（生态学专业论文）头塘小流域植被恢复过程中生态水文效应的研究.pdf

煳愀 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得西南林学院或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：杰丛兰 日期：笙望：生! ! 兰 关于论文使用授权的说明 本人同意：西南林学院有权保留送交论文的复印件，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文；提交论文一年后，允许论文被查阅和借阅， 学校可以公布论文的全部或部分内容。一 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：登登日期型：丝 摘要 植被建设是根治我国水土流失和改善生态环境质量的重大政策措施，开展植被建 设( 变化) 的水文生态效应研究对正确评价植被建设的水文生态效益具有重要的现实意 义。 本文以头塘小流域的实测资料为基础，并结合大量相关文献资料，采用对比分析与 模型模拟相结合的方法，较为全面地分析了流域水文特征及植被变化的生态水文效应。 论文取得的主要成果如下： 1 小流域降雨平均变率毛= 1 3 3 8 ，降雨变率乞1 7 6 4 ，降雨变异系数c 矿= o 2 4 9 ， 年径流深c v = o 6 0 ，说明头塘小流域径流深年际变化较大。小流域内径流年变化与降水 趋势基本一致。年降雨量只i 衄、年径流深q 之间的相关系数为，= o 9 8 3 ，降雨量和径 流量之间有十分显著的正相关关系。根据已有的2 0 0 0 至2 0 0 7 年共8 年的年降雨数据， 按大小排列其顺序，计算相应的值出现的频率，以频率为横坐标，年降雨量为纵坐标， 绘制了年降雨量的经验频率曲线，并选取较常用的几个概率，利用p _ 型经验频率方 程计算各概率下的降雨量。本文分析了已知年份的月降雨量变化趋势，并在此基础上 按照月平均降雨量占年平均降雨量的比例，对概率分别为0 0 1 、0 1 、5 、1 0 、 2 5 、5 0 、7 5 、9 0 、9 5 、9 9 所对应的年降雨量下的月降雨量进行了模拟。 2 本文从水文学的角度，结合生态因子给出了生态水文模型的一般模式，并在此 基础上选用s c s 模型对头塘小流域次暴雨径流量进行了模拟，应用此模型对头塘小 流域2 0 0 0 - 2 0 0 7 年发生的1 8 场暴雨产流量进行了模拟，总体模拟效果较好，表明该 模型具有一定的合理性和适用性。所得结论如下： ( 1 ) 生态水文模型结构中由于考虑了植被的影响，因而使得水文计算更趋合理。 ( 2 ) s c s 模型把影响径流的主要因素土壤类别、土地利用变化对径流的影响定量化， 可以用于小流域、沟道等小型集水区的集水量计算。 ( 3 ) 在计算流域平均c n 值中，使用的是各土地利用方式c n 值的面积加权平均方法。 这种方法虽然能够反映下垫面中土地利用等因素在数量上的变化，但并不能反映土地 利用空间结构的变化。而土地利用等因子空间结构的变化对降雨一径流关系，尤其是 对暴雨洪水关系的影响更大，因此，如何表征土地利用空间结构变化对降雨流关系 的影响今后仍需深入研究。 ( 4 ) s c s 模型没有考虑降雨历时、降雨强度等对土壤滞留量及c n 值的影响，这要影 响模型的估算精度，另外，前期降雨对土壤湿润状况的影响是一个很复杂的过程，这 一方面的研究还有待进一步深化。 3 分析表明，径流深与降雨量、蒸发量、年均湿度之间存在高度显著的正相关关 系，相关系数分别达到了0 9 8 3 、0 9 3 6 、0 9 7 4 ，建立了流域年径流量与年降雨量、年 蒸发量、年均湿度之间的多元线性回归模型。应用变量逐步进入，求得的多元回归方 程如下： q j = 4 1 7 5 0 6 + 0 7 0 6p j 一0 9 0 3e ( a = 0 0 5 ) 式中q 为年径流深( m m ) ，为年降雨量( r a m ) ，巨为年水面蒸发量m 啷) 。年径流深与 年降雨量、年水面蒸发量之间韵复相关系数为0 9 9 3 ，方差分析结果为f 比为1 7 8 3 4 7 ， 双尾显著性概率s i g - - - o 0 0 0 0 0 5 ，年降雨量、年水面蒸发量的回归系数显著性概率分 别为0 0 0 1 ，0 0 4 4 ，均小与显著水平o 0 5 ，年径流深与年径流量、年蒸发量之间存在高 度显著的线性关系。 4 依据头塘流域及坡面小区2 0 0 0 - 2 0 0 7 年实测水文资料，从头塘流域及流域内坡 面小区两个尺度层次分析了植被变化对汛期产流产沙、流域径流形成过程及土壤水文 的影响。分析表明，在径流系数、泥沙含量方面，不同植被模式之间的关系为生态林 地 经济林地 未退耕地：生态林地的径流系数产沙量随植被度的提高有连年下降的 趋势；不同植被恢复模式、不同坡度等级、两者的交互效应对坡面径流系数、产沙量 影响均比较显著；乔灌草模式在产沙量、径流系数方面均为最小，其水土保持功能最 大，其次为灌草模式，随着坡度的增大，径流系数与产沙量均有增大趋势。对比结果 表明，生态林地的土壤o - 6 0 c m 土层最大蓄水量大于裸地，初渗速度、稳渗速度均比 裸地要快，雨季土壤含水率、旱季土壤含水率均比裸地要大，且差异十分显著。林地 的初渗速度和稳渗速度分别是裸地的4 6 0 倍和4 6 1 倍，裸地的土壤结构极差，水的 下渗速度慢，林地由于植被的存在，增加了土壤的孔隙度，加快了水分的下渗速度， 优化了坡面的防护功能，蓄水功能有显著的提高。流域植被度增大后，排除个别奇异 点，径流系数大致呈减少趋势，悬移质含沙量大致呈减少趋势；洪水总量减少，洪水 历时延长，洪峰流量显著降低，峰前历时时间比例减小，峰后历时时间比例增大，峰 前径流量比例减少，峰后径流量比例增大。 关键词：植被恢复；径流；泥沙；s c s 模型；生态水文效应 i i a b s i r a c i v e g e t a t i o nc o n s t r u c t i o ni sa ni m p o r t a n tp o l i c ym e a s u r et oc o n t r o ls o i la n d w a t e rl o s s a n dt oi m p r o v ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t s ot h es t u d yo n e c o - h y d r o l o g i c a le f f e c t so f v e g e t a t i o nc o n s t r u c t i o n c h a n g eh a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e b a s e do nt h em e a s u r e dd a t ai nt o u t a n ga n dw i n ll a r g ea m o u n to fr e f e r e n c e s ，t h e e c o - h y d r o l o g i c a le f f e c t so fv e g e t a t i o nc h a n g ei nw a t e r s h e da r eg e n e r a l l ya n a l y z e db yt h e m e t h o d so f c o n t r a s t i n ga n dm o d e l i n g t h em a i nf m d i n g so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 t h er a i n f a l la v e r a g ev a r i a b i l i t yo f t h ec a t c h m e n ti s1 3 3 8 ，t h er a i n f a l lc h a n g e dr a t e i s1 7 6 4 ，t h er a i n f a l lc vi s0 2 4 9 ，a n dt h ef l o wd e 印c vi so 6 0 ，e x p l a i n e dt h a tt h ec h a n g eo f t h en m o f fd e e pi sb i gb yy e a r t h er u n o f fd e e pc h a n g et e n d e n c yi sc o n s i s t e n t 、舫mt h e r a i n f a l lb yy e a r t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nt h ea n n u a lf l o wd e p t ha n da n n u a l r a i n f a l li s0 9 8 3 ，h a st h ev e r yr e m a r k a b l ec o r r e l a t i o n a ld e p e n d e n c e a c c o r d i n gt ot h e r a i n f a l ld a t af r o m2 0 0 0t o2 0 0 7 ，a r r a n g e si t so r d e ra n dc a l c u l a t e sf r e q u e n c yw h i c ht h e c o r r e s p o n d i n gv a l u ea p p e a r s ，a n dt h e nt a k et h ef r e q u e n c ya st h ea b s c i s s a , t h ea n n u a l r a i n f a l li st h ey - c o o r d i n a t e ，h a sd r a w nu pt h ea n n u a lr a i n f a l le x p e r i e n c ef r e q u e n c yc u r v e ， a n ds e l e c t st h ec o m m o n l yu s e ds e v e r a lp r o b a b i l i t i e s ，u s e sp - h i , t h ee x p e r i e n c ef r c q u e n c y e q u a t i o n ，c a l c u l a t e st h e r a i n f a l la m o u n tu n d e rv a r i o u sp r o b a b i l i t i e s t h i sa r t i c l eh a s a n a l y z e dt h ek n o w ny e a rm o n t h r a i n f a l la m o u n tc h a n g et e n d e n c y , b a s e do nt h i sa n dr a t i o b e t w e e nt h em o n t h l ym e a nr a i n f a l la m o u n ta n dt h em e a na n n u a lr a i n f a l la m o u n t , h a s c a r r i e do nt h ea n n u a lr a i n f a l lm o n t hr a i n f a l ls i m u l a t i o nw h i c ht h ep r o b a b i l i t yw a s0 0 1 ， 0 1 ，5 ，1 0 ，2 5 ，5 0 ，7 5 ，9 0 ，9 5 ，9 9 2 i nt h i sa r t i c l ew eg a i nt h ee c o l o g yh y d r o l o g ym o d e lg e n e r a lp a t t e r no nt h eh y d r o l o g y a s p e c t t h a tj o i n su pw i t he c o l o g i c a lf a c t o r , b a s e do nt h i sa n ds e l e c t e dt h es c sm o d e lt o w ec a r r yo nt h es i m u l a t i o nt oe a c hr a i n s t o r ma m o u n to fr u n o f ff o rs m a l lb a s i ni nt h e t o u t a n g ，u s i n gt h i sm o d e lt oc a l t yo nt h es i m u l a t i o na b o u tt h e 18r a i n s t o r m sw h i c h o c c u r r e di nt h ec a t c h m e n tf r o m2 0 0 0t o2 0 0 7y e a r s ，t h eo v e r a l ls i m u l a t i o ne f f e c th a sb e e n g o o d , i n d i c a t e dt h a tt h i sm o d e lh a dc e r t a i nr a t i o n a l i t ya n dt h es e r v i c e a b i l i t y , a n d t h e c o n c l u s i o ni sa sf o l l o w s ： ( 1 ) b e c a u s ei nt h ee c o l o g yh y d r o l o g ym o d e ls t r u c t u r et h ev e g e t a t i o n si n f l u e n c eh a s c o n s i d e r e d , t h u sc o m p u t a t i o no ft h eh y d r o l o g yb e c o m em u c hr e a s o n a b l y 1 l i ( 2 ) s c sm o d e lm a i d t h ei n f l u e n c ef a c t o rs o i lc a t e g o r y ，t h el a n du t i l i z a t i o nc h a n g et ot h e r u n o f fq u a n t i f y i n g , s ot h a ti tm a yb eu s e di ns m a l lc a t c h m e n tg a u g ec a l c u l a t i n go f c a t c h m e n ta r e as u c ha st h es m a l lb a s i n , t h et r e n c ha n ds oo i l ( 3 ) v a r i o u sl a n du t i l i z a t i o n sc nv a l u ei sa d d e dt og e ta v e r a g ec n v a l u eo ft h ec a t c h m e n t i nw e i g h t e da v e r a g em e t h o d t h i sm e t h o dc a l lr e f l e c tq u a n t i t yc h a n g eo f t h el a n du t i l i z a t i o n i nt h ep a ds u r f a c e , b u tc a n n o tr e f l e c tt h ec h a n g eo ft h es p a t i a ls t r u c t u r eo ft h el a n d u t i l i z a t i o n b u ts p a c es t r u c t u r e 。sc h a n g e sh a v em o r ei n f l u e n c eo nt h er a i n f a l l r u n o f f r e l a t i o n s ，e s p e c i a l l yo nt h er a i n s t o r m - f l o o dr e l a t i o n s ，t h e r e f o r e ，b o wt oa t t r i b u t es p a t i a l s t r u c t u r ec h a n g eo ft h el a n du t i l i z a t i o nt ot h er a i n f a l l - c l a s sr e l a t i o n si n f l u e n c es t i l ln e e dt h e n e e pr e s e a r c l ll l - o mn o wo n ( 4 ) t h es c sm o d e lh a dn o tc o n s i d e r e di n f l u e n c eo nt h es o i ld e t e n t i o nq u a n t i t ya n dc n v a l u et h a tc a u s e db ye x p e r i e n c et i m eo ft h er a i n f a l l ，r a i n f a l li n t e n s i t ya n ds oo n , t h i sm u s t a f f e c tt h ep r e c i s i o no ft h em o d e l ，m o r e o v e r , i n f l u e n c eo nt h es o i lm o i s tc o n d i t i o nc a u s e db y r a i n f a l li nt h ee a r l i e rp e r i o di sa v e r yc o m p l e xp r o c e s s ，t h er e s e a r c ha b o u tt h i sa l s on e e d s f u r t h e rd e e p e n i n g 3 1 1 1 ea n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h e r ei sah i g h l yr e m a r k a b l ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t b e t w e e nt h er u n o f fd e p t ha n dt h er a i n f a l la m o u n t , t h et r a n s p i r a t i o nr a t e ，t h ey e a r l ya v e r a g e h u m i d i t y , t h ec o e f f i c i e n th a sr e s p e c t i v e l ya c h i e v e d0 9 8 3 ，o 9 3 6 ，0 9 7 4 h a se s t a b l i s h e d m u l t i - d i m e n s i o n a ll i n e a rr e g r e s s i o nm o d e lb e t w e e nt h eb a s i ny e a ra m o u n to fr u n o f fa n dt h e a n n u a lr a i n f a l l ，t h ey e a rt r a n s p i r a t i o nr a t e ，t h ey e a r l ya v e r a g eh u m i d i t y w i t ht h ev a r i a b l e g r a d u a l l ye n t e r s ，t h em u l t i p l er e g r e s s i o ne q u a t i o ni s 弱f o l l o w s ： q = 4 1 7 5 0 6 + 0 7 0 6 只- 0 9 0 3e ( 口= 0 0 5 ) i nt h ef o r m u l a , qi sa n n u a lf l o wd e e p ( r a m ) ，只i sa n n u a lr a i n f a l l ，ei sa n n u a l t r a n s p i r a t i o nr a t e ( m m ) o ft h ew a t e rs u r f a c e n ed u p l i c a t ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ta m o n gi n a n n u a lf l o wd e p t h , t h ea n n u a lr a i n f a l l ，a n dt h ea n n u a lt r a n s p i r a t i o nr a t eo ft h ew a t e rs u r f a c e i s0 9 9 3 ，a c c o r d i n gt ot h ev a r i a n c ea n a l y s i s ，fr a t i oi s17 8 3 4 7 ms i g , t w i nt a i l s s i g n i f i c a n c ep r o b a b i l i t y , i s o 0 0 0 ，s m a l l e rt h a n0 0 5 1 1 l es i go fa n n u a lr a i n f a l lr e g r e s s i o n c o e f f i c i e n ta n da n n u a lt r a n s p i r a t i o nr a t er e g r e s s i o nc o e f f i c i e n ti sr e s p e c t i v e l y0 0 01 ，0 0 4 4 ， b o t i ls m a l l e rt h a nt h el e v e lo 0 5 ，b e t w e e nt h ea n n u a lf l o wd e p t ha n dt h ey e a ra m o u n to f r u n o f f , t h ey e a rt r a n s p i r a t i o nr a t et h e r ei sah i g h l yr e m a r k a b l el i n e a rr e l a t i o n s h i p i v 4 b a s e do nt h ec a t c h m e n ta n dt h ea c t u a lh y d r o l o g i c a ld a t ao ft h es l o p ep l o tf r o m2 0 0 0 t o2 0 0 7 ，t h ee f f e c t sa b o u tt h ep r o d u c e ds a n d , t h ec a t c h m e n tr u n o f ff o r m i n gp r o c e s s ，a n dt h e s o i lh y d r o l o g yc a u s e db yv e g e t a t i o nc h a n g ew e r ea n a l y z e db yt w os c a l e ，c a t c h m e n ta n d s l o p e c o m p a r e dw i t h2 0 0 2 ，t h ec o e f f i c i e n to fr a na n dt h es e d i m e n tc h a r g eo ft h ee c o l o g y f o r e s tl a n do b v i o u s l yd e c l i n e d , t h es e d i m e n ts u b d u c t i o nr a t ei sr e m a r k a b l e ；r e l a t i o n so f t h r e ed i f f e r e n tl a n di nt h ec o e f f i c i e n to fr u na n dt h es i l tq u a n t i t ya r e t h ee c o l o g yf o r e s t l a n d 上部。 头塘小流域内的森林植被6 0 年代前曾葱郁茂密，但经过历史上几次大的破坏， 目前已基本没有天然林，现存的的林地，多为七、八十年代的人工林，而且大都林相 不好，林分质量及林分结构较差，防护功能较低，1 6 4 5 的以云南松、地盘松为主的 疏林地更是水土流失严重，只有少部分针阔混交林、乔灌混交林和灌木林地发挥了较 好的防护效益。据调查，试验示范区内主要森林类型有： ( 1 ) 云南松林 ( 2 ) 云南松、马桑一胡秃子林 ( 3 ) 云南松一华山松林 ( 4 ) 华山松林 ( 5 ) 水( 早) 冬瓜林 ( 6 ) 云南松一水( 旱) 冬瓜林 。 ( 7 ) 云南松疏林 ( 8 ) 马桑灌木林 ( 9 ) 胡秃子灌木林 ( 1 0 ) 榛子灌木林 ( 1 1 ) 蔷薇、杜鹃灌木林 经过“八五”后，试验示范区内又增加了一些新的森林类型，主要有： ( 1 ) 圣诞树林 ( 2 ) 柏类( 圆柏、藏柏、墨西哥柏) 林 其它还有些栓皮栎、柳杉、滇合欢等幼林。 2 1 2 5 气象 头塘小流域气候条件分布规律如下：年均温1 2 7 。c ，芝1 0 积温3 5 4 0 1 ，极端 最高温度3 1 4 ，极端最低温度1 6 2 ，最热月为7 月，平均温1 9 1 ，最冷月为1 月，平均温4 6 1 2 。年平均日照时数2 1 0 9 8 小时，全年总辐射1 3 3 4 千卡平方厘米， 年有霜日数5 1 6 天，年均降水量8 1 7 7 m m ，年均相对湿度7 1 ，降雨主要集中在6 、 7 、8 、9 、1 0 这5 个月。以上说明头塘小流域的光热及降雨资源较为丰富，有利于植 被的恢复，但降雨集中，且强度较大，易造成水土流失。主要灾害性气候有旱、涝、 洪、风、冰雹及“倒春寒”等。 1 3 研究目的及意义 当今有限的水资源存在着日益严重的问题，一是分布很不均，在我国南多北少。 二是水资源日益受到污染威胁，缩小了可以使用的水资源量，三是工农业用水和需水 量逐年增加，发生供需不平衡的矛盾。而随着经济发展，大量兴起的防洪、灌溉、水 电工程、农业、林业建设也向水文科学提出了许多新课题。对水资源的数量、质量、 时间和空间分布规律、未来预测等方面的研究日益受到人们的重视。 探讨径流量与降雨量、环境因子( 蒸发量、气温) 之间的关系，建立其多元回归 模型，可以由后者资料预测径流量值，揭示径流量和诸多因素之间的内在联系。同时 建立流域的总径流线性响应模型可以由已知的降雨径流资料推导出流域的产流过程， 得出净雨，从而可以对未来径流总量做出估计。植被建设具有巨大的生态效益、社会 效益和经济效益。目前我国正在大规模地实施坡耕地( 坡度 2 5 度) 的退耕还林还草工 作，为了实现植被建设的科学化、合理化、充分发挥和正确评价植被建设的效益，有 必要从机理上研究植被变化( 建设) 的生态水文效应。 1 4 研究内容 本论文研究的内容如下： ( 1 ) 头塘小流域的降雨特性，包括年降雨量频率曲线。 ( 2 ) 头塘小流域的径流特性。 ( 3 ) 建立头塘小流域的s c s 模型。 ( 4 ) 建立头塘小流域的年径流量与年降雨量、年蒸发量、年均湿度之间的多元回归方 3 头塘小流域植被恢复过程中生态水文效应的研究 程。 ( 5 ) 植被恢复对坡面及流域的生态水文效应的分析。 4 国内外研究现状综述 2 国内外研究现状综述 2 1 水文频率分析国内外研究现状 水文频率分析是给各种水利工程提供具有概率含义的水文设计数据，以确定工程 的规模、投资和效益。为了使频率分析的成果有较为可靠的基础，故须先对选择的水 文资料和水文系列进行审查，详细检查它们的可靠性、一致性、代表性和独立性。如 果有参证站或能找到与所研究现象有关的且联系较为密切的水文资料如降水与径流、 上下游的水位或流量等，可适当地把系列进行插补延长。另外，对于洪水系列，要充 分利用较为可靠的历史洪水资料。尽可能的有较长的系列，以减少抽样误差和提高频 率分析的精度。 有了审定好的水文系列后，就可以进行频率分析和计算，为了统一标准，在我国 普遍采用p i i i 型分布。设计洪水的计算一般有两种途径即统计途径和成因途径 ( p m p p m f ) ，水文频率分析就是其中的统计途径。水文频率分析包括一维变量水文 分析和多维变量的水文分析，一维变量的水文分析是多变量水文分析的基础。目前的 国内外研究中，多维联合分布的计算以二维联合分布求解较为成熟，y u e 【l 】( 19 9 9 ) 采 用二维g u m b e l 进行洪水频率分析。对三维以上联合分布的求解较为困难，目前国内 在这方面研究得也比较少。 水文分析中需要估计水文变量的相应频率的设计值，水文设计值的估计通常有参 数和非参数方法之分，参数方法先假定总体分布型式，再估计分布参数，根据分布函 数推求设计值。非参数方法不需要假设总体分布型式，直接由样本估计设计值。由于 非参数估计方法可以避开选择线型这一环节，故所估计的设计值往往具有稳健性好的 优点。 1 9 8 1 年，t a n g 和m a y ( 1 9 8 1 ) 首次将非参数统计方法一自展法应用于水文频率分析 中，此后非参数方法得到广泛研究。a d a m o w s k i l 2 1 ( 1 9 8 5 ) 首次将非参数核密度估计应 用于水文频率分析，以实测洪水资料为算例，非参数核密度估计法推求的洪水设计值 与参数统计模型( 三参数对数正态分布、对数皮尔逊型分布、极值分布) 推求的结果 相近，可用于设计洪水。a d a m o w s k i l 3 i ( 1 9 8 9 ) 根据实测年洪水资料将非参数核密度 5 头塘小流域植被恢复过程中生态水文效应的研究 估计法与参数模型就不同重现期洪水设计值进行了对比研究，作者在该文中使用固定 核和变化核两种不同的核密度函数，通过m o n t ec a r l o 试验得出以下结论非参数核密 度估计法适合于各种分布的洪水资料，能给出可靠的洪水设计值，变核估计法比固定 核估计法更具有适用性。夏乐天1 4 1 ( 1 9 9 0 ) 引用非参数核密度估计结合再抽样的方法进 行水文频率分析研究，通过大量模拟试验表明非参数方法的稳健性最好，其计算结果 与各总体的较优参数估计方法的计算结果近似。郭生练【5 1 ( 1 9 9 1 ) 引用非参数核密度 估计结合再抽样的方法在考虑我国实测资料不太长而历史洪水和古洪水研究又很有 特色的情况下，提出了考虑历史洪水和古洪水的非参数核密度估计法。董洁和谢悦波 等( 2 0 0 5 ) 也将非参数估计方法应用于洪水频率分析中 6 1 ，由于非参数在进行统计推 断时，不需要假设样本的总体分布，所以往往具有优良的统计性能，特别地，与参数 方法相比，估计的稳健性更好，当用于分析计算的水文样本组成复杂时，非参数方法 更适用。非参数模型能拟合各种实测数据资料，包括多峰分布的数值，而参数模型则 做不到。与参数模型方法相比，非参数统计方法在水文频率分析中的应用研究还处于 初步研究阶段，有许多问题还需要更深入地进行研究，例如对核函数和窗宽的选择， 虽然在理论上进行了大量的讨论，也确定了一些方法和原则，但没有统一的标准确定 哪一种核函数是较优的，在实际应用中可操作性差，非参数方法是一种通过样本数据 直接估计的方法，它不能把地区信息、洪水的不确定信息等模糊性和灰色性加入到非 参数模型中，洪水频率曲线的外延也存在着许多不足1 7 i 。 此外还有一类方法兼有参数与非参数方法的特点。s c h u s t e ra n dy a k o wi t z 等【8 】 ( 1 9 8 5 ) 提出了一种兼有参数方法与非参数方法的核密度估计法，并证明了这种方法 的有效性。y e o u - k o u n gt a n 9 1 9 1 ( 2 0 0 0 ) 将多项式正态变换方法( p n t ) 应用于不确定分 析，p n t 法是先将样本变换成正态分布样本，再对正态分布进行估计，然后通过一一 变换得到对原始分布的估计。因为不需要假设原始水文变量的分布线型，所以本质上 属于广义的非参数方法，但仍兼有参数方法特点。目前，参数估计的方法相对成熟， 即先假定总体分布型式，再估计分布参数，国内外的研究者都做了大量的研究工作。 水文频率分析法实际上是对水文系列进行外延的问题。现在，通用以一定数学模型( 频 率分布曲线) 作为外延的工具。外延有误差，其与外延的远近成正比。同时，加上其 他误差( 如水文测验、方法性和系列代表性等误差) 的交织与干扰，使外延误差复杂 化。为减少这类误差，积累了许多经验，如详细审查资料、设法展延系列、增加历史 6 国内外研究现状综述 洪水和对频率计算结果进行合理性分析、利用区域综合信息等，这些都是为提供可靠 设计值的有效措施。 2 2 生态水文学研究进展 生态水文学是生态学与水文学的交叉学科，它研究不同时空尺度上水文过程与生 物动力过程的耦合机制与规律，以期实现水资源的持续管理。i n g r a m h a p 在1 9 8 7 年 提出生态水文学这一概念，并对苏格兰泥炭地的生态水文过程进行了研究1 1 0 l 。2 0 世 纪9 0 年代中期的生态水文学研究主要以湿地为研究对象，b r a g g o m 等模拟了从苏格 兰的一个上升湿地里抽取的泥炭的生态水文过程叫；h e n s e lb r u c er 等研究了天然湿 地的生态水文过程【1 2 j 。 2 0 世纪9 0 年代中期以后开展的生态水文学研究，以u n e s c o i h p v 2 3 、 2 4 ( 1 9 9 5 2 0 0 1 ) 对生态水文过程的专项研究最具代表性。1 9 9 8 年5 月在波兰的l o d z 召开了u 姬s c o 册v 2 3 、2 4 关于生态水文学的专项会议，会议交流了专项研究的 成果，其研究成果包括以下几个方面：1 ) 对研究尺度的进一步探索。k e m p j l 等对生境 尺度的河流生态水力学进行了研究【1 3 l 。2 ) 水文过程的生态环境效应。b i a w a ss p 等研 究了布拉马普特拉河( 雅鲁藏布江) 对喜马拉雅山东北部渔业生态的影响0 4 ；d u b n y a ks 等研究第聂伯河水库水文动力过程的生态效应1 1 5 1 ；h o l z b c c h e re 等研究了s t e c h l i n 湖流域地下水水文演化对富营养化的影响1 1 6 。3 ) 水文格局的生态效应。w a g n e ri 等研 究了在一低地水库恢复过程中支流的水文格局对生物过程的影响f 1 7 1 ；b r i n k m a nw l f 等研究了波兰p l o c k 附近的v i s t u l a 河洪泛平原的结构和功能1 1 3 】。4 ) 模型与制图研 究。f a s h c h c v s k yb 研究了用数学方法估计生态和自由水 1 9 1 ；t a t r a i k 等研究了 k i s b a l a t o n 水保护系统在b a l a t o n 水质控制中的应用1 2 0 1 ；t t m c h e n k o v 等研究了第聂伯 河河口带生态现状和水质管理模型【2 ；v a l ：e k r 研究了d e m n a t 模型在荷兰水管理 的生态效应1 2 2 1 。以上内容都强调了对生态水文过程的研究。 7 头塘小流域植被恢复过程中生态水文效应的研究 直至2 0 世纪9 0 年代中后期，我国都尚未将生态水文学作为一专门学科加以研究， 只是在相关研究中有所涉及，包括土地利用方式的改变对河川径流量的影响，森林破 坏和草地退化对径流量变化的影响以及近年来开展的生态需水研究1 2 3 2 4 , 2 5 , 2 6 1 等等。2 0 世纪末，严登华等人开始在东辽河流域开展生态水文学研究，以g i s 为工具，探讨流 域生态水文格局的演化，并构建理想的生态水文格局，进而探讨其在区域水环境安全 调控中的应用。 2 3 森林植被变化的生态水文效应 森林植被变化的水文生态效应是指森林变化对流域产水量、径流泥沙和水质的影 响。本文拟从以上几方面介绍国内外森林植被变化的水文生态效应研究进展。 a 、森林植被变化对水量的影响 。 森林与水关系的研究始于2 0 世纪初，早期的森林水文研究重点关注森林的变化， 主要观测森林砍伐而不是造林对森林流域产水量的影响，采用的研究方法主要是对比 流域试验法和流域自身对比法。开始于1 9 0 0 年的瑞士e m m e n t a l 山区两个小流域对比 试验是这类研究的开端，也是现代实验森林水文学开端的标志。e m m e n t a l 的流域对 比实验包括两个流域，一个为森林流域，森林覆被率达9 9 ，另一个流域以草本为主， 占6 9 ，森林占3 1 。自1 9 2 7 年到1 9 5 6 年的观测资料表明，森林流域年径流量比以 草本为主的流域小1 1 ，洪峰流量也较以草本为主流域低，5 0 次最大暴雨洪峰流量 模数森林流域为0 3 7 m s ( s l a n 2 ) ，以草本植物为主流域的为1 7 5 m 3 ( s k m 2 ) ，造成这一 现象的主要原因是，森林流域具有较大的土壤入渗能力和较慢的融雪速率。美国开始 于1 9 0 9 年的w a g o nw h e e lg a p 的试验研究是严格意义上的对比流域实验，经过8 年 的校核观测后将其中一个流域的森林全部砍伐掉，又经过7 年的对比观测实验，结果 显示砍伐灌丛山杨和针叶树的8 1 h m 2 流域每年大约增加3 0 m m 产水量。从此以后，通 过流域研究评价植被清除或植被类型变化对流域产水量的影响日渐增多。此间，除对 比流域试验外，流域自身对比法也被较为广泛采用，但流域自身对比由于难以将气候 条件变化对流域产水量的影响从植被变化的影响中区分出来而影响评价值的准确性。 s t e d n i c k 将美国的9 5 个流域实验进行了系统总结，他将流域位置、流域名称、流域面 积、海拔高度、坡向、土壤类型、植被状况、年均产水量、年均降雨量、采伐面积比 列、增加的流域产水量以及实验流域所处的水文区域进行了对比，结果表明，当采伐 8 国内外研究现状综述 达1 0 0 时，年增加流域产水策最高可达7 5 0 m m ，最低仅为11 7 m m ，导致不同水文 区以及同一水文区对森林变化对流域产水量变化影响的差异是由多种原因引起的，其 中包括：采伐方式、气候条件、土壤地质条件、地形条件、水文测验在采伐后进行的 时间0 1 1 。在其它因素都相同的条件下，森林采伐后降雨径流响应在很大程度上依赖于 森林植被恢复的过程。流域产水量对森林采伐的响应在降雨量大的地区变化较大，这 些地区植被恢复速度快，持续时间较短，因此流域产水量增加的趋势在湿润地区通常 在3 1 0 年消失1 3 2 1 。对比流域实验研究在美国于1 9 6 5 年左右达到了巅峰，这一情形与 当时对森林生态系统进行全面系统研究的需要相吻合。从研究的内容来看，也从传统 的森林植被对水量的影响扩展到水文循环过程以及与此相关的森林生态地球化学元 素循环，特别是养分循环的研究。 日本开展森林水文研究也较早，1 9 2 3 年在茨城县太田试验流域集中进行了阔叶树 皆伐对流量影响的试验。1 9 2 4 年在爱知县实验林场设置4 个流域试验地，开始进行流 域径流量随林相变化的比较试验以及不同树种林木蒸腾量的比较研究，结果表明，森 林采伐可增加直接径流1 5 - 1 0 0 0 , 6 ，森林完全采伐年径流量增加3 0 0 m m 左右。原联 邦德国在u p p e rh a r z 山脉从1 9 4 8 年开始的两个对比试验流域的结果表明，l a n g b r a m k e 流域的森林恢复减少了年径流量，而w m t e r t a l 流域的森林采伐增加了年径流 量。，在k r o f d o r f 森林水文研究站，采用校核观测的办法来剔除其它因素对森林采伐 试验的影响，研究结论指出，分段采伐流域9 6 的山毛榉林，采伐后的第二年流域年 产水量增加8 6 m m ，比根据1 0 年校核观测计算的流域产水量高出3 9 t 3 3 1 。 我国从6 0 年代以后也开展了森林水文生态效应的集水区研究，流域面积从零点 几平方公里到几千平方公里，研究的内容主要集中在探讨森林覆盖率变化与流域径流 量变化的关系，其中包括植被盖度变化对年径流量及其季节分配、洪水量、洪水过程、 径流组合变化等方面。刘世荣脚j 等对我国森林水文生态作用集水区研究做了比较全 面细致的总结和对比，从地跨我国寒温