干旱区生态学研究中若干问题的思考

在分析目前干旱区生态学研究存在的主要问题的基础上,对未来干旱区生态学研究的核心、尺度和研究手段选择等问题进行了探讨,最后就干旱区生态学研究几个值得关注的研究领域进行了阐述。作者认为,干旱区生态学研究的核心应该是绿洲,从管理实践的角度,干旱区的生态学研究尺度应该是湖泊流域,而非以前被广泛采纳的河流流域。在干旱区生态学研究的手段上,随着高清晰度商业化遥感卫星的应用,结合过去的传统方法,与GIS和RS相结合的遥感手段应该是今后生态学研究所依赖的主要手段。而早春短命植物层片与短命动物研究、干旱区的城市森林建设、干旱区民族生态学与人地关系研究、生态用水的深化研究、绿洲景观生态过程及其规划实践研究等,应该是在不偏废过去研究工作的基础上,值得在未来关注的研究领域。     

流域尺度土壤水研究进展

占全球粮食产量60%的旱作农业完全依赖土壤水,我国土壤水通量占降水总量的67.2%,传统水资源管理经常忽略土壤水。自李沃维奇首次使用“土壤水资源”的术语和Falkenmark提出“绿水”概念以来,土壤水的重要作用逐渐受到重视。本文介绍了土壤水研究理念和方法的演进,综述了土壤水尺度转换方法,讨论了流域尺度土壤水研究进展;指出目前国内在流域尺度的土壤水研究还局限于小流域尺度评价土壤水分时空分异和建立简单的预测模型,有必要发展较大的流域尺度的基于遥感和GIS的分布式水文模型;流域尺度土壤水评价和预测是流域水平衡和水循环的重要组成部分,也是流域水资源综合管理的主要内容。     

塔里木河源流山区径流模拟及不确定性研究

自然环境恶劣、站点稀少、观测困难是干旱区水文系统研究面临的基本问题。特殊的自然地理条件给水文过程带来了极大的复杂性和不确定性,也阻碍了干旱区水文过程和机理研究的发展。选取塔里木河源区开都河流域为研究区,采用分布式水文模型MIKE SHE模拟大尺度资料稀缺地区水文过程,将流域内气象、水文站点数据与遥感数据相结合,利用气象、土壤类型、土地利用和地表覆盖、数字高程(DEM)和降雨等资料,模拟流域水文过程;在出山口径流数据的基础上对模型进行率定和验证;分析了模型中的不确定性的来源,探讨模型优化方法。结果表明,MIKE SHE模型能在水文、气象站点稀少,土壤及水文地质数据缺乏的条件下,模拟开都河流域的日径流过程,但精度仍有待提高;通过分析识别出了隐含于模型结构、输入及参数等3个方面的8种不确定性来源。     

湖泊集水域地表—地下径流联合模拟

研制了流域尺度的地表- 地下径流联合模拟的分布式水文模型。模型考虑了地表径流、土 壤水、地下水之间的相互作用和水量交换, 更真实地模拟径流系统。特别是, 考虑了湖泊- 流域系 统的特点, 例如, 多条入湖河流、直接入湖的坡面水流和地下入湖径流等, 使模型比现有水文模型 更适合于湖泊集水域径流系统的模拟。模型在云南抚仙湖集水域作了初步应用研究, 模拟结果与 河道径流、土壤含水量和地下水位等观测数据的比较显示, 模型模拟效果理想。此外, 模拟结果与 SCS 模型结果的对比分析, 进一步验证了模型的有效性。该模型可用于研究湖泊与流域的相互作 用、模拟流域水文过程对自然条件改变或人类活动的响应、探究地表径流- 地下水- 湖泊之间的相 互作用。模型也可用作湖泊- 流域系统水量平衡分析和水资源管理的有效计算工具。     

玛纳斯河流域MIKE SHE水文模型率定

采用传统的SWAT模型模拟干旱区山区流域径流过程,无法准确反映流域水资源的空间分布特征.本文基于中国地面日值格点数据集,运用分布式水文模型MIKE SHE模拟了1991—2015年间玛纳斯河流域水文过程.选取模型效率系数(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient,NSE)、确定系数(R...     

AnnAGNPS模型动态及其应用进展

AnnAGNPS（Annualized Agricultural Non—point Pollutant Loading Model）是一个基于连续事件的分布式流域模型，与地理信息系统软件ArcView3．2a紧密集成，快速提取地面数据，不仅可以模拟非点源污染过程，还可以模拟多尺度流域的水、沙、输移与转化等水文过程。在介绍了该模型的原理、结构、功能及其研究进展后，探讨了模型存在的主要问题和应用前景。     

大尺度分布式水文模型数字流域提取方法研究

构建大尺度分布式水文模型是当前大气水文模型耦合研究的一项重要内容。本文介绍一 种根据1km DEM 生成更大网格尺度DEM 数据, 同时可以保持流域河网信息并减缓高程、坡度 等地貌参数信息量衰减速度的有效方法———ZB算法。利用该方法和常规的网格平均法生成黄河 唐乃亥以上流域的5km、10km、15km 和20km 两套DEM 数据, 分别提取高程、坡度、地形指数、河 网密度、主河道长度、流域面积等流域特征参数, 并与1km DEM 提取的上述参数进行比较, 对两 种方法作出评价。结果显示, 随着网格尺度的增大, ZB 算法获得的DEM 数据可以保持河网的连 续性, 提取出合理的流域范围, 减缓地形信息量的衰减速度。该方法满足构建大尺度分布式水文 模型提取数字流域的需要。     

干旱区典型植物生长与地下水位关系的模型研究

以生态适宜性理论为基础，根据塔里木河干流流域典型植物的随机抽样调查资料，建立了干旱区几种典型植物生长与地下水位关系的对数正态分布模型。根据建立的模型得出干旱区典型植物的最适地下水位、适宜地下水位区间及其对环境因子的忍耐度。与同是干旱区的黑河流域下游额济纳旗实测及调查资料进行比较分析，结果是合理的，因此模型也是合理的。最后，根据模型得出了对干旱区生态恢复和重建，实现干旱区经济、社会和生态环境协调可持续发展具有重要意义的结论和建议。     

SWAT模型在伊犁河上游缺资料区的应用

 在分布式水文模型中,探索产生分布式降水数据的方法是该领域研究的热点之一,发展基于水文物理过程的模型校准方法是实践PUB的热点与难点。基于SWAT分布式水文模型,以资料稀缺的伊犁河上游为研究区域,针对流域的水资源评价关键问题,首先准确描述区域的降水空间分布特征,并基于流域水文过程采用综合流域特征、多时间尺度、多变量和多站点的适宜性模型校准新方法,取得了满意的模拟结果,表明模型较好地再现了流域的水文过程。另外,完善水文机理研究,提高降水及下垫面相关参数的观测水平是改善模型模拟的有效途径。     

基于DEM的数字流域特征提取研究进展

数字高程模型(DEM)是地表形态高程属性的数字化表达,利用流域DEM数据构建数字水系模型并提取流域水文特征,是分布式水文过程模拟的重要基础。DEM中闭合洼地和平坦区域的处理、流向的确定以及DEM分辨率的大小都直接影响着流域水系特征提取的质量与效率。针对当前基于DEM提取河网与流域特征的诸多问题,阐述了DEM数据提取流域水系特征的原理,回顾了数字水系模型与流域特征提取方法,评述了洼地和平地的处理方法及水流方向的确定方法的研究进展,介绍了当前基于不同DEM数据类型的提取方法研究,探讨了DEM尺度和分辨率对提取流域特征的影响,总结了平缓区域数字水系和河网提取的研究进展。     

潮河流域时变增益分布式水循环模型研究

在广泛了解有关分布式水文模型研究进展的基础上,结合中国实际资料条件和问题,提出了一种"水文循环机理-系统理论"相耦合的分布式水循环模型——时变增益分布式水循环模型(DTVGM),并建立了潮河流域分布式水文循环模型。实例研究表明,DTVGM的应用是比较成功的,基本上能够满足水资源管理的要求。     

SWAT模型的原理、结构及应用研究

SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型。它能够利用GIS和RS提供的空间数据信息,模拟复杂大流域中多种不同的水文物理过程,包括水、沙、化学物质和杀虫剂的输移与转化过程。本文着重探讨SWAT模型的水文学原理和模型的基本结构与独特的分布式运行控制方式,并将其成功应用于西北寒区(黑河莺落峡以上流域)的分布式日径流过程的模拟。     

分布式流域水文模型水量过程模拟——以黄河河源区为例

文章分析了分布式水文模型、遥感和地理信息系统技术在流域径流模拟过程中的结合点,采用数字网格技术,以流域水量变化对地表土地覆被和气候变化响应过程为目的,讨论利用分布式水文模型研究下垫面和气候变化下流域水量响应过程的一般方法,并以黄河河源区为实例进行验证。     

黄河典型流域分布式水文过程模拟

基于水循环物理过程的分布式水文模型的研究和应用已经成为当前水文学研究的热点之一。本文应用大尺度分布式水文模型SVAT&HYCY ,选择黄河的主要支流洛河卢氏以上流域进行实例研究。根据 1990～ 1996年的资料进行的模拟结果表明 ,模型可以反映流域蒸散发的空间分布特征以及径流的形成过程。但是在模拟的径流值与实测值之间还有一些差异。这种差别一方面是因为实际径流包含了人类活动的影响 ,另一方面 ,空间插值方法是否准确反映模型的输入量 (特别是降水 )的空间分布特征也将影响模拟精度。     

SWAT模型参数敏感性分析及应用

地理信息系统(GIS)支持下的SWAT(Soil and Water Assessment Tool)分布式水文模型以流域离散化空间参数来描述流域水文变化特性,从物理意义上表达流域内的水文过程,但众多不确定的参数影响了模型的应用效果,因此有必要对参数进行敏感性分析。将SWAT模型应用到祁连山黑河上游山区流域,进行了11年(1990-2000年)逐日径流模拟,通过一个简便的敏感性分析方法,将模型影响水文过程的参数分成4类敏感级别,最后确定模型的参数。在11年的逐日模拟中,1990-1995年为参数敏感性分析期和模型率定期,1996-2000年为模型的检验期,模拟结果显示,在黑河山区流域,丰水年逐日出山径流的模型效率系数R2达到0.8以上,平水年和枯水年R2在0.51~0.79之间。     

三岔河流域水文特征与化学风化碳汇效应

在喀斯特地区的流域产汇流过程中,由于富含碳酸的水体对可溶岩的溶蚀作用,导致河流断面输出大量溶解无机碳(DIC),反映了流域化学风化消耗大气CO2的强度,与流域水文过程密切相关。为了正确估算流域水文过程中化学径流及其碳汇效应,解析水文特征对流域地表过程中碳的生物地球化学行为的影响规律,以喀斯特地貌广布的三岔河流域三个水文站断面为例,研究了河源区河流水文特征与碳汇效应。结果表明:处于亚热带湿热环境下的喀斯特流域在观测水文年内,碳汇强度远大于非喀斯特的花岗岩流域且具有显著的季节变化,绝大部分的碳汇发生在高温多雨的6-11月。相关分析表明,流域碳汇强度与流域气温、降水和径流量呈显著的正相关关系;流域碳汇强度与河流总溶解固体物(TDS)浓度、DIC浓度呈显著的负相关关系。丰水期径流对河流TDS和DIC有明显的稀释效应。流域碳汇强度主要决定于河流TDS和DIC输出载荷而非河流TDS和DIC的浓度,与流域水文特征密切相关。     

中国西北干旱内陆河流域分布式出山径流模型

In order to predict the futuristic runoff under global warming, and to approach to the effects of vegetation on the ecological environment of the inland river mountainous watershed of Northwest China, the authors use the routine hydrometric data to create a distributed monthly model with some conceptual parameters, coupled with GIS and RS tools and data. The model takes sub-basin as the minimal confluent unit, divides the main soils of the basin into 3 layers, and identifies the vegetation types as forest and pasture. The data used in the model are precipitation, air temperature, runoff, soil weight water content, soil depth, soil bulk density, soil porosity, land cover,etc. The model holds that if the water amount is greater than the water content capacity, there will be surface runoff. The actual evaporation is proportional to the product of the potential evaporation and soil volume water content. The studied basin is Heihe mainstream mountainous basin, with a drainage area of 10,009 km^2. The data used in this simulation are from Jan. 1980 to Dec. 1995, and the first 10 years‘ data are used to simulate, while the last 5 years‘ data are used to calibrate. For the simulation process, the Nash-Sutcliffe Equation, Balance Error and Explained Variance is 0.8681,5.4008 and 0.8718 respectively, while for the calibration process, 0.8799, -0.5974 and 0.8800 respectively. The model results show that the futuristic runoff of Heihe river basin will increase a little. The snowmelt, glacier meltwater and the evaportranspiration will increase. The air temperature increment will make the permanent snow and glacier area diminish, and the snowline will rise. The vegetation, especially the forest in Heihe mountainous watershed, could lead to the evapoWanspimtion decrease of the watershed, adjust the runoff orocess, and increase the soil water content.     

A distributed runoff model for inland mountainous river basin of Northwest China

In order to predict the futuristic runoff under global warming, and to approach to the effects of vegetation on the ecological environment of the inland river mountainous watershed of Northwest China, the authors use the routine hydrometric data to create a distributed monthly model with some conceptual parameters, coupled with GIS and RS tools and data. The model takes sub-basin as the minimal confluent unit, divides the main soils of the basin into 3 layers, and identifies the vegetation types as forest and pasture. The data used in the model are precipitation, air temperature, runoff, soil weight water content, soil depth, soil bulk density, soil porosity, land cover, etc. The model holds that if the water amount is greater than the water content capacity, there will be surface runoff. The actual evaporation is proportional to the product of the potential evaporation and soil volume water content. The studied basin is Heihe mainstream mountainous basin, with a drainage area of 10,009 km2. The data used in this simulation are from Jan. 1980 to Dec. 1995, and the first 10 years' data are used to simulate, while the last 5 years' data are used to calibrate. For the simulation process, the Nash-Sutcliffe Equation, Balance Error and Explained Variance is 0.8681, 5.4008 and 0.8718 respectively, while for the calibration process, 0.8799, -0.5974 and 0.8800 respectively. The model results show that the futuristic runoff of Heihe river basin will increase a little. The snowmelt, glacier meltwater and the evaportranspiration will increase. The air temperature increment will make the permanent snow and glacier area diminish, and the snowline will rise. The vegetation, especially the forest in Heihe mountainous watershed, could lead to the evapotranspiration decrease of the watershed, adjust the runoff process, and increase the soil water content.     

内陆河流域分布式水文模型——以黑河干流山区建模为例

应用常规的气象水文数据并结合GIS, 建立了一个适合西北内陆河山区流域分布式水文模型, 并对黑河干流山区出山径流进行了模拟计算和讨论。模型以子流域作为最小的产流、汇流单元, 将各子流域分为裸地区、乔木区、牧草区和冰川区, 并根据实测剖面资料将土壤分为3层, 各分区单独进行水量平衡计算。产流过程基于蓄满产流理论, 以月和日为步长, 月模型在黑河干流山区流域应用效果较好, 日模型受降水的随机性和观测站点少的限制效果不佳。模型参数敏感性分析发现, 降水资料的代表性是模型模拟成败的关键。月模拟结果表明, 植被覆盖可以调节径流过程, 增加流域土壤储水量, 尤其是乔木森林, 即植被具有涵养水源的功能。在全球变暖背景下, 黑河未来出山径流会有一定程度的增加, 冰雪融水和实际蒸散发也会增加, 永久积雪与冰川面积缩小, 雪线上升, 但近期内不会造成冰雪储量大量减少。     

基于SWAT模型的森林分布不连续流域水源涵养量多时间尺度分析

为解决森林分布不连续流域森林水源涵养功能及其多时间尺度特征的定量评价问题,根据分布式水文模型（SWAT）的特点,提出了反映森林斑块空间分布的水文响应单元划分方法,以及基于水量平衡法的森林不连续分布流域森林水源涵养量计算公式。以东南沿海的晋江流域为例,构建了2006年土地利用条件下的日时间步长SWAT模型,统计分析了2002—2010年降水条件下森林水源涵养量的时空变化规律。结果表明：① 构建的晋江流域SWAT模型精度较高,面积阈值为零生成的水文响应单元比较准确地反映流域森林斑块分布,提出的森林水源涵养量计算公式适用于森林空间分布不连续流域森林水源涵养量的多时间尺度分析,为流域森林水源涵养功能评价提供了一个新的方法。② 晋江流域森林水源年涵养量271.41~565.25 mm;月涵养量-29.15~154.59 mm;日尺度的极端降水期皆为正值,极端枯水期都为负值。表明年际之间不存在森林水源涵养的蓄丰补枯调节作用,但在年内的部分月份得到体现,而日尺度的森林蓄丰补枯功能充分发挥。从而揭示了不同时间尺度森林水源涵养量及其蓄丰补枯功能的差异。