中国非湿润地区植被与流域水循环相互作用机理研究

论文摘要

非湿润地区植被与流域水循环的相互作用机理,是流域生态水文学的研究热点之一。在缺水环境下植被的生长主要由可利用水分的多少决定;而植被在生长过程中通过冠层截留及蒸腾等影响流域的水文循环。近几十年来,由于森林砍伐、过度耕作和不合理的水资源开发等,导致了我国北方非湿润地区的严重生态和环境问题。因此,研究植被与流域水循环的相互作用机理,是解决非湿润地区生态环境问题的迫切需要。论文以我国内陆河流域、黄河流域和海河流域为研究区域,基于相关分析、水热耦合平衡原理、生态水文模型、分布式水文模型等不同方法,探讨了植被与流域水循环的相互作用机理。论文利用气象、水文、土壤水分及植被等数据,采用相关分析方法,研究了植被覆盖率与水循环要素的关系。分析结果表明,在相对湿润的流域中,植被覆盖度越高,蒸散发越大,并伴随着蒸发效率越高但蒸发系数越低,地下径流占总径流的比例越高,平均土壤水分越大。根据水热耦合平衡原理,分析了植被在Budyko曲线上的分布,并将植被覆盖度引入流域水热耦合平衡模型,改善了流域蒸散发的模拟结果,阐释了气候和植被覆盖度对流域水量平衡的影响。基于Eagleson的生态水文模型,从植被生长季节平均的流域水量平衡关系入手,分析并揭示了流域长期平均的植被覆盖度和土壤水含量的区域分布特性以及年际变化特性,建立了植被覆盖度与土壤含水量之间的定量关系。将水热耦合平衡原理和生态水文模型耦合,提出了可用于预测气候和植被变化下流域水循环响应的方法。基于分布式水文模型(GBHM)与流域水热耦合平衡模型的模拟分析,揭示了实际蒸散发与潜在蒸散发之间在流域和年尺度上呈非线性互补关系,但在山坡和小时时间尺度上呈线性正比关系;并发现土壤水分和植被参数化对流域水循环模拟结果的影响,随着时间尺度变小表现得越来越显著。论文对植被和流域水循环相互作用机理的研究,为理解我国非湿润地区植被变化与水循环之间的关系,以及预测气候变化下的流域生态水文响应提供了参考;并为评价我国北方地区的水土保持工程对流域水循环和水资源的影响提供了理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 理论背景
• 1.1.2 应用背景
• 1.1.3 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 覆被变化对流域水循环的影响
• 1.2.2 覆被变化对近地表能量平衡的影响
• 1.2.3 区域水热耦合平衡与植被的联系
• 1.2.4 土壤水分对植被的影响
• 1.2.5 气候变化对流域水循环的影响
• 1.2.6 气候变化对植被的影响
• 1.3 论文研究的关键科学问题
• 1.4 论文研究思路和主要内容
• 第2章 植被与流域水循环要素的相关分析
• 2.1 研究区域和资料
• 2.1.1 研究区域
• 2.1.2 研究资料
• 2.2 植被覆盖率与流域降水量的相关分析
• 2.2.1 植被覆盖率与年降水量的相关分析
• 2.2.2 降水年际变化对植被覆盖率的影响
• 2.3 植被覆盖率和流域蒸散发的相关分析
• 2.3.1 植被覆盖率与蒸散发量的相关分析
• 2.3.2 植被覆盖率与蒸发效率的相关分析
• 2.3.3 植被覆盖率与蒸发系数的相关分析
• 2.4 植被覆盖率与流域径流成分的相关分析
• 2.5 植被与流域土壤水分的相关分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于水热耦合平衡原理分析植被对流域水循环的影响
• 3.1 流域水热耦合平衡方程中考虑植被特性的意义
• 3.2 研究区域及资料
• 3.3 基于Budyko 曲线分析植被覆盖度对流域水量平衡的影响
• 3.3.1 植被覆盖度在Budyko 曲线上的分布
• 3.3.2 林地面积比例在Budyko 曲线上的分布
• 3.3.3 植被覆盖度对流域水量平衡的影响分析
• 3.4 气候、植被和流域水文循环的相互作用讨论
• 3.4.1 植被类型和干旱指数的关系
• 3.4.2 植被覆盖度与蒸发效率及蒸发系数的关系分析
• 3.5 流域水热耦合平衡模型的改进
• 3.5.1 流域多年平均实际蒸散发量的模拟
• 3.5.2 流域实际蒸散发量年际变化的模拟
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于生态水文模型分析植被与流域水循环的关系
• 4.1 Eagleson 生态水文模型介绍
• 4.2 研究区域和资料
• 4.3 植被覆盖度和气象因子的相关分析
• 4.4 Eagleson 模型在我国非湿润区的应用
• 4.4.1 适应我国非湿润区的模型简化
• 4.4.2 长期平均的植被覆盖度和土壤水分空间分布
• 4.4.3 植被覆盖度和土壤水分的年际变化
• 4.5 水热耦合平衡原理与生态水文模型的耦合
• 4.5.1 水热耦合平衡原理与生态水文模型的联系
• 4.5.2 水热耦合平衡原理与生态水文模型的耦合
• 4.6 本章小结
• 第5章 流域水循环模拟中的植被参数化方法
• 5.1 分布式流域水文模型中的土壤－植被参数化
• 5.1.1 分布式流域水文模型的发展
• 5.1.2 GBHM 模型的基本原理
• 5.1.3 GBHM 模型中的土壤－植被参数化方法及水文过程描述
• 5.2 植被变化对流域水循环的影响分析
• 5.2.1 研究区域和资料
• 5.2.2 研究方法
• 5.2.3 GBHM 模型的参数率定和验证
• 5.2.4 模型敏感性分析
• 5.3 植被在不同时间尺度上对流域水循环的影响
• 5.3.1 基于流域水热耦合平衡方程的自上而下分析与基于分布式水文模型的自下而上分析
• 5.3.2 任意时间尺度的流域水热耦合平衡方程
• 5.4 GBHM 模型和水热耦合平衡模型结果比较
• 5.4.1 研究区域和资料
• 5.4.2 不同尺度上流域实际蒸散发与潜在蒸散发的相互关系比较
• 5.4.3 不同时间尺度上流域蒸散发模拟结果的比较
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 研究成果
• 6.2 主要创新点
• 6.3 研究不足及展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果