华北土石山区典型流域森林植被水文生态过程响应研究

论文摘要

森林植被具有涵养水源、调节径流、改善水质、保护土壤和水环境的巨大水文作用,因此森林植被生态建设是解决水资源水环境问题的重要途径。本论文选择华北土石山区典型流域:半城子水库流域、沙厂水库流域和怀柔水库流域作为研究区,应用分布式水文模型SWAT（Soil and Water Assessment Tool）对不同尺度流域的水文响应进行模拟研究,并重点探讨森林植被变化对水文生态响应的影响。基于研究流域的土地利用、土壤类型等信息数据和流域水文、气象资料,应用SWAT水文模型对半城子水库流域、沙厂水库流域和怀柔水库流域的生态水文过程进行了模拟。本文首次在华北土石山区采用SWAT2005版最新提供的LH-OAT灵敏度分析模块和SCE-UA自动校准模块,快速准确的率定了模型所需重要参数,使模型在华北土石山区径流的模拟具有较好的适用性。基于SWAT模型的模拟分析结果,应用GIS的空间分析功能,论文分析了半城子水库流域在1990年、1995年、2000年和2005年的径流分布以及不同森林植被类型的对水文响应影响的贡献,结果表明,森林植被的变化对径流产生了较大的影响。年内降雨较多的月份,产生的径流也较大,反之年内降雨量较少的月份,产生的径流也较小。土地利用的变化主要表现在灌木林和针叶林面积的减少和阔叶林面积的增加,相应的水文变化是径流量的减少。通过预测2010年的森林植被变化,建立情景模拟,分析了未来森林植被覆盖对水文响应的影响。研究表明森林植被具有很明显的减水生态水文功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 1 流域水文模型研究综述
• 1.1 流域水文模型及其分类
• 1.2 流域分布式水文模型的发展
• 1.2.1 国外分布式水文模型研究进展
• 1.2.2 国内分布式水文模型研究进展
• 1.3 国内外有代表性的分布式水文模型
• 1.3.1 SWAT 模型
• 1.3.2 TOPOMODEL
• 1.3.3 TOPOG
• 1.3.4 RHESSys 模型
• 1.3.5 SWMM 模型
• 1.3.6 DHSVM 模型
• 1.3.7 MIKESHE 模型
• 1.4 存在的主要问题与发展趋势
• 1.4.1 尺度转换问题
• 1.4.2 分布式水文模型计算域的离散
• 1.4.3 水文模型与RS 和GIS 的集成
• 1.4.4 分布式水文模型的参数率定
• 2 研究区和研究流域概况
• 2.1 研究区自然概况
• 2.1.1 地理位置
• 2.1.2 地质地貌
• 2.1.3 气候
• 2.1.4 水文
• 2.1.5 土壤
• 2.1.6 植被
• 2.2 研究流域基本概况
• 2.2.1 半城子水库流域概况
• 2.2.2 沙厂水库流域概况
• 2.2.3 怀柔水库流域概况
• 3 研究技术途径
• 3.1 研究内容
• 3.1.1 研究流域空间数据库和属性数据库的构建
• 3.1.2 分布式水文模型的选取及其适用性评价
• 3.1.3 基于分布式水文模型的水文生态响应分析与预测
• 3.2 研究技术路线
• 3.3 研究方法
• 3.3.1 研究流域降雨、径流资料收集与整理
• 3.3.2 地理信息系统研究方法及软件的应用
• 4 SWAT 模型的基本原理
• 4.1 SWAT 模型的发展
• 4.2 SWAT 模型介绍
• 4.2.1 水文（hydrology）
• 4.2.2 气象（Weather）
• 4.2.3 产沙（sedimentation）
• 4.2.4 作物生长（Crop Growth Model）
• 4.2.5 养分（Nutrients）
• 4.2.6 农药/杀虫剂（Pesticides）
• 4.2.7 农业管理因素模拟（Agricultural Management）
• 4.3 SWAT 模型结构
• 4.3.1 水文模型
• 4.3.2 土壤侵蚀模型
• 4.3.3 养分转移模型
• 4.4 SWAT 模型与GIS 的集成
• 5 研究流域的基础数据处理
• 5.1 研究流域空间数据库的建立
• 5.1.1 半城子水库域空间数据库
• 5.1.2 沙厂水库流域空间数据库
• 5.1.3 怀柔水库域空间数据库
• 5.2 研究流域属性数据库的建立
• 5.2.1 土地利用属性数据库
• 5.2.2 土壤属性数据库
• 5.2.3 气象资料数据库
• 5.3 流域空间离散化
• 5.3.1 流域河网的生成
• 5.3.2 子流域的划分
• 5.3.3 水文响应单元的确定
• 6 森林植被格局分析
• 6.1 森林植被结构变化
• 6.1.1 半城子水库流域森林植被结构变化
• 6.1.2 沙厂水库流域森林植被结构变化
• 6.1.3 怀柔水库流域森林植被结构变化
• 6.2 森林植被格局动态变化
• 6.2.1 半城子水库流域土地利用动态变化
• 6.2.2 沙厂水库流域土地利用动态变化
• 6.2.3 怀柔水库流域土地利用动态变化
• 6.3 森林植被格局动态预测
• 6.3.1 半城子水库流域土地利用动态预测
• 6.3.2 沙厂水库流域土地利用动态预测
• 6.3.3 怀柔水库流域土地利用动态预测
• 6.4 森林植被格局变化的驱动力分析
• 6.4.1 自然因素
• 6.4.2 社会因素
• 6.5 小结
• 7 模型校准与验证
• 7.1 参数的敏感性分析
• 7.1.1 LH-OAT 敏感度分析方法
• 7.1.2 模型参数灵敏度分析过程
• 7.1.3 模型参数灵敏度分析结果
• 7.2 模型参数的率定
• 7.2.1 SCE-UA 自动校准分析方法
• 7.2.2 模型自动校准分析过程
• 7.2.3 模型自动校准分析结果
• 7.3 模拟结果评价
• 7.3.1 模拟结果评价方法
• 7.3.2 模拟结果评价分析
• 7.4 小结
• 8 典型流域森林植被水文生态响应分析
• 8.1 半城子水库流域水文生态响应分析
• 8.1.1 1990 年流域水文生态响应分析
• 8.1.2 1995 年水文生态响应分析
• 8.1.3 2000 年水文生态响应分析
• 8.1.4 2005 年水文生态响应分析
• 8.2 沙厂水库流域水文生态响应分析
• 8.2.1 1990 年水文生态响应分析
• 8.2.2 1995 年水文生态响应分析
• 8.2.3 2000 年水文生态响应分析
• 8.2.4 2005 年水文生态响应分析
• 8.3 怀柔水库流域水文生态响应分析
• 8.3.1 1990 年水文生态响应分析
• 8.3.2 1995 年水文生态响应分析
• 8.3.3 2000 年水文生态响应分析
• 8.3.4 2005 年水文生态响应分析
• 8.4 典型流域森林植被水文生态响应预测分析
• 8.4.1 半城子水库流域森林植被水文生态响应预测分析
• 8.4.2 沙厂水库流域森林植被水文生态响应预测分析
• 8.4.3 怀柔水库流域森林植被水文生态响应预测分析
• 8.5 小结
• 9 结论与讨论
• 9.1 结论
• 9.2 讨论
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 致谢