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北京密云水库集水区水源保护林土壤侵蚀控制机理与模拟研究

作　者: 秦永胜
导　师: 余新晓；于志民
学　校: 北京林业大学
专　业: 水土保持与荒漠化防治
关键词: 水源保护林林冠层枯落物层尺度 GIS 地表糙率 SCS 水文模型土壤侵蚀模拟北京密云水库集水区
分类号: S714.7
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要

森林植被与土壤侵蚀相互关系的研究是当今林业生态工程的主要研究内容之一,也是极富挑战性的研究领域,对于密云水库集水区的饮用水源保护、生态环境改善和区域社会经济的可持续发展具有重要作用。本文根据研究区1991~2000年的野外定位观测成果,采用对比试验的方法,通过设置不同林分类型的径流小区、坡面径流场、水量平衡场、试验流域,结合实验研究和综合调查,以密云水库集水区内主要的水源保护树种油松和刺槐为研究对象,通过多层次、多尺度系统分析,较为深入地研究了水源保护林的土壤侵蚀控制机理,提出具有明确植被参数的土壤侵蚀控制模型,并结合GIS技术完成试验小流域典型场降雨条件下土壤侵蚀量的空间分布式模拟。本文与“九五”国家重点攻关专题“华北土石山区水源保护林综合配套技术与示范”、中德林业技术合作项目“密云水库流域保护和经营”研究紧密结合,深入研究水源保护林在不同尺度上对土壤水蚀过程的影响,从而为密云水库水源保护林经营管理提供理论依据。主要研究内容有: 以刺槐和油松冠层为研究对象,通过群落植被调查和水文观测试验,分析其截留降雨特性、削减降雨动能特性,进而建立冠层防蚀作用模型。以刺槐和油松枯落物层为研究对象,通过群落样方调查和水文泥沙观测试验,分析其截持降雨特性、消能缓流和减蚀特性,进而建立枯落物层的防蚀作用模型。分别以不同空间尺度(100m2、0.9hm2、2.8hm2)的油松和刺槐林地为研究对象,分析其不同空间尺度的产流产沙特性,揭示水源保护林控制土壤侵蚀的尺度特征,进而提出具有植被群落参数的土壤侵蚀控制模型。以试验小流域(320 hm2)为研究对象,通过实地土地利用现状调查,以土壤侵蚀控制模型为依据,利用GIS强大的空间分析功能,实现不同土地利用条件下土壤侵蚀量的空间分布式模拟,在小流域空间范围内展示水源保护林土壤侵蚀控制效应,为密云水库集水区水源保护林经营管理提供决策依据。主要研究成果如下: 通过森林植被系统防蚀作用过程分割研究和多尺度水源保护林产流产沙特性的试验研究,提出了以覆盖度为变量,适合于本研究区主要造林树种油松和刺槐的次降雨林冠截留的概念性模型,阐述了林冠层降低有效降雨量、削弱雨滴动能和延长降雨历时的防蚀机理。通过多种试验手段,研究了不同枯落物层的吸水持水特性,提出了不同干重枯落

全文目录

前言  9-11
中文摘要  11-13
英文摘要(ABSTRACT)  13-15
1 森林植被控制土壤侵蚀机理研究进展  15-34
  1.1 土壤侵蚀的生态学过程及后果  15-16
  1.2 森林植被控制土壤侵蚀作用过程研究进展  16-22
    1.2.1 森林植被冠层的防蚀作用  17-18
    1.2.2 森林植被枯落物层的防蚀作用  18-19
    1.2.3 森林植被含根土壤层的防蚀作用  19-20
    1.2.4 森林植被防蚀作用的生态学研究进展  20-21
    1.2.5 森林植被防止土壤侵蚀临界  21-22
    1.2.6 森林植被防蚀作用的模型表达  22
  1.3 土壤侵蚀模拟研究进展述评  22-25
    1.3.1 概念性模型  23
    1.3.2 物理机制模型  23-24
    1.3.3 概念性模型与物理机制模型的比较  24
    1.3.4 分布式模型  24
    1.3.5 土壤侵蚀模拟研究现状  24-25
  1.4 GIS 在水文学中的应用研究进展  25-27
    1.4.1 地理信息系统简评  25
    1.4.2 DEM 模型应用  25-27
    1.4.3 GIS性能评价  27
  1.5 水文学与森林水文学中尺度问题的研究进展  27-34
    1.5.1 尺度基本概念  28-31
    1.5.2 水文过程的尺度推绎  31-33
    1.5.3 尺度问题研究现状及展望  33-34
2 研究区自然条件与社会经济概况  34-42
  2.1 集水区自然地理概况  34-39
    2.1.1 地理位置  34
    2.1.2 地貌  34
    2.1.3 地质土壤  34-35
    2.1.4 气象  35-36
    2.1.5 水文  36-37
    2.1.6 植被  37-38
    2.1.7 立地条件  38-39
  2.2 水源保护林资源概况  39
  2.3 社会经济概况  39-40
    2.3.1 人口状况  39-40
    2.3.2 工农业发展状况  40
  2.4 研究区自然地理状况  40-42
3 研究内容与途径  42-47
  3.1 研究目标与内容  42-43
  3.2 研究技术路线与方案  43-44
  3.3 试验地及设施  44
  3.4 水文气象要素观测项目及方法  44-46
  3.5 室内试验  46
  3.6 野外调查  46-47
4 水源保护林不同植被层的防蚀机理分析  47-70
  4.1 水源保护林林冠层防蚀机理分析  47-59
    4.1.1 试验区降雨特性分析  47-51
    4.1.2 试验区降雨能量特性分析  51
    4.1.3 水源保护林林冠截留特性分析  51-56
    4.1.4 林冠截留模型  56-58
    4.1.5 林冠透过降雨的能量特性分析  58-59
  4.2 水源保护林枯落物层的防蚀机理分析  59-68
    4.2.1 枯枝落叶层的水文生态功能  60-66
    4.2.2 枯枝落叶层的蓄水减沙功能  66-68
  4.3 本章小结  68-70
5 水源保护林不同尺度上侵蚀产沙特性分析  70-94
  5.1 径流小区尺度水源保护林对土壤侵蚀产沙的影响  70-75
    5.1.1 人工径流小区布设及自然条件  70-71
    5.1.2 人工径流小区产流量与产沙量  71-75
  5.2 天然坡面尺度水源保护林对土壤侵蚀产沙的影响  75-80
    5.2.1 天然坡面径流场概况  75-77
    5.2.2 天然坡面径流场暴雨产沙特性分析  77-80
  5.3 试验小流域尺度水源保护林对土壤侵蚀产沙的影响  80-87
    5.3.1 对比试验小流域概况  80-82
    5.3.2 对比试验小流域暴雨径流过程及产沙特性分析  82-84
    5.3.3 水源保护林径流的空间尺度效应分析  84-87
  5.4 水源保护林对土壤侵蚀影响的空间尺度效应  87-92
    5.4.1 径流小区尺度  88-89
    5.4.2 天然坡面尺度  89-90
    5.4.3 对比试验流域尺度  90
    5.4.4 水源保护林防治土壤侵蚀临界  90-92
    5.4.5 水源保护林年土壤侵蚀量分析  92
  5.5 本章小结  92-94
6 水源保护区 GIS 支持下的流域土壤侵蚀模拟  94-118
  6.1 试验流域地理信息数据库的建立  94-96
    6.1.1 软硬件设备配置  94-95
    6.1.2 空间数据库的建立  95
    6.1.3 属性数据库的建立  95-96
  6.2 小流域侵蚀过程空间联系的分析  96-102
    6.2.1 基本分析思路  96
    6.2.2 水文DEM 分析  96-102
  6.3 试验流域土壤侵蚀模型系统的建立  102-107
    6.3.1 截留模型  102-103
    6.3.2 枯落物糙率系数模型  103
    6.3.3 径流量计算模型  103-106
    6.3.4 土壤侵蚀模型  106-107
    6.3.5 泥沙输移模型  107
  6.4 水源保护林小流域土壤侵蚀过程模拟  107-115
  6.5 水源保护区试验流域土壤侵蚀模拟结果检验  115-117
  6.6 本章小结  117-118
7 结论与建议  118-122
主要参考文献  122-130
附图1 试验流域土地利用现状图  130-131
附图2 试验流域DEM图  131-132
附图3 试验流域栅格流向图  132-133
附图4 试验流域栅格累积流量图  133-134
附图5 试验流域典型场降雨19970731 模拟土壤侵蚀分布  134-135
附图6 试验流域1996 年模拟土壤侵蚀空间分布  135-136
附图7 试验流域1997 年模拟土壤侵蚀空间分布  136-137
附图8 试验流域1998 年模拟土壤侵蚀空间分布  137-138
附件:Visual Basic 和ARC/INFO AML程序设计  138-145
致谢  145-146
作者简介:  146

北京密云水库集水区水源保护林土壤侵蚀控制机理与模拟研究

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