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降雨与植被变化对赣西北大坑小流域水文特征的影响研究

作　者: 刘士余
导　师: 朱金兆；左长清
学　校: 北京林业大学
专　业: 水土保持与荒漠化防治
关键词: 大坑小流域降雨变化植被变化 PRMS_Storm模型定量评价
分类号: S715
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
下　载: 312次
引　用: 2次
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内容摘要

降雨与植被变化是对流域水文特征有着深刻影响的两大因素。然而,森林植被对流域水文的影响,长期以来一直是人们争论的话题。普遍认为,对于处于离散状态的暴雨而言,森林植被减少洪水总量、削减洪峰流量及延长洪水汇流历时等水文效益比较显著,而在长历时的连续暴雨情况下,上述功能就会大大降低。但在离散暴雨和连续暴雨条件下,降雨与植被变化对小流域水文变化的贡献率大小各是多少?定量评价的研究成果罕见报道。因此,本文以赣西北大坑小流域为研究对象,进行定量评价离散暴雨和连续暴雨条件下降雨与植被变化对小流域水文特征影响的贡献率研究,旨在为天然林保护、退耕还林还草等林业生态工程的建设和水文效益评价提供理论依据,也有助于正确认识森林植被削洪减灾的作用大小和影响程度。通过时间序列分析法、统计回归分析法、流域自身对比法和水文模型模拟等方法,采用1966~1993年的降雨和水文资料、不同时段的航空遥感影像和土地利用现状图及2007年补充观测的暴雨径流资料和野外实地调查的植被、土壤资料,在已有研究成果的基础上,本文首先分析了大坑小流域的降雨变化、水文特征变化和植被变化及水文特征对降雨变化与植被变化的响应、场暴雨条件下径流特征值对暴雨特征值的响应。其次,根据1:10000地形图生成的数字高程模型,结合下垫面的地形、土壤特征和植被类型等,将小流域划分为16条河网和31个水文响应单元,构建了时段1981~1994年的具有物理基础的基于MMS的大坑小流域分布式暴雨水文模型PRMS_Storm,并进行了模型主要关键参数的率定、拟合与验证。最后,通过对时段1995~2007年(以2007年的资料为代表)的场次离散暴雨和连续暴雨分别进行的水文模拟,定量评价出离散暴雨和连续暴雨条件下大坑小流域降雨与植被变化对水文(径流深、洪峰流量)变化的贡献率大小。结果表明:大坑小流域1966~1993年的平均年降雨量、年雨日数和年径流深分别为1559.4 mm、154.8 d和791.6 mm,其年内变化均为典型的单峰型曲线,年际变化均较大。并且,降雨量总体呈增加趋势,雨日数总体趋势存在非常微弱的减少,径流深总体呈减少趋势。在离散暴雨和连续暴雨条件下,时段1995~2007年的平均径流系数比时段1981~1994年的分别减少55.6%、55.6%,平均洪峰流量分别减少67.5%、72.5%,而洪峰滞后雨峰历时分别增加72.5%、71.4%。说明,两个时段大坑小流域植被的景观格局、垂直结构和质量的变化有利于水源涵养、削减洪峰和延长洪水汇流历时等功能的发挥。定量评价结果显示,就场暴雨而言,降雨与植被变化对水文变化的贡献率相差较大。就选取的6场离散暴雨来说,70#、90#场暴雨的降雨变化对径流深变化的贡献率分别为37.3%、83.6%,而它们的植被变化贡献率分别为62.7%、16.4%;73#、67#场暴雨的降雨变化对洪峰流量变化的贡献率分别为57.1%、92.0%,而它们的植被变化贡献率分别为42.9%、8.0%;就选取的6场连续暴雨来说,79#、91#场暴雨的降雨变化对径流深变化的贡献率分别为79.7%、92.5%,而它们的植被变化贡献率分别为20.3%、7.5%;74#、58#场暴雨的降雨变化对洪峰流量变化的贡献率分别为73.3%、97.5%,而它们的植被变化贡献率分别为26.7%、2.5%。定量评价结果还显示,离散暴雨条件下,降雨与植被变化对径流深变化的贡献率分别为67.1%、32.9%,前者为后者的2.04倍。对洪峰流量变化的贡献率分别为76.8%、23.2%,前者为后者的3.31倍;连续暴雨条件下,降雨与植被变化对径流深变化的贡献率分别为86.9%、13.1%,前者为后者的6.63倍。对洪峰流量变化的贡献率分别为88.0%、12.0%,前者为后者的7.33倍。表明,不同时段大坑小流域场暴雨的径流深变化和洪峰流量变化主要是由降雨变化所致。暴雨类型的不同,降雨与植被变化对水文变化的贡献率也会不同,且连续暴雨条件下的降雨变化贡献率比离散暴雨条件下的增大了,而植被变化的贡献率减小了。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-13
1 引言  13-37
  1.1 研究背景  13-16
  1.2 国内外研究进展  16-30
    1.2.1 降雨变化及其对水文特征影响的研究进展  16-19
      1.2.1.1 气候变化概述  16-17
      1.2.1.2 降雨变化对流域水文特征的影响研究  17-19
    1.2.2 植被变化及其对水文特征影响的研究进展  19-24
      1.2.2.1 植被变化对水文过程的影响  21-24
      1.2.2.2 植被变化对洪涝灾害的影响  24
    1.2.3 森林植被与水的关系研究进展  24-30
      1.2.3.1 森林植被对流域径流形成机制的影响  25-28
      1.2.3.2 森林植被变化对水量的影响  28-30
  1.3 流域水文模型在定量评价降雨与植被变化水文效应中的应用  30-35
    1.3.1 流域水文模型的发展  30
    1.3.2 流域水文模型的类型  30-32
      1.3.2.1 集总式水文模型  31
      1.3.2.2 分布式水文模型  31-32
    1.3.3 遥感和地理信息系统与流域水文模型的整合  32-35
  1.4 研究目的和意义  35-37
    1.4.1 研究目的  35-36
    1.4.2 研究意义  36-37
2 研究区概况  37-44
  2.1 地理位置  37-38
  2.2 自然条件  38-42
    2.2.1 气候气象条件  38
    2.2.2 地形地貌条件  38
    2.2.3 地质、土壤情况  38-40
    2.2.4 森林植被情况  40-42
    2.2.5 水文情况  42
  2.3 人口社会经济情况  42-43
  2.4 研究基础  43-44
3 研究内容、方法与技术路线  44-58
  3.1 研究内容  44-45
    3.1.1 大坑小流域的降雨变化及其对水文的影响  44
    3.1.2 大坑小流域的植被变化及其对水文的影响  44-45
    3.1.3 大坑小流域分布式暴雨水文模型的构建  45
    3.1.4 大坑小流域降雨与植被变化对水文变化贡献率的定量评价  45
  3.2 研究方法  45-48
    3.2.1 降雨变化水文效应的研究方法  45-46
    3.2.2 植被变化水文效应的研究方法  46-47
    3.2.3 流域水文模型模拟方法  47-48
  3.3 实验手段  48-56
    3.3.1 降雨、径流资料的收集与整理  49
    3.3.2 植被景观格局的调查与分析  49-50
    3.3.3 植被质量、垂直结构及土壤的调查  50-51
    3.3.4 基于GIS 的小流域空间属性数据库建立  51-52
      3.3.4.1 空间信息数据的预处理  51
      3.3.4.2 属性信息数据的预处理  51
      3.3.4.3 图形矢量化——建立空间信息库  51-52
    3.3.5 基于DEM 的小流域汇流网络建立  52-56
      3.3.5.1 数字高程模型的建立  52-53
      3.3.5.2 基于DEM 的小流域地貌指数获取  53-56
    3.3.6 景观格局分析方法  56
      3.3.6.1 景观格局研究方法及分析软件选择  56
      3.3.6.2 资料获取及数据处理方法  56
  3.4 技术路线  56-58
4 大坑小流域的降雨变化及其对水文的影响  58-81
  4.1 降雨变化分析  58-67
    4.1.1 降雨量的变化  58-63
      4.1.1.1 降雨量的年内变化  58-59
      4.1.1.2 降雨量的年际变化  59-63
    4.1.2 降雨的雨日变化  63-67
      4.1.2.1 雨日的年内变化  63-65
      4.1.2.2 雨日的年际变化  65-67
  4.2 径流深变化及其对降雨变化的响应分析  67-78
    4.2.1 径流深的年内变化  67-69
    4.2.2 径流深的年际变化  69-74
    4.2.3 径流深变化对降雨变化的响应  74-78
      4.2.3.1 径流深的年内变化对降雨变化的响应  74-75
      4.2.3.2 径流深的年际变化对降雨变化的响应  75-78
  4.3 小结与讨论  78-81
5 大坑小流域的植被变化及其对水文的影响  81-101
  5.1 植被的景观格局变化  83-93
    5.1.1 植被的动态监测方法  83
    5.1.2 植被的时间变化  83-84
    5.1.3 植被的变化过程  84-86
      5.1.3.1 植被变化的转移矩阵  84-85
      5.1.3.2 单一植被类型动态模型  85-86
      5.1.3.3 植被的变化趋势  86
    5.1.4 植被的景观格局动态分析  86-93
      5.1.4.1 景观单元特征指数的提取及生态意义  87-91
      5.1.4.2 植被的景观格局及其变化  91-93
  5.2 植被的垂直结构和质量变化  93-97
  5.3 径流变化对植被变化的响应  97-98
  5.4 植被动态变化的驱动力分析  98-99
  5.5 小结与讨论  99-101
6 大坑小流域分布式暴雨水文模型的构建  101-122
  6.1 降水径流模型系统（PRMS）概述  103-111
    6.1.1 技术平台  103-104
    6.1.2 主要模块  104-111
      6.1.2.1 模型结构  104-107
      6.1.2.2 模型观测资料处理  107-109
      6.1.2.3 模型物理过程计算方案  109-111
  6.2 流域分布式暴雨水文模型（PRMS_Storm）构建  111-120
    6.2.1 PRMS_Storm 系统生成  111-118
      6.2.1.1 模块选择、模型系统构成  114
      6.2.1.2 水文响应单元（HRU）划分  114-118
      6.2.1.3 参数文件生成  118
    6.2.2 数据文件的获取和整理  118-120
      6.2.2.1 数据文件格式  118-120
      6.2.2.2 暴雨数据的获取和整理  120
      6.2.2.3 洪水数据的获取和整理  120
      6.2.2.4 数据文件生成  120
  6.3 小结与讨论  120-122
    6.3.1 小结  120-121
    6.3.2 讨论  121-122
7 大坑小流域降雨与植被变化对水文变化贡献率的定量评价  122-148
  7.1 试验区暴雨与洪水特性分析  124-134
    7.1.1 暴雨与洪水特征  124-132
    7.1.2 洪水特征值对暴雨特征值的响应  132-134
      7.1.2.1 径流深对暴雨雨量的响应  132
      7.1.2.2 洪水历时对暴雨历时的响应  132-133
      7.1.2.3 洪峰流量对暴雨最大雨强的响应  133-134
  7.2 PRMS_Storm 拟合与验证  134-140
    7.2.1 PRMS_Storm 拟合检验方法  134
    7.2.2 参数率定  134-137
    7.2.3 PRMS_Storm 拟合  137-138
    7.2.4 PRMS_Storm 验证  138-140
  7.3 降雨与植被变化对水文变化贡献率的定量评价  140-145
  7.4 小结与讨论  145-148
8 结论与展望  148-152
  8.1 结论  148-150
  8.2 展望  150-152
参考文献  152-167
个人简介  167-168
导师简介（一）  168-169
导师简介（二）  169-170
致谢  170

降雨与植被变化对赣西北大坑小流域水文特征的影响研究

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