芦苇湿地蒸散发测算方法及耗水预测研究

论文摘要

湿地是多功能的独特生态系统,是自然界最富有生物多样性的生态景观和人类重要的生存环境之一,具有调节河川径流、防止水旱灾害、净化污染的功能和很高的生产力,对维持自然生态平衡和促进国民经济发展起到着不可替代的作用。受我国人口增长、工农业用水持续紧张、全球气候变化等一系列因素的影响,我国大部分湿地面临严峻考验,出现湿地面积迅速减小、生物多样性下降、敏感物种消失等严重后果,对湿地的保护、恢复工作亟待进行。水是形成和维系湿地生态系统的重要因子,湿地水量变化对湿地功能及临界状态研究具有重要意义,在湿地水循环要素中,水生植物蒸散耗水量最难直接确定,其变化规律是进行湿地水循环与水量动态变化研究的关键。本文研究了沼泽湿地原形条件下蒸散发的测量问题,通过实验测量和模型分析,评估了湿地区域主要下垫面类型芦苇沼泽和自由水面条件下不同时间尺度的蒸散耗水量,研究了湿地大型水生植物对湿地水面蒸发的影响机理及变化规律,分析了湿地区域气象因子的变化趋势及其对蒸散耗水的影响,对未来时期湿地芦苇沼泽蒸散耗水的可能变化趋势做出了预测,为全面科学的进行湿地水资源管理、制定湿地保护计划提供科学的依据。本文的研究以扎龙湿地为背景,主要研究内容和成果如下：（1）大型水生植物蒸散耗水量直接测定,蒸散耗水过程的数学模型描述对国内外不同下垫面蒸散耗水直接测量方法进行了系统的评述,研究了不同学科领域蒸散耗水的测算方法,根据扎龙湿地的实际水文地质情况,研制了“三筒补偿式蒸渗仪”,适合测量下垫面经常处于饱和状态的芦苇沼泽蒸散耗水量,其方法、装置分获两项国家发明专利授权。研究对2004年、2005年扎龙湿地芦苇生长期内的蒸散耗水量进行了对比观测,分析了湿地大型水生植物芦苇对自由水面蒸发的影响,建立了耦合当地微气象观测数据及芦苇生理指标的多元回归模型,具有很好的相关性。（2）扎龙湿地区域参照蒸散发估算的经验模型的构建对湿地周边气象站历史数据进行了整理分析,使用FAO56单系数法计算了湿地区域的参照作物蒸散量,通过统计参照蒸散量与多个气象因子的相关关系,以相关平方系数和均方误差为拟合评价指标,尝试使用不同拟合模型和气象因子组合方式建立了拟合Penman-Monteith模型结果的经验公式,该公式耦合了湿地最高气温、最低气温、降雨量、风速四个因子,能够很好地估算湿地区域逐月参照蒸散耗水量。（3）湿地区域蒸散耗水变化的气候学原因分析以扎龙湿地周边的齐齐哈尔、富裕、林甸、杜蒙、泰来五气象站1961～2000年的逐月气象数据估算了湿地区域40年的蒸散耗水量。对五站最高气温、最低气温、降雨量、风速四因子的40年变化趋势进行了分析,结果表明湿地区域最高气温具有不显著的上升趋势,最低气温具有显著的上升趋势,二者的变化是不对称的,平均风速具有显著的下降趋势,而降雨量的变化不明显。经验模型各气象因子的敏感性分析说明了最高气温、最低气温是影响湿地蒸散耗水变化的主要因子,二者的变化率决定了蒸散耗水的变化趋势。在最高气温、最低气温均上升的时期,平均气温的上升并不一定意味着蒸散耗水的增加,最低气温的显著上升会抵消最高气温对蒸散的正面影响,使蒸散量有可能呈现下降的趋势,研究给出了描述三者变化率关系的微分方程。（4）未来时期,扎龙湿地区域芦苇沼泽可能的蒸散耗水量预测利用建立的经验模型,在气象因子线性外延及HadCM3、CCSRNIES、CSIRO-Mk2、CGCM1四个大气环流模型气候情景下估算了扎龙湿地区域未来60年（2001～2060年）的蒸散耗水时间分布情况,计算了气候变化影响的蒸散耗水增加量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 题目来源
• 1.2 选题背景和研究意义
• 1.2.1 湿地生态系统功能与我国湿地特点
• 1.2.2 社会发展、全球气候变化对湿地生态系统的影响
• 1.2.3 本文研究的意义
• 1.3 研究进展和现状
• 1.3.1 国内外蒸散耗水研究进展及方法评述
• 1.3.2 蒸散变化的气候原因研究
• 1.3.3 未来气候变化对区域水文系统中蒸散影响的研究
• 1.4 本文的目的、主要研究内容及拟解决的问题
• 1.4.1 本文的目的
• 1.4.2 主要研究内容
• 1.4.3 拟解决的关键性问题及实现方法
• 2 扎龙湿地地理及水文气象特性
• 2.1 扎龙湿地自然地理情况及湿地功能分区
• 2.1.1 湿地自然地理情况
• 2.1.2 扎龙湿地功能分区
• 2.2 湿地水文、气象情况
• 2.2.1 湿地水文情况
• 2.2.2 湿地气象情况
• 2.3 湿地土地利用现状
• 2.4 湿地水资源供需现状
• 2.5 本章小结
• 3 扎龙湿地蒸散发测量、计算方法的选择
• 3.1 蒸散发确定方法评价
• 3.2 各种蒸散估算方法在国内外湿地研究领域的应用
• 3.3 扎龙湿地芦苇沼泽蒸散量估算方法研究
• 3.4 本章小结
• 4 扎龙湿地芦苇沼泽蒸散耗水测量实验
• 4.1 实验装置的研制
• 4.1.1 各种蒸渗仪测量作物蒸散的方法及相关专利技术
• 4.1.2 三筒补偿式蒸渗仪方法、装置
• 4.2 实验方法与实验步骤
• 4.2.1 实验方法
• 4.2.2 实验步骤
• 4.3 实验结果分析
• 4.3.1 芦苇带蒸散耗水变化规律分析
• 4.3.2 小时间尺度下芦苇蒸腾作用因子变化规律分析
• 4.3.3 芦苇沼泽实际蒸散量估算
• 4.4 逐日估算芦苇沼泽实际蒸散发模型的建立
• 4.4.1 作物生长对蒸散耗水量的影响
• 4.4.2 拟合结果
• 4.4.3 芦苇蒸散量测量结果与其他研究结论的比较
• 4.5 本章小结
• 5 估算湿地区域逐月蒸散发模型的构建
• 5.1 潜在蒸散发定义的选择
• 5.1.1 不同模型定义的潜在蒸散发
• 5.1.2 潜在蒸散发与参照作物蒸散发
• 5.2 FAO56 Penman-Monteith公式计算参照作物蒸散发
• 5.2.1 气象数据集的处理
• 5.2.2 FAO56 P-M公式计算逐月参照蒸散发
• 5.3 模型的构建
• 5.3.1 气象因子的选择
• 5.3.3 与其他模型的比较
• 5.4 多元回归方法与神经网络方法预测效率的比较
• 5.5 较大时间尺度芦苇作物系数的变化
• 5.6 本章小结
• 6 气候影响下的湿地蒸散量变化及芦苇沼泽耗水量预测
• 6.1 40年气候变化对扎龙湿地区域蒸散发影响分析
• 6.1.1 湿地区域各气象因子40年变化及其趋势检验
• 6.1.2 各气象因子敏感性分析
• 6.1.3 1961～2000年扎龙湿地芦苇沼泽平均蒸散耗水计算
• 6.1.4 气象因子与蒸散发耗水量的变化关系分析
• 6.2 蒸散耗水量预测
• 6.2.1 IPCC发布GCMs模型预测湿地未来60年气候情景
• 6.2.2 基于气象因子线性外延+GCMs气候情景的蒸散发预测
• 6.2.3 基于GCMs大气环流模型气候情景的蒸散发预测
• 6.2.4 未来时期最高气温、最低气温、蒸散耗水变化倾向率之间的关系
• 6.3 考虑气候变化的湿地水资源管理研究
• 6.3.1 扎龙湿地现有的水资源规划方法、原则
• 6.3.2 考虑气候变化的湿地适宜生态环境需水量预测
• 6.4 本章小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况及研究成果
• 致谢