黄河流域典型支流水循环机理研究ppt.ppt

黄河流域典型支流水循环机理研究 （ 50239050）,项目负责人: 王玲 夏军 王浩 黄河水文水资源科学研究院 中科院地理科学与资源研究所 中国水科院水资源研究所 2009年3月,一、概述 二、研究工作主要进展及所取得的成果 三、创新之处,主要汇报内容,一、概述,本项目是国家自然科学基金资助的重点项目。2007年被国家基金为验收并评为A级。 黄土沟壑区是黄河流域主要产水产沙区域之一。由于下垫面、植被等环境条件发生了很大变化。目前对黄河干流水量的贡献已减少了33左右。为了从下垫面变化和人类活动等方面揭示水资源量减少原因，开展项目研究。,选取黄土沟壑区的大理河作为典型支流，将水文实验和水文模拟技术有机地相互结合，深入揭示变化环境条件的黄土沟壑区的水循环机理，为水文水资源调查评价等方面提供支撑。 研究内容主要包括：变化环境下黄土沟壑区水循环机理认识；水循环模拟研究；研究成果应用等内容。,一、概述 二、研究工作主要进展及所取得的成果 三、创新之处,主要汇报内容,二、研究工作主要进展及所取得的成果,（一）变化环境条件下黄土沟壑区水循环机理认识 （二）变化环境下黄土沟壑区水循环模拟研究 （三）变化环境下水循环机理研究成果应用,（一）变化环境条件下黄土沟壑区水循环机理认识,1、典型支流及其实验流域的选取 2、水循环实验 3、变化环境下黄土沟壑区水循环机理认识 4、土地利用/覆被变化的水文效应,运用地球系统科学理论，将室内与野外实验相结合，点、面不同尺度流域相结合，传统水文实验与环境同位素技术相结合，研究人类活动影响下的典型支流水循环规律。,曹坪西沟,黄 河,无定河,大理河,岔巴沟,典型支流是黄河中游的无定河上的大理河;实验流域为支流岔巴沟。为进一步观察黄土沟壑区水循环机理，在岔巴沟流域内建立了曹坪西沟径流实验小区（0.1km2)。利用流域嵌套，深入研究坡面产流和三水转化机理。,1、典型支流及其实验流域的选取,3906km2,205km2,807km2,典型支流大理河绥德断面,研究流域小理河李家河断面,曹坪西沟实验小流域,实验流域岔巴沟曹坪断面,（一）变化环境条件下黄土沟壑区水循环机理认识,1、典型支流及其实验流域的选取 2、水循环实验 3、变化环境下黄土沟壑区水循环机理认识 4、土地利用/覆被变化的水文效应,水循环要素观测项目：气象、降雨、土壤水、地表水、地下水等。还进行了同位素采样分析。,大理河,2、水循环实验,曹坪西沟实验小流域内有标准气象场1个，坡面径流实验场2个，人工降雨实验场1个。雨量观测及雨水样采集站点3个，土壤水观测站2个，土壤墒情（旱情）监测系统4个。,岔巴沟实验流域13个雨量站(13个地下水观测站)、曹坪水文站，进行同步同位素采样,标准气象观测场面积15m15m，主要仪器设备有Vantage Pro电子气象站、E601型蒸发皿、固态存储雨量计等，观测要素有气温、气压、湿度、风速及不同深度的地温和土壤含水量等。,曹坪西沟实验小流域,曹坪西沟径流实验场概况,人工降雨实验场 1号径流实验场为天然草地实验场，2号径流实验场为荒地实验场。一个是裸露土壤，另一个种植了冰草，该草有较强的生长和存活能力，经过一年的生长其高度约为2540cm，覆盖度为6070%，与裸露地面有明显的区别。,1号,2号,雨量观测,土壤水观测,超声波测流装置,同位素采样分析,观测项目有水位、含沙量、泥沙颗粒级配、河床冲淤、水面比降、水温、水化学成分、地下水位、降水量、水面蒸发量、土壤蒸发量、土壤含水率、土壤储水量、同位素采样等。,岔巴沟实验流域同位素采样分布点,岔巴沟实验流域,（一）变化环境条件下黄土沟壑区水循环机理认识,1、典型支流及其实验流域的选取 2、水循环实验 3、变化环境下黄土沟壑区水循环机理认识 4、土地利用/覆被变化的水文效应,（1）不同下垫面条件下降雨径流关系 （2）不同下垫面条件下土壤入渗变化特点 （3）降水对地下水补给特性 （4）地表水与地下水转换关系,3、变化环境下黄土沟壑区水循环机理认识,（1）不同下垫面条件下降雨径流关系 A、下垫面条件对出流的影响,不论降雨强度如何，裸地 土壤对降雨径流的调节能 力差，而草地由于其特殊 的生物功能改善了土壤结 构，使得土壤对降雨有较 好的储蓄调节功能，但这 种功能随降雨强度增加而 明显减弱。,在相同雨强与前期土壤含水量情况下，当坡地上的植被部分或全部被割除后，产流过程没有发生明显变化，只是在稳定产流量上表现出微小差异。土壤翻耕利于增蓄降水和作物生长，同时明显改变了出流过程 。,植被不同覆盖,土地不同翻耕,B、人类活动影响下的下垫面状况对径流的影响,C、相同雨强不同历时对径流系数的影响,降雨开始之后，径流系数较小，与土壤水分入渗的过程相反，随着时间的增加径流系数明显增大。,D、前期土壤含水量对产流过程的影响,对产流过程影响包括产流时间与产流量两部分。两个坡面上的共同特点是前期含水量越小，开始产流时间越晚；前期含水量大，产流量大，前期含水量与产流量成正比。裸露地面，这种差异更明显。,草地,裸地,（2）不同下垫面条件下土壤入渗变化特点 A、实验小流域成果,荒草坡面，天然降雨几乎无法入渗到50cm处。 耕地20cm层与荒坡面土壤体积含水量 变化过程平行,但整体比荒坡高0.04，对降水的响应过程略快一些，水分波动稍大。说明20cm处的土壤水分仍然相对集中，土壤水分变化不大。,荒草坡面,耕地坡面,B、坡面径流场实验结果分析,不同雨强、不同下垫面情况下的产流过程有很大差别；对于相同雨强、相同降雨历时，裸地坡面上单位面积产流量明显比草地坡面的产流量大，草地坡面上的起始产流时间略慢于裸露坡面的产流时间。,由于植被对水分的消耗大于裸地蒸发，相同深度的土壤水势较高，即土壤含水率较低，但在降雨过程中，由于土壤质地的变化，土壤水势迅速下降，当降雨结束时，土壤水势已低于裸地的土壤水势，说明草地土壤结构的改变有助于土壤水分入渗。,（3）降水对地下水补给特性,降水对地下水的补给并非来自当时、当地降水的简单补给过程，而是通过缓慢的下渗，经过黄土层时水分充分混合之后才到达地下水面。下图分别给出了牛薛沟和小姬雨量站降水、地下水同位素组分值对比情况。,牛薛沟雨量站,小姬雨量站,西庄,环境同位素分析结果显示，旱季25mm降水18天后对西庄处，地下水形成了50%以上的补给量；靠近沟道的地下水与地表水相互作用密切。,（4）地表水与地下水转换关系,根据岔巴沟流域大气降水以及地表水、地下水D-18O关系分析，流域内地表水和地下水都经历了强烈的蒸发作用，且前者比后者略强。旱季和雨季初，地下水是地表水的主要来源，而雨季中后期，地表水是地下水和降水混合作用的产物。,2005年6月降水、地表水、地下水D-18O关系,2005年8月降水、地表水、地下水D-18O关系,流域降水、地表水、地下水均呈碱性，地下水pH值变化小于地表水，而井水矿化度明显高于泉水，反映了流域内地下水矿化度(EC)主要来自地下水与黄土的水岩溶解作用。,流域不同区段同位素组分与电导率间不同的变化关系，反映了降水形成的慢速壤中流参与水循环,以及淤地坝增大水体蒸发等。,2005年8月不同地表水、泉水、井水18O与EC关系,2005年8月不同地表水、泉水、井水D与EC关系,（一）变化环境条件下黄土沟壑区水循环机理认识,1、典型支流及其实验流域的选取 2、水循环实验 3、变化环境下黄土沟壑区水循环机理认识 4、土地利用/覆被变化的水文效应,通过3S技术结合3期TM卫星数据、现场调查、历史资料整理等,研究大理河流域土地利用/覆被变化的水文效应。,4、土地利用/覆被变化的水文效应,裸露山坡,淤地坝,水保林（柠条）,梯田,80年代,1995年,2000年,基本结论是：耕地面积是先减少后稍有增加；草地面积是先增加后减少；林地与建设用地面积是增加的；水域的面积是减少的。,大理河绥德断面的历年流量过程线,大理河流域不同水保措施：梯田、 坝地、林、草面积逐年的增长情况,二、研究工作主要进展及所取得的成果,（一）变化环境条件下黄土沟壑区水循环机理认识 （二）变化环境下黄土沟壑区水循环模拟研究 （三）变化环境下水循环机理研究成果应用,（二）变化环境下黄土沟壑区水循环模拟研究,1、分布式时变增益水文循环模型产生流程 2、实验对模型的指导作用 3、模型开发 4、模拟结果分析,水文模型是20世纪90年代以来水文科学发展热点问题,定量描述水文时空变化，利用RS/GIS信息, 分析 人类活动/气候变化影响,21世纪水文模拟新的挑战：如何面对生态脆弱地区环境变化需求的流域水文模拟问题？,分布式时变增益水文模型 DTVGM,非线性系统理论,分布式物理方法,结合,1、分布式时变增益水文循环模型产生流程,变化环境下流域水循环 机理认识,曹坪西沟试验站点气象水、土等因子观测,同位素示踪技术,岔巴沟小流域水文过程 机理试验,坡面水文循环过程,流域地表地下水相互作用关系研究,流域水文循环物理过程,土地利用/覆被变化,气候变化,分布式时变增益模型,分布式时变增益水文循环模型(DTVGM)建立流程,（二）变化环境下黄土沟壑区水循环模拟研究,1、分布式时变增益水文循环模型产生流程 2、实验对模型的指导作用 3、模型开发 4、模拟结果分析,（1）改进了模型的结构 实验中观测到在黄土沟壑的表层土壤湿度变化较大，深层土壤湿度变化小。在设计水文模型的单元产流模块时，将土壤分成多层计算。,2、实验对模型的指导作用,（2）确定模型参数 有实验资料提供支撑的前提下，模型参数由实验直接提供，并根据点到面的推广进行适当的修正。主要由实验提供的参数有：下渗率、覆被影响参数、超渗雨强、雨量等。,（3）增加人类活动影响模块 根据实验结果，人类活动增加的耕地面积，可改变产流过程。在分布式时变增益水文循环模型中增加了人类活动影响模块 。,分布式时变增益水文循环模型结构,将水文模型非线性单元通过DEM RS/GIS拓广到分布式水文流域模拟（DTVGM）。,分布式时变增益水文循环模型 Distributed Time Variant Gain Model,特点: .系统论与物理方法结合 .易建立土地利用/覆被变化联系 .简单实用效果好,（二）变化环境下黄土沟壑区水循环模拟研究,1、分布式时变增益水文循环模型产生流程 2、实验对模型的指导作用 3、模型开发 4、模拟结果分析,分布式时变增益水文循环模型系统操作界面,3、模 型 开 发,黄土沟壑区多尺度分布式时变增益水文模型,空间插值系统界面,河网提取与子流域划分系统界面,河网提取与子流域划分系统界面,数据处理及演算过程,（二）变化环境下黄土沟壑区水循环模拟研究,1、分布式时变增益水文循环模型产生流程 2、实验对模型的指导作用 3、模型开发 4、模拟结果分析,岔巴沟1966年6月26日8月17日降雨径流过程模拟结果,（1）模拟效果及应用,小理河90年代日水文过程模拟结果,大理河月模型模拟结果,通过径流实验和对大理河流域水循环模拟表明：降水和人类活动对径流变化的影响具有不同的作用。其中由降水变化引起的减水量作用约占30%，由人类活动因素导致的径流减水量为约70%。人类活动在径流演变过程中起着主导作用。,（2）土壤湿度的时空分布 流域水文模拟表明，表层土壤(40cm)湿度的起涨迅速，在降雨后很快达到最大土壤湿度，退水相对缓慢。深层土壤湿度起涨慢，退水也慢，由于深层土壤的补给来自表层土壤水的下渗，其消耗主要是植物的蒸腾与补充地下水。 土壤湿度的空间分布不仅受当前场次降雨影响,还受前期降雨与气象条件的影响。,大理河流域水文模拟必须考虑降水的空间变异性，才能反映出局部高强度降水与降水的空间分布不同，产流量的差异。,降水40.35mm，流量126m3/s,降水43.4mm，流量120m3/s,（3）降水量空间变异性,二、研究工作主要进展及所取得的成果,（一）变化环境条件下黄土沟壑区水循环机理认识 （二）变化环境下黄土沟壑区水循环模拟研究 （三）变化环境下水循环机理研究成果应用,（三）变化环境下水循环机理研究成果应用,1、改进了传统水资源调查评价方法，形成了变化环境下的水资源评价方法体系。即在根据水资源的有效性、可控性和可再生性提出了水资源评价准则，并应用到了黄河流域重要支流上 。,2、充分利用本项目 实验站的建设经验, 我院于06年在皇甫 川长滩建设了水沙 因子监测实验站。 该站已于06年5月 开始观测。观测项 目有水位、比降、 流量、泥沙、降水 等。,（三）变化环境下水循环机理研究成果应用,3、将环境同位素水文技术应用到黑河流域地表水与地下水转化关系研究中。该项目已于06年通过了由水利部国科司组织的项目鉴定。,（三）变化环境下水循环机理研究成果应用,一、概述 二、研究工作主要进展及所取得的成果 三、创新之处,主要汇报内容,三、