基于DEM的山地森林流域分布式水文模型研究.pdf

1、森林與水的關(guān)系問題一直是森林生態(tài)系統(tǒng)研究的關(guān)鍵性課題之一，也是水文循環(huán)探索的重要內(nèi)容，森林生態(tài)系統(tǒng)對水分的時空分配、傳輸轉(zhuǎn)換以及水文循環(huán)機制的影響問題是森林水文學(xué)研究的核心問題。森林與水的關(guān)系十分復(fù)雜，它不僅受森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展本身的影響，而且還受到山區(qū)大氣、植物、土壤、地下巖層等空間異質(zhì)性以及氣象因素如降雨、蒸發(fā)等時空變化的影響，進(jìn)一步增加了定量描述森林生態(tài)流域徑流形成機制和水文響應(yīng)模式的難度。近幾十年來，這一研究領(lǐng)域從傳統(tǒng)的對比流域試

2、驗發(fā)展到從森林生態(tài)系統(tǒng)變化、森林對坡面到流域尺度徑流形成影響的機理研究，再發(fā)展到現(xiàn)在的建立服務(wù)于森林植被管理的基于物理過程的分布式水文模型新階段。 本論文依托國家自然科學(xué)基金資助項目“森林流域水文效應(yīng)的流域尺度作用及分布式水文模型研究”(NO.30271042)，針對高山森林地區(qū)的水文特點，利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，結(jié)合確定性水文模型理論，在新安江三水源概念性水文模型的基礎(chǔ)上，建立了反映山地森林流域特點的分布式水文模型。通過對岷江上

3、游的模擬和檢驗，取得了很好的效果。利用該模型分析了岷江上游森林覆蓋率變化對水文過程的響應(yīng)，為森林的生態(tài)工程的建設(shè)和森林保護(hù)提供科學(xué)參考，特別對當(dāng)前西部以植被恢復(fù)為主的生態(tài)保護(hù)工程具有重要的指導(dǎo)意義。概括起來，本論文的研究主要取得了以下成果： 1.收集和整理岷江上游水文、氣象、數(shù)字高程模型、數(shù)字植被分類分布圖、數(shù)字土壤分類分布圖等資料，建立并分析了岷江上游各水文站所在區(qū)間的年降水-徑流關(guān)系。 2.根據(jù)岷江上游的數(shù)字高程模型

4、(DEM)，采用網(wǎng)格單流向算法，生成岷江上游的數(shù)字水系，并根據(jù)水文站的地理位置和河流的匯合口，按自然子流域的劃分方法，將整個岷江上游劃分成35個子流域；利用地理信息系統(tǒng)，將數(shù)字水系與數(shù)字土地利用圖和數(shù)字土壤分布圖疊加，將整個岷江上游離散成143個下墊面相對均勻(具有相似水文特性)的水文響應(yīng)單元。水文響應(yīng)單元將作為分布式水文模型的基本計算單元。 3.本文提出一種基于多叉樹的數(shù)字流域拓?fù)潢P(guān)系算法，該方法將流域中的子流域或網(wǎng)格概化成樹

5、形結(jié)構(gòu)的結(jié)點圖，運用后序遍歷算法，在不同的河道集水面積情況下都可快速自動建立子流域或網(wǎng)格間的拓?fù)潢P(guān)系和匯流演算順序，解決了復(fù)雜流域洪水演算集成問題。 4.針對岷江上游屬高山森林地區(qū)的特點，提出一種基于三水源新安江模型的山地森林分布式概念性水文模型。在新安江三水源模型的基礎(chǔ)上，增加了反映森林植被截留和植被蒸散發(fā)結(jié)構(gòu)、森林土壤結(jié)構(gòu)、積雪融雪結(jié)構(gòu)以及凍土計算處理的模塊，基本上反映了山區(qū)森林的水文特點。將凍土計算按三層土壤模式分層計算，

6、與蒸發(fā)計算模型相呼應(yīng)，也符合土壤水在垂向上的運動規(guī)律。通過岷江上游各水文站的模擬和檢驗，得到了比較好的效果。 5.利用所建立的山地森林分布式水文模型和率定的參數(shù)，分析研究了岷江上游土地利用/覆被變化對年、月徑流量、徑流成分、蒸發(fā)量、凍土水量和洪水過程等水文效應(yīng)的影響。結(jié)果表明，隨著森林覆蓋率的增加，年總徑流逐漸減少，汛期的月徑流量逐漸減少，非汛期的月徑流量有所增加，但由于受凍土的影響，增加幅度不大；洪水流量過程在漲水段和退水前半