水（Groundwater recharge）
• 4.1.4.5 基流（Baseflow）
• 4.1.4.6 汇流演算（Interflow and overland flow routing）
• 4.1.5 NAM模型建立
• 4.2 MIKE 11 HD模型建立
• 4.2.1 MIKE 11 HD模型结构
• 4.2.2 河网文件生成
• 4.2.3 断面文件生成
• 4.2.4 边界文件生成
• 4.2.5 参数文件生成
• 4.2.6 模拟文件生成
• 4.3 MIKE 11 HD和NAM模型耦合
• 4.4 模型率定和验证
• 4.4.1 率定方法
• 4.4.2 目标函数
• 4.4.3 优化算法
• 4.4.4 终止准则
• 4.4.5 模型效果评价
• 4.5 模拟结果
• 4.6 讨论
• 4.6.1 农业开发活动对水文情势的影响
• 4.6.2 模型不确定性分析
• 4.6.2.1 输入数据
• 4.6.2.2 模型结构
• 4.6.2.3 最优参数集选择
• 4.7 小结
• 第五章 MIKE SHE/MIKE 11耦合模型构建
• 5.1 耦合模型参数化
• 5.1.1 模型范围和网格
• 5.1.2 地形
• 5.1.3 气候
• 5.1.4 土地利用
• 5.1.5 灌溉模块
• 5.1.6 坡面流
• 5.1.7 非饱和带
• 5.1.8 饱和带
• 5.1.9 大型水库
• 5.1.10 耦合MIKE 11
• 5.2 模型调试
• 5.2.1 模拟步长设置
• 5.2.2 参数敏感性分析
• 5.2.3 参数率定
• 5.3 模型验证
• 5.4 结果分析
• 5.4.1 模型效果评价
• 5.4.2 水量平衡分析
• 5.4.3 不确定性分析
• 5.4.3.1 输入数据
• 5.4.3.2 模型结构和参数
• 5.5 小结
• 第六章 湿地对未来气候变化的响应
• 6.1 挠力河流域近50年气候变化趋势
• 6.1.1 降水变化趋势
• 6.1.2 温度变化趋势
• 6.2 气候情景
• 6.3 气候情景下的模拟结果
• 6.3.1 径流变化
• 6.3.2 水量平衡分析
• 6.4 讨论
• 6.4.1 未来气候变化的水文影响
• 6.4.2 研究中存在的不确定性
• 6.5 小结
• 第七章 基于水文模型的湿地管理、保护和恢复方案
• 7.1 模型模拟结果反映的问题
• 7.2 基于模型的湿地管理、保护和恢复方案
• 7.2.1 方案一
• 7.2.2 方案二
• 7.2.3 方案三
• 7.3 不同规划方案间水文模拟的比较
• 7.4 选取最优方案
• 7.5 方案具体实施
• 7.5.1 退耕还湿
• 7.5.2 湿地补水
• 7.5.3 湿地生态环境保护
• 7.6 方案可能产生的效益
• 7.6.1 生态效益
• 7.6.2 社会效益
• 7.6.3 经济效益
• 7.7 小结
• 第八章 结论和展望
• 8.1 结论
• 8.2 创新点
• 8.3 展望
• 参考文献
• 附录
• 个人简介
• 导师简介
• 获得成果目录
• 致谢