青海湖北岸天然草地小尺度地表径流与降水关系

利用青海湖北岸海北牧业气象试验站2006-2008年3 a观测的天然草地地表径流、土壤水分及大气降水资料, 分析了该地区降水特性、 土壤水分与地表径流的关系. 结果表明: 青海湖北岸年平均径流系数为0.16%, 地表径流主要发生在夏秋季, 径流系数夏季＞秋季＞春季, 冬季不产生径流;地表径流造成的水土流失主要集中在盛夏的7-8月, 年水土流失量主要由大降水造成. 地表径流量与降水量呈线性正相关关系, 径流量与30 min最大雨强表现为指数函数关系, 径流量与降水量和30 min最大雨强的乘积也呈线性正相关关系. 径流量的大小更多地受降水量和降水强度的共同影响, 地表径流与降水前0～20 cm的土壤水分呈明显正相关关系.     

陆面过程中稳定水同位素逐日变化的数学模拟——引入稳定同位素效应的CLM实例分析

将稳定同位素效应引入CLM(Community Land Model),并对巴西马瑙斯站在平衡年的稳定水同位素的逐日变化进行模拟和分析.结果表明: 降水、水汽和地表径流中δ18O存在明显的季节变化,并与相应的水量存在显著的负相关关系,但凝结物中δ18O与地面凝结量存在显著的正相关关系,蒸发水汽中δ18O与蒸发量之间无显著的相关关系.受土壤贮水削峰功能的影响,表层土壤和根区水中δ18O的季节变化全无.植被层蒸发水汽中稳定同位素的丰度与大气的干湿程度存在密切联系: 当降水量少时,大气干燥,植被层的蒸发较少,植被蒸发中δ18O较高;当降水量较大时,空气湿润,植被层的蒸发量较大,蒸发中δ18O则较低.植被蒸腾中δ18O的变化与源区水体中δ18O的变化保持一致,尤其是与根区水中的δ18O.由于地下径流直接源自根区水的补充,因此,地下径流中δ18O等于根区水中的δ18O.模拟结果还显示,降水MWL (大气水线)的梯度项和常数项均比全球平均MWL略偏小.尽管主要来自降水的贡献,但地表径流和植被层水体的MWLs与降水MWL存在较大的差异,这一方面与两类水体在蒸发过程中的稳定同位素的富集作用有关,另一方面与CLM模拟的水量有关.大气水汽线与降水的MWL的梯度值相近,说明大气水汽与降水近似处于稳定同位素平衡状态.另外,模拟的地面的凝结线与植被层的凝结线均与全球大气水线相近,且具有非常高相关程度,说明CLM的模拟是合理的.     

雅鲁藏布江流域地-气系统的水平衡

利用NCEP/NCAR1980-1989年10年逐日00UTC、12UTC再分析资料及青藏高原降水、径流资料,研究了青藏高原雅鲁藏布江流域的水平衡特征,估算了雅鲁藏布江流域的蒸发、土壤和地下水含量。结果表明:雅鲁藏布江流域夏季是水汽辐合区,降水大于蒸发;秋末到次年春季是水汽通量辐散区,蒸发大于降水。降水主要集中在6～9月。径流的年际变化趋势同降水相近,径流主要是由降水补给的,径流峰值滞后降水峰值一个月。雅鲁藏布江流域土壤及地下含水量从1～6月逐渐减少,7月以后开始增加,10月是土壤及地下水最丰富的时段。20世纪80年代中期和后期降水、蒸发、径流等呈增长趋势,这同ENSO事件有关。     

黑河流域山区植被生态水文功能的研究

依据土壤-植被-大气系统的结构特性,从林冠层、苔藓-枯枝落叶层、土壤层剖面结构分析了黑河流域山区水源涵养林在水文过程中的作用.观测试验表明,林冠截留大气降水的32.7%,使到达林地的水分相对减少而养分增加,而林冠遮荫使林内土壤蒸发仅为林外草地的34.2%.苔藓-枯枝落叶层疏松多孔,最大持水量可达12.5mm水层深,加上表层较高的体积含水量和较小的水分变差系数,使其在涵蓄一部分大气降水的同时具有良好的保水性能.林地土壤具有良好的渗透性和涵蓄大气降水的能力,从而减少了地表径流量.森林的蒸散发使林区空气湿度高于周边地区17%,形成山区独特的森林小气候,从而进一步影响着山区的水文过程.     

黄土丘陵沟壑区山地苹果林蒸散特征

以黄土丘陵沟壑区的典型代表米脂为研究区,选取苹果林地生态系统为研究对象,揭示苹果林地的蒸腾蒸发耗散规律及其影响机制,为指导有限水资源条件下苹果产业发展科学布局、优化管理措施及充分挖掘苹果林地的生产潜力提供科学依据.运用热扩散茎流计（TDP）、小型蒸发皿测定了组成苹果林地蒸散的果树蒸腾量和土壤蒸发量,运用水量平衡公式计算了冠层截留量,分析了各气象因子与蒸腾速率的关系,并评估了苹果林地的蒸散量,以期正确认识和评价苹果林地生态水文效应.不同生育期的日均蒸腾速率大小依次为果实膨大期>果实着色期>新梢生长及幼果发育期>萌芽开花期,小时尺度下,不同生育期蒸腾速率到达峰值的时间不同.不同天气条件下,晴天状况下树干蒸腾量明显大于阴天,影响苹果林地蒸腾速率的主要气象因子为太阳辐射和空气温度.果实膨大期及果实着色期为果树耗水的主要时期.降水对蒸腾的影响表现出滞后效应.植被蒸腾量、土壤蒸发量、冠层截留量对蒸散的贡献率由大到小依次为58.9%、26.8%、14.3%.试验期间,降水量大于蒸散量,果园水分收支略有盈余,不同月份土壤水分收支情况不同,应加强萌芽开花期、新梢生长及幼果发育期果园的水分管理.      

内陆干旱区平原水库周边生态环境研究综述

我国干旱地区降水稀少,蒸发强烈,地表径流受季节变化影响较大,利用天然来水,修建平原水库,调洪蓄水、农业灌溉、改善区域生态环境和提高人民群众生活水平。由于水库的渗漏等引起的生态环境问题对水库的健康发展和周边及下游灌区的土壤盐渍化的影响很大,应采取必要的措施,减少水库的渗漏、改善库区周边及下游的生态环境问题。     

气候变化对天山北坡奎屯河高山区地表径流的影响

采用奎屯河流域的乌苏、沙湾气象站1960—2009年50 a来的气温、降水量资料和奎屯河将军庙水文站的降水量、径流量资料,分析了气温、降水、冰川等变化对奎屯河出山口地表径流的影响.结果表明:将军庙水文站年降水变化与径流量呈显著正相关;尽管气温呈上升趋势,但年径流与平原地区和出山口的气温相关不很密切,气温可通过影响蒸发增加山区消耗水量,减少径流.然而,气温变暖会加剧冰雪消融,使冰川退缩变薄,特别是消耗冰川积累量来增加河川径流.在奎屯河出山口地表年径流量中,与20世纪80年代相比,冰川径流增加了5.7%,多年平均情况下消耗冰川积累的融水径流约占冰川径流的30%.同时,随气候变化的极值化,要注意高山地区降水减少和汛期气温降低引起河川径流减少,降水、气温高值引起的年径流增大与洪水危害,以及引起河川径流的年际变幅增大,并对水利工程造成的影响.有关气候变化对河川径流定量预测有待今后进一步探讨.     

基于SWAT模型的格尔木河径流演变特征研究

我国西北旱区生态环境脆弱，是全球气候变化的敏感区域之一。近几年来，在全球暖化的大环境下，区域地表水产流机制改变诱发的水文与生态问题越发突出。本文以青藏高原北部极端干旱的格尔木河流域为例，利用SWAT建立流域主要产流的山区地表水文模型，结合区域水文资料等定量研究格尔木河径流演化及其渗漏补给地下水的时空演变特征。结果表明，在1976～2014年期间格尔木河出山口径流量呈递增趋势，年增长率达0.38 (m³·s^-1)·a^-1,多年平均径流增量约1.66×10⁸ m³,且夏季径流量增加较冬季更为显著。降水和温度是影响流域山区地表产流量增加的主要气象因子。流域出山口径流量的增加改变了盆地内地表径流入渗补给地下水的条件，格尔木河多年平均渗漏补给地下水量为9.89×10⁸ m³。河流渗漏量的递增会打破区域地下水系统平衡，诱发一系列水文生态问题，威胁区域可持续发展。本研究可为我国应对全球气候变化带来的旱区水资源和生态环境挑战提供科学支撑。     

黑河流域山前绿洲灌溉农田蒸散发模拟研究

基于Penman-Monteith蒸散公式, 应用土壤-植被-大气系统水分和能量传输理论对Shuttleworth-Wallace蒸散模型的参数进行改进, 得出解析计算农田作物蒸腾和土壤蒸发的双源模型. 对黑河流域山前绿洲农田春小麦生长期土壤蒸发、作物蒸腾以及总蒸散过程进行了模拟研究. 对模型的计算结果以田间观测和水量平衡方法进行验证, 误差目标NSE=0.98, 说明该模型用于农田蒸发和蒸腾的计算是合理的. 对影响蒸发和蒸腾的主导因子净辐射、叶面积指数、土壤含水量进行了相关性分析, 得出三者的变化对土壤蒸发、作物蒸腾的影响. 通过不同时期日蒸散发量变化特征的分析, 表明土壤、冠层两个界面对能量和水汽传输的交互影响效应显著.     

河北省山区天然年径流量的还原计算

天然径流量还原计算是区域水资源量评价的基础,其计算精度直接关系到区域水资源量评价成果的质量.因此要准确计算区域的水资源量,必须对影响径流的农业灌溉耗水量、工业及城市生活引用河水的耗水量、水库蒸发损失水量、水库渗漏水量、水库蓄水变量、跨流域引(排)水量、河道决口或分洪水量进行还原计算,从而得到所需天然年径流量.     

黄土高原北部土地利用变化对长期土壤水分平衡影响模拟

为探明土地利用变化对黄土高原长期土壤水分平衡的影响,利用校验的Hydrus-1D模型模拟黄土高原北部神木六道沟小流域1981—2050年农耕地—苜蓿草地—天然草地情景下0~4 m土壤水分变化过程,量化土壤储水量、深层渗漏和蒸散发等水文变量的演变特征。结果显示:①农耕地期间年降水的88%为蒸散发消耗,11%为渗漏损失。②苜蓿草地种植后6 a内,蒸散发大幅增加至年降水的108%,土壤水分负平衡,0~4 m土壤储水量以52 mm/a的速率降低;至7~13 a,年降水几乎全部被蒸散发消耗。③苜蓿草地转变为天然草地后,蒸散发量下降31%,土壤水分以45 mm/a的速率逐渐补给,之后年降水量的92%用于蒸散发,8%为渗漏消耗,土壤水分处于相对稳定状态。研究表明不同土地利用方式下的土壤水分平衡模式具有显著差异,种植高耗水植被可造成土壤水分负平衡,导致土壤干燥化,进而对土壤水分补给产生负面效应,改变植被类型可使土壤干层得到有效改善。     

滦河流域土地利用/覆被变化的水文响应

以滦河流域为研究区,利用1985和2000年土地利用数据,结合SWAT分布式水文模型定量评价了流域土地利用/覆被变化的水文效应,并分析了流域地表径流变化与主要景观类型的响应关系。结果表明:SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型可以较好地模拟滦河流域的月流量过程,在研究区具有较好的适用性;1985—2000年流域林地向草地和耕地的转变导致流域年均地表径流和总径流量分别增加了12.6%和5.1%;并使得流域年均地表径流变化空间差异显著,整体呈增加趋势,且主要受到林地变化的影响,而在三道河子以上集水区地表径流的变化则主要受到耕地景观的影响。合理规划土地利用格局,对于流域水资源可持续利用具有重要意义。     

垃圾填埋场毛细阻滞型腾发封顶模型试验

作为替代型垃圾填埋场封顶,毛细阻滞型腾发封顶具有诸多优点,但目前主要在欧美干旱、半干旱地区使用,对其在湿润气候区工作性能的研究较少。选用低塑性粉质黏土和砾砂作为填料,在杭州市一露天环境构筑模型土柱并培育植被,量测自然降雨、蒸发和植被蒸腾作用下土柱透水量、地表径流量和各深度含水率变化,探讨毛细阻滞型腾发封顶的工作机制。试验历时15个月,得到该封顶在降雨高峰期、晴热高温期、台风影响期和冬季阴冷期等时段的响应。试验结果表明,降雨和腾发作用下粉质黏土含水率变化较大,底部砾砂中也有较小幅度干湿循环,腾发可在整个封顶土层范围内起作用;当粉质黏土底部达到饱和,砾砂含水率接近4%时底部有水透出,此时该封顶暂时失效,后随水汽运移毛细阻滞界面功能恢复,该封顶仍能正常工作;试验过程中,降雨总量为1 782.6 mm,共产生地表径流为53.08 mm,透水为19.64 mm,其他降水均在土层吸持与腾发交替作用下最终返回大气,在试验期间该封顶能有效地阻止降雨入渗。     

汾河上游土地利用变化及其水文响应研究

以河岔水文站以上的汾河流域为研究区,采用土地利用转移矩阵和SWAT模型模拟方法,就汾河上游土地利用变化对水文过程的影响进行研究. 流域从1995-2000年,以耕地向林地和草地转变为主;从2000-2010年,城市建设用地不断增加,主要是对耕地的占用. 结果显示,在相同气候背景、不同土地利用情景（1995、2000年2010年）下,流域1992-2000年多年平均产水量微弱增加（分别为85.69 mm、85.75 mm和85.82 mm）,主要因为耕地持续减少,草地和城市建设用地不断增加. 但是各年产水量的大小关系不完全一致,枯水年和平水年与丰水年存在差异,而土壤水分呈现一致的减少状况. 子流域水平上,降水条件同样影响水文过程对土地利用变化的响应程度. 以上结果表明,汾河流域在退耕还林还草政策等影响下,土地利用发生变化并且直接影响流域的水文过程,但是流域水文过程对土地利用变化的响应还受到降水的影响.     

Assessment of LULC and climate change on the hydrology of Ashti Catchment,India using VIC model

The assessment of land use land cover (LULC) and climate change over the hydrology of a catchment has become inevitable and is an essential aspect to understand the water resources-related problems within the catchment. For large catchments, mesoscale models such as variable infiltration capacity (VIC) model are required for appropriate hydrological assessment. In this study, Ashti Catchment (sub-catchment of Godavari Basin in India) is considered as a case study to evaluate the impacts of LULC changes and rainfall trends on the hydrological variables using VIC model. The land cover data and rainfall trends for 40 years (1971–2010) were used as driving input parameters to simulate the hydrological changes over the Ashti Catchment and the results are compared with observed runoff. The good agreement between observed and simulated streamflows emphasises that the VIC model is able to evaluate the hydrological changes within the major catchment, satisfactorily. Further, the study shows that evapotranspiration is predominantly governed by the vegetation classes. Evapotranspiration is higher for the forest cover as compared to the evapotranspiration for shrubland/grassland, as the trees with deeper roots draws the soil moisture from the deeper soil layers. The results show that the spatial extent of change in rainfall trends is small as compared to the total catchment. The hydrological response of the catchment shows that small changes in monsoon rainfall predominantly contribute to runoff, which results in higher changes in runoff as the potential evapotranspiration within the catchments is achieved. The study also emphasises that the hydrological implications of climate change are not very significant on the Ashti Catchment, during the last 40 years (1971–2010).     

土地利用变化对海河流域典型区域的径流影响

为研究海河流域径流对土地利用变化的响应,以阜平流域、匡门口流域和界河铺流域为研究区,利用1970—2011年的水文气象资料,分析了不同土地利用的时空转移特征,然后结合SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型,设置4种土地利用情景,评价了土地利用变化对径流的影响。结果表明:模型能够较好地模拟全年及汛期月流量过程;多年径流量呈下降趋势,20世纪80年代到90年代中期呈波动性变化;不同的土地利用类型在时空上的转化呈现可逆性,主要是林地增加,草地减少,耕地略有增加;林地的增加和草地的减少会降低汛期径流量以及最大月径流量;汛期径流系数随着林地面积的增加而减小。合理地规划土地利用格局,对控制流域水文事件具有重要意义。     

Runoff and water budget of the Liudaogou Catchment at the wind–water erosion crisscross region on the Loess Plateau of China

The objectives of this study were to examine the runoff characteristics and to estimate water budget at the wind–water erosion crisscross region on the Loess Plateau of China. A small catchment known as Liudaogou that has representative meteorological and hydrological conditions of the wind–water erosion crisscross region was chosen as the study location. A numerical model for rainfall-runoff was developed and verified; rainfall-runoff calculation for 5 years (2005–2009) was performed. The observed data and numerical result of the surface runoff were used for evaluating runoff characteristics and estimating the annual water budget. Runoff rate was proportional to average intensity of rain. Even though rainfall duration was for few minutes, surface runoff was generated by intensity of more than 2.6 mm × 5 min^?1, when rainfall duration exceeded 10 h; surface runoff was generated by an intensity of 0.6 mm × 5 min^?1, while annual runoff rate was 10–15 %. The unit area of 1 km² was adopted as the index area for estimating annual water budget. Runoff, evapotranspiration, variation of water storage, and habitant water consumption accounted for 20.4, 75.6, 0, and 4 % of the total annual precipitation, respectively. Results of this study provide the basis for further research on hydrology, water resources, and sustainable water development and utilization at the wind–water erosion crisscross region on the northern Loess Plateau where annual water resources are relatively deficient.     

我国北方地区农业生态系统水分运行及区域分异规律研究的内涵和研究进展

概述了国家自然科学基金重大项目"我国北方地区农业生态系统水分运行及区域分异规律研究"的内涵及初步研究进展,提出要通过对我国北方地区农业生态中水分运行和转换规律的综合田间试验及联网研究,确立北方地区农业生态系统水平衡、水循环过程的机制,确立北方地区有限水环境下作物生产力模型,对北方地区农业生态系统中水分运行与农业可持续发展及其区域分异规律作出评估,研究给出了我国北方地区主要作物的耗水、需水规律,夏玉米的水肥优化耦合模式和农田生态系统综合模型;获得了近40年来我国北方蒸发潜力自东向西逐渐递增的空间变化和自90年代以来北方部分地区潜在蒸发有明显下降趋势的时间变化特征;得出了黄土高原旱作高产农田土壤干燥化是高产田产量产生波动性的主要原因,比较了森林和草地的水文效应差异,指出在郁闭度相同的情况下,森林小流域较自然牧草小流域有较小的径流量、较大的蒸散量和较低的3 m土层平均含水量。     

红壤丘陵区地表水资源动态与合理调蓄利用研究

以红壤丘陵景观中相对独立且整体性强的集水区为基本单元,重点研究了集水区内降水、蒸散、水量蓄存等地表水资源的年变化。结果表明,降水资源在集水区内的陆面拦截蒸散、塘堰蓄存、排出集水区三者中的分布比例约为7:2:1,在水土保持型坡地的植被拦截、土壤渗流、地表径流三者中的分布比例约为3:5:2;每公顷1m土体中的土壤贮水量,在丰水季节,水土保持型坡地要比非水保坡地高出864.0～1067.0m3,少水季节则高出647.0～855.0m3。研究结果还表明,以集水区为单元的农业灌溉用水量,一般为年降水量的12%左右,蓄存此水量的塘堰面积应占集水区土地总面积的11%左右,对于塘堰面积已占土地总面积10%左右的红壤丘陵区而言,抗御季节性干旱依靠扩大塘堰蓄水已不现实,其主要途径应是充分发挥水库工程和"土壤水库"的巨大抗旱潜力。     

Study on rain-runoff process in the peripheral mountainous area of the Sichuan Basin

Studies on rain-runoff process in the peripheral mountainous area of the Sichuan Basin, which is regarded as a key ecological shelter, will contribute to flood control and environmental protection for the Upper Yangtze River Basin. In two typical catchments--the Fujiang River Catchment and the Wujiang River Catchment, rainfall simulations have been conducted to study the rain-runoff processes of yellow soil and limestone soil in three types of land use--forestland, farmland and grassland. Results showed that （1） within the same rainfall process, overland flow occurs first on farmland, then on grassland, and finally on forestland; （2） soil surface coverage has a great impact on the occurrence and amount of overland flow. The runoff amount can increase 2-4 times after the coverage is removed; （3） the infiltration before the occurrence of overland flow will decrease because of higher gravel contents of soil, but it takes no effect on infiltration once overland flow becomes stable; （4） the runoff coefficient of the limestone soil forestland is greater than that of the yellow soil forest land, but less than that of the farmland; （5） three empirical infiltration models, including Horton＇ model, Kostiakov＇ model, and modified Kostiakov＇ model, were compared by using the observed results under rainfall simulation. The results showed that the Kostiakov＇ model performed better than both the Horton＇ model and modified Kostiakov model. According to the results of this research, the Kostiakov＇s model can be used to simulate rainfall infiltration when water erosion is modeled in the peripheral mountainous area of the Sichuan Basin.