密云水库集水区变化环境下的小流域径流演变规律研究

【摘要】近40年我国华北土石山区来水量急剧减少,造成华北地区水资源日趋紧张,水危机十分严重,给海河中下游地区城市生态环境造成极大影响,限制了社会经济的可持续发展。森林作为山区水源地主要土地利用类型,其年际变化与流域水循环有何影响等问题亟待研究。为此,以海河流域密云水库集水区半城子和红门川2个森林小流域为研究对象,基于流域20年水文气象资料,结合1990-2010年5期土地利用数据及流域野外森林植被调查等数据,分析了2个流域土地覆被景观格局变化特征及流域气候水文要素演变规律,探讨了流域气候和土地利用变化等环境要素变化对流域径流及其组分的影响,并利用分布式水文模型WETSPA进行了不同森林数量与质量下的径流过程情景模拟。研究结果如下：(1)半城子流域年降水量在1989-2011年间呈波动下降趋势但趋势不明显(p>0.05),径流呈显著下降趋势(p<0.01)；结合累积径流率曲线及独立样本T检验,半城子流域径流研究序列划分为：1989-1997年(自然阶段)；1998-2009年(人类活动显著影响时期)；红门川流域年降水量在1989-2009年呈波动下降趋势(p>0.05),径流呈显著下降趋势(p<0.01)；多年平均产流性降水虽有所减少但趋势不显著(p>0.05)；采用同样方法将红门川流域研究时间序列划分为2个阶段：1989-1997年(自然阶段)；1998-2009年(人类活动显著影响时期)。(2)半城子流域森林覆被率研究时段内总体呈波动增加趋势,流域景观异质性较高,且破碎化程度在加强；红门川流域同样以林地为景观基质,除林地外,建设用地、农田面积均呈现较为明显的增加趋势。流域景观破碎化程度较大,但破碎化程度有减小趋势。半城子流域森林生物量多年平均值达到21.42×104t,1989-2011年间增加趋势达到极显著水平(p<0.01)；红门川流域森林生物量年际变化与半城子流域森林生物量总体变化趋势一致,但增加趋势更为明显(p<0.01)；半城子与红门川流域单位面积生物量年际间增长趋势在99%置信区间达到显著水平(p<0.01)。(3)半城子流域气候变化对流域径流减少的影响贡献率为80.24%；以土地利用变化为主要代表的人类活动对流域径流减少贡献率为19.76%；红门川流域气候变化对流域径流减少贡献率为43%；由人类活动引发的土地利用变化对流域径流影响贡献率为57%。半城子流域降水每增加1%,可引起该流域径流平均增加0.29%；流域年潜在蒸散发每增加1%,则流域年径流相应减少0.09%。红门川流域降水每增加1%,可引起该流域径流平均增加0.21%；流域年潜在蒸散发每增加1%,流域年径流相应减少0.05%。(4)半城子流域林地面积变化对径流变化的影响贡献率占到土地利用变化对流域径流影响贡献率的81.29%,草地和耕地对流域年径流变化影响贡献率分别为10.68%和8.03%,其它土地利用类型占流域面积比重较小,故忽略处理；红门川流域研究时段内林地面积变化对流域径流变化的影响贡献率占到土地利用变化对流域径流影响贡献率的74.37%,草地和耕地对流域年径流变化影响贡献率则分别为17.08%和8.55%。(5)半城子流域乔木层散布与并列指数(IJI)与斑块面积大小(MPS)为影响流域地表径流和基流的主要因素,灌木林斑块密度(PD)、斑块面积大小(MPS)以及散布与并列指数(IJI)对流域地表径流和基流影响最大。红门川流域乔木林斑块散布与并列指数IJI与流域地表径流系数和基流系数之间关系最为紧密；灌木林斑块散布与并列指数IJI与流域地表径流系数和基流系数关系最为紧密。(6)基于分布式水文模型WETSPA进行径流模拟校准与验证,得到径流模拟值与实测值相对误差在15%以内,决定系数在0.60以上,Nash-Suttclifre系数在0.5以上,验证和校准结果完全符合要求,说明该模型在2个研究流域适用性较好。(7)研究流域不同森林类型产流量有所差异：其中,阔叶林产流量最小,灌木林最大。半城子流域将所有森林类型转化为混交林后,流域森林覆被率为98.33%,单位面积生物量为35.81t/hm2,流域年均径流值达到最小为54.63mm；当将所有林分类型替换为灌木林地,森林覆被率同为98.33%,单位面积生物量减少至5.14t/hm2,流域年经流深增加18.63%；红门川流域森林覆被率同为91.12%情景下,单位面积生物量为32.25t/hm2减少至4.85t/hm2,可导致流域年径流深增加16.45%。当将2个流域所有林地及耕地转化为草地时,研究区域径流深平均增加38.09%。
【作者】赵阳；
【导师】余新晓；
【作者基本信息】北京林业大学，水土保持与荒漠化防治，2014，博士
【关键词】水源保护区；气候变化；森林变化；水文响应；径流组分；景观；森林结构；

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