基于分布式水文模型的森林水源涵养功能评价

【摘要】森林是自然界中重要的可再生资源,能够调节气候、涵养水源、净化空气等,有效地改善生态环境。森林植被可以影响水文过程,改变降雨的再分配途径,影响土壤中水分的运动等,从而缓和地表径流,增加壤中流和地下径流,在一定程度上能够起到削峰补枯、控制土壤侵蚀、改善河流水质等作用。在全球水环境急剧恶化,水资源紧缺逐渐严重的今天,森林涵养水源的功能正在受到越来越多的重视。为了进一步理解森林与水之间的关系,认识水在森林生态系统中的再分配过程,了解森林的存在对河川径流及土壤水含量和地表径流的影响,定量评价森林涵养水源的功能从而全面了解森林生态系统的价值,更好的保护、发展和利用森林资源与水资源。本文通过改进后的分布式水文模型TerrainLab模拟了大兴安岭地区新林流域2007年和2008年的水文过程,利用实测径流量资料分析验证了流域的水量平衡方程,并通过假设流域森林覆盖为零时与真实森林覆盖时的模拟效果,对比分析了大流域中森林的存在对河流径流量以及对水平衡关键参数的影响。在这个基础上分别计算了流域森林调节径流量(森林防洪能力)和涵养水源量(森林蓄水保水净化水质功能)及其经济价值。模型主要在以下方面进行了改进：考虑纬度、坡度和坡向因素的影响对太阳辐射进行了空间扩展；利用风速的观测资料及风速在冠层内部的衰减过程计算了乔木层、灌木层和地表层的空气动力学阻抗；考虑了土壤温度对气孔导度的影响。通过本文的研究得到以下结论：(1)通过东北三省及内蒙古东部13个气象站32年的气象数据对比分析了A-P模型、刘可群模型和Tornton-Running模型估算日太阳总辐射的精度。结果表明,三个模型的平均绝对误差(MAE)分别为1.71、2.83和1.68MJm-2day-1,说明利用了日照百分率的A-P和刘可群模型要明显优于没有利用日照百分率的Thornton-Running模型,而区分对待有日照和无日照两种情况的刘可群模型要稍好于A-P模型。A-P、Thornton-Running和刘可群三个模型整体均高估了日太阳总辐射,高估量分别为12.2%、19.2%和9.9%。三个模型对有雨日和无日照情况的平均估算误差均远大于无雨日和有日照情况,刘可群模型对无日照情况的处理起到了很好的效果,其平均绝对误差(MAE)和偏差(bias)分别比A-P模型小18.5%和33.8%。各模型对冷季的日太阳总辐射估算结果要明显好于暖季。(2)利用TerrainLab模型模拟了流域的水循环过程,并利用实测径流量数据对模拟结果进行了水量平衡验证。结果表明,2007年与2008年水量平衡误差分别为1%和14.1%,对每月实测径流量与模拟径流量比较可知,模型对一年中降雨量变化比较平稳的2007年模拟效果很好,而对气象因素变化复杂的2008年模拟误差较大。(3)2007年与2008年全年蒸散发量分别为329.96mm和348.79mm,分别占到年降雨量的69.0%和56.3%。2007年与2008年6-8月的蒸散发的空间分布图显示研究区蒸散发量空间分布比较均一,受地形影响较小,6月与7月蒸散发强度要高于8月份。在所有土地利用类型中,针叶林的蒸散发量比阔叶林的蒸散发量低25.6%-28%,混交林的蒸散发量介于二者之间。在构成阔叶林、针叶林和混交林蒸散发的组成中,冠层从不饱和土壤层中蒸腾消耗的量占到总蒸散发量的66%-73%,阔叶林冠层从饱和土壤层蒸腾消耗的水量要超过冠层蒸发的水量,而针叶林和混交林则相反,树木蒸发蒸腾占到阔叶林、针叶林和混交林总ET的90%左右,而灌木层以及土壤和苔藓层只占4%-6%。(4)将真实土地利用类型情况与假设全部为草地的情况进行对比表明：森林的存在提高了流域年蒸散发72%-83%,减少了河流径流50%-57%的量,减少了地表径流量,降低了地下水位,延缓了土壤中水含量释放的过程。(5)利用有林无林时径流量的差计算了2007年与2008年流域调节径流量为9.16×108m3和1.18×109m3,其防洪经济价值分别为5.60×105万元和7.21×105万元,单位公顷价值为8665.6元/hm2和11414.0元/hm2。(6)利用林冠截留剩余量法计算的流域2007年和2008年涵养水源的量分别为2.58×108m3和3.36×108m3,利用水量平衡法计算的研究区涵养水源量分别为8.53×108m3和1.05×109m3。采用影子工程法计算得到的研究区调节水量价值与净化水质价值总和分别为6.85×105万元和8.61×105万元,单位公顷价值为10844.1元/hm2和13630.3元/hm2。
【作者】杨金明；
【导师】唐守正；FANWenyi；
【作者基本信息】东北林业大学，森林经理学，2014，博士
【副题名】以新林流域为例
【关键词】水源涵养；水源涵养价值；水文模型；TerrainLab；辐射估算模型；

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