人類活動與氣候變化的流域生態水文回響

以華北土石山區典型流域潮白河流域以及嵌套流域半城子和紅門川流域為研究對象，利用多年的水文氣象觀測資料採用景觀生態學測度方法，分析了不同尺度流域土地利用/森林覆被變化過程和水文氣候變化趨勢，並用分散式水文模型SWAT和WetSpa Extension模型進行了不同尺度流域水文生態過程模擬，目的在於通過對森林景觀結構格局動態變化分析和水文氣候變化分析，揭示其基本規律，定量評價森林植被對流域徑流各組分的影響，並根據各水文要素的變化趨勢定量評估人類活動及氣候因子對徑流、泥沙、水質變化的貢獻率。在此基礎上，預測了土地利用和氣候變化並揭示了未來潮白河流域水文過程的回響機制。

基本介紹

內容簡介

生態水文學系列叢書的一種，學術水平高，有新意。

作者簡介

余新曉，北京林業大學教授，博士生導師。現任北京林業大學水土保持學院院長，教育部水土保持與荒漠化防治重點實驗室主任，國家林業局水土保持重點開放實驗室主任。

圖書目錄

叢書序
前言
第1章緒論
11人類活動和氣候變化對水文過程的影響
111人類活動對水文過程的影響
112氣候變化對水文過程的影響
113人類活動/氣候變化對水文水資源的時空動態影響
114生態水文研究存在的主要問題及發展趨勢
12研究區概況
121半城子流域概況
122紅門川流域概況
123土門流域概況
124懷河流域概況
125密雲水庫流域概況
13研究方法
131水文氣象數據趨勢性分析和突變點檢驗
132土地利用/植被動態變化過程
133模型模擬方法
第2章流域景觀格局分析
21流域土地利用/森林覆被動態演變分析
211流域不同時期土地利用類型構成
212流域土地利用/森林覆被類型的轉化
22流域景觀格局分析
221景觀指數的選取
222景觀級別上的景觀格局動態變化分析
223斑塊級別上的景觀格局動態變化分析
23流域未來土地利用變化預測
231土地利用變化預測方法
232土地利用變化預測結果
第3章流域氣候因子變化分析
31流域降水趨勢性變化及突變點檢驗
311潮白河流域降水趨勢性變化及突變點檢驗
312半城子流域降水趨勢性變化及突變點檢驗
313紅門川流域降水趨勢性變化及突變點檢驗
32流域氣溫趨勢性變化及突變點檢驗
321氣溫年內變化規律
322氣溫年際變化規律
323氣溫突變檢測
33流域潛在蒸散發趨勢性變化及突變點檢驗
331潛在蒸散發年內變化規律
332潛在蒸散發年際變化規律
333潛在蒸散發突變檢測
34氣候因子預測
第4章氣候變化和土地利用/森林覆被變化對水文過程的影響
41水文過程趨勢性變化及突變分析
411潮白河流域水文過程趨勢性變化及突變分析
412半城子流域水文過程趨勢性變化及突變分析
413紅門川流域水文過程趨勢性變化及突變分析
42水文過程對氣候變化和土地利用/森林覆被變化的回響
421潮白河流域氣候變化和土地利用的水文回響
422半城子流域土地利用/森林覆被變化的水文回響
423紅門川流域土地利用/森林覆被變化的水文回響
·vi·第5章大尺度流域生態水文過程模擬分析
51SWAT資料庫的建立
511基於GIS建立流域數字高程模型
512土地利用/覆被變化資料庫
513土壤資料庫
514屬性資料庫
52基於DEM的水文參數的提取
521流域河網生成
522子流域劃分
523水文回響單元劃分
53參數靈敏度分析
531方法簡介
532結果分析
54參數率定及校核驗證
541參數適用性評價方法
542流域水文校核期參數率定
543套用SWAT進行模型模擬
55徑流泥沙變化成因分析
551溝道庫壩工程對潮白河流域徑流的影響評價
552溝道庫壩工程對潮白河流域泥沙的影響評價
553土地利用對潮白河徑流變化的貢獻率
554土地利用對潮白河泥沙變化的貢獻率
55520世紀80年代人類活動/氣候變化對潮白河流域徑流泥沙的貢獻率
第6章小尺度流域生態水文過程模擬分析
61WetSpa Extension模型資料庫的建立
611基於地理信息系統建立的流域DEM
612土壤資料庫
613土地利用/覆被變化資料庫
614氣象和水文資料庫
62空間分布參數的提取
621基於DEM的河網提取及子流域劃分
622基於土壤類型的空間分布參數提取
623基於土地利用類型的空間分布參數提取
624產流係數和窪蓄容量的空間分布
625匯流參數的提取
63WetSpa Extension模型的參數率定與驗證
631WetSpa Extension模型模擬效果的評價標準
632流域水文參數率定結果
633模型徑流模擬與驗證的結果分析
64WetSpa Extension模型與數字濾波法基流分割結果比較
641數字濾波法的介紹
642數字濾波法進行流域徑流分割
643兩種徑流分割結果對比
65森林植被變化對徑流組分的影響
651流域不同徑流組分的變化
652流域森林植被變化對徑流組分的影響
第7章流域水文情景模擬
71潮白河流域水文情景模擬
711景觀格局情景建立
712氣候情景建立
72半城子和紅門川流域水文情景模擬
721流域土地利用/森林覆被變化的情景設定
722流域不同土地利用結構的水文回響
·vii·723流域不同情景森林植被類型的水文回響
724流域不同情景森林覆被率的水文回響
參考文獻

文摘

第1章緒論第1章緒論11人類活動和氣候變化對水文過程的影響111人類活動對水文過程的影響本書所涉及的人類活動是指除氣候變化外影響水文過程的各種要素，主要包括各土地利用類型面積轉移和調整，溝道庫壩工程以及其他社會經濟因素。由於植被的砍伐和破壞，降低了集水區的水源涵養能力，導致水土流失、河沙遽增，不僅增加了洪峰流量，而且造成了河床淤積。溝道庫壩工程是人類為了持續利用水資源在河道上修建的攔截工程，但太多庫壩工程的修建造成了下游來水量急劇減少，不僅破壞了河流生態系統，而且使得上下游矛盾加劇。移動土石是人類活動中很重要的一環，修路、採礦、建築、運河、開隧道、興建都市、開發能源等各種活動都需要搬動大量土石，從而導致大量水土流失。
1土地利用變化驅動力分析及預測
生態環境和社會經濟過程的相互作用是導致土地利用/覆蓋格局時空變化的根本動力。馬爾可夫（Markov）模型在土地利用變化建模中有廣泛套用。鄭江坤等（2010a，2010b）利用時空馬爾可夫模型分別對潮白河流域各土地利用類型和林地類型進行了預測。但傳統馬爾可夫模型難以預測土地利用的空間格局變化，而元胞自動機（CA）模型則具有強大的空間運算能力，可以有效地模擬系統的空間變化，並取得了很好的研究成果（侯西勇等，2004）。單純的元胞自動機模型主要著眼於元胞的局部相互作用，因此存在明顯的局限性。CAMarkov模型綜合了CA模型模擬複雜系統空間變化的能力和Markov模型長期預測的優勢，既提高了土地利用類型轉化的預測精度，又可以有效地模擬土地利用格局的空間變化，具有較好的科學性與實用性。土地利用變化驅動力分析一直是相關研究的難點和熱點。余新曉等（2009）指出自然和社會經濟因素共同驅動黃土高原典型流域土地利用轉變；夏兵（2009）採用主成分分析方法對懷柔水庫流域和潮白河流域的土地利用驅動因子進行了篩選，得出國民生產總量和用電總量與土地利用變化的相關性較大；王彥閣（2010）研究了密雲水庫流域土地利用的時空變化，指出國家巨觀政策是土地利用變化的主要驅動力。土地利用受到國家政策、人類活動、自然災害、氣候變化等多重影響，其複雜性和難預測性明顯，因此對其驅動力分析及預測須進行深入探討。
2土地利用/覆被變化對水文過程的影響
在中國，退耕還林和坡改梯工程被認為是使流域上游徑流減少的主要驅動力（Sun et al，2006）。一些學者利用統計對比的方法研究了土地利用方式與結構和水文過程之間的聯繫，岳雋等（2006）套用統計分析和空間分析方法論證了深圳市內5個流域土地利用類型與河流水質關鍵指標間的相關關係。而很多學者則採用模擬手段評估土地覆被變化對流域水文過程的影響，Juana Paul Moiwo等利用WetSpass（water and energy transfer between soil，plants and atmosphere under quasisteady state）模型對吉林省西部半乾旱濕地生態系統徑流、蒸散發的土地利用變化回響進行了分析；高超等依託德國波茨坦氣候影響研究所（the Potsdam Institute for Climate Impact Research，PIK）HBVD模型建立了巢湖流域降水徑流關係，分析了流域土地覆被變化對徑流量影響；杜麗娟等（2010）將分散式水文模型SWAT（soil and water assessment tool）套用於水土保持生態補償標準的核算中，模擬了2種情景下的水土保持林草措施涵養水源和保持土壤量，然後引入效益分攤係數計算不同情景下潘家口水庫對上游地區的補償標準；於國強等（2010）利用野外模擬降雨試驗，提出植被對水沙調控作用從大到小依次為植物根系、整個坡面植被、坡面下部植被和坡面上部植被；以上研究大多注重土地利用/覆被變化對水文過程的單向作用，而對兩者之間的耦合反饋機制分析較少。自然界是複雜的，因此對要素間的相互作用的研究對探索自然科學規律具有重要意義。
3水庫、壩系及其溝道工程對水文過程的影響
隨著經濟、社會發展，在河流上大規模築壩攔截河流水量(發電、灌溉、控制洪水等）是河流生態環境受人為影響最顯著、最廣泛、最嚴重的事件之一。鑒於水壩攔截造成河流、區域生態環境的改變，使它成為目前河流生態研究的重要領域之一。水電站或水庫、農業灌溉引水、城市取用水等水資源管理措施對河道水量過程影響非常敏感，不僅增加了水資源管理的複雜性，而且給水文模擬帶來了很大的不確定性。
我國在溝道綜合防治措施配置時，是從上游到下游，從溝頭到溝口，從支溝到主溝，從溝岸到溝底層層設防，分類施治。通過削、墊、築、淤等改造措施消除破爛溝坡、陷穴暗洞和活動塌方。修築的溝邊、溝頭防護埂，蓄水池，小水庫，淤地壩，排洪渠等形成了攔、蓄、排相結合的溝道防治體系。溝道里修建淤地壩，可以攔、蓄來自壩控小流域內坡溝系統的徑流泥沙，並實現對其調控作用。在蓄滯型水土保持溝道工程作用強的地區，水向土壤中的下滲能力要比非作用區高得多，更易於使地表徑流向壤中流和地下徑流轉化，產流形式有從超滲產流向蓄滿產流轉變的趨勢（丁琳霞，1999）；方學敏等（1998）探討了淤地壩的淤積形態和攔沙機理，從單壩攔沙定額、小流域對比分析、河流泥沙變化、典型暴雨洪水等方面討論了淤地壩的攔沙作用；冉大川等對黃河中游黃土高原地區不同尺度水保坡面措施減輕溝蝕的作用進行了定量研究，得出黃河中游黃土高原地區流域水保坡面措施減輕溝蝕的作用大於坡面措施本身的減沙作用；張利平等（2010）研究提出未來氣候變化對南水北調中線工程水源區徑流變化影響不大，總體來看有利於南水北調中線工程的調水；目前大多數研究均停留在定性描述上，而對庫壩影響的過程模擬的研究則較少，如何有效地模擬這些水資源管理措施對水文過程的影響是水文模型亟待加強的環節（徐宗學和程磊，2010）。
4社會經濟因素對水文過程的影響
水資源作為國民經濟發展的先導資源，制約和影響區域社會經濟的可持續發展。城市化建設作為經濟發展的主要形式，通過加劇下墊面變化強烈影響水資源的數量和質量（徐光來等，2010）。工農業發展通過引水調水工程和地下水開採改變水資源的賦存狀態，從而影響水文水質過程，不同學者在不同區域內對其進行了研究。國內各學者就解決水量和水質問題展開了討論。李浩等（2010）以區域利益為視角，運用經濟學理論提出了跨界水資源衝突的主要動因並基於博弈理論，分三個階段、五個步驟開展了跨界水資源衝突協調和解決的研究；根據水資源的自然條件和開發利用現狀，水資源的開源潛力已經很小，且外流域大規模調水投資多、風險大、工程規劃期和施工期長；因此，依靠科技，科學調配和系統管理水資源，建立節水型的生產體系，建立與水資源承載力相應的產業結構布局是迎接水資源危機挑戰的主要對策之一。
112氣候變化對水文過程的影響
氣候變化是導致生態系統、社會經濟和人類福祉發生變化的重要驅動力之一，目前，它已經成為學術界、決策界和普通民眾共同關注的焦點問題之一。按照世界氣象組織（WMO）的意見，完整的氣候系統應包括五個物理組分：大氣圈、水圈、冰雪圈、陸地表面和生物圈。驅動全球氣候系統的基本過程是在太陽輻射對地氣系統的加熱和地面、大氣層向太空發射長波輻射的冷卻的共同作用下，低緯度獲得的熱量多，高緯度獲得的熱量少，從而形成緯度間的溫度梯度；同時，由於海陸的熱容量不同，形成了海陸之間的溫度梯度。緯度間和海陸間的溫度梯度推動了大氣環流，大氣環流形成了風系。海洋受盛行風、地球自轉作用、海岸和島嶼的分布和形狀、海水密度分布不均等的影響，形成了海洋環流。大氣環流和海洋環流把熱量從高溫地區輸到低溫地區，使各地區間的熱量處於動態平衡狀態，如偏離平衡狀態將使氣候發生變化。
1氣候變化及預測
目前人類最為關心的是十到百年尺度上的全球變化，因為它與當前人類社會面臨的問題和如何發展關係最密切。但人們還不能完全清晰地描述十到百年尺度上全球變化過程。就目前的認識水平來說，驅動全球氣候系統變化的主要過程有大氣化學成分的控制和調節（溫室氣體）、平流層過程（臭氧）、海洋物理過程、海洋生物化學過程（吸收碳）、陸面過程、生態系統和水的多種作用。