（水文学及水资源专业论文）伊洛河流域土地覆被变化水文效应的研究.pdf

摘要 土地利用土地覆被变化是陆地生态系统和全球环境变化对全球气候变化及 人类活动最重要的响应之一。在几十年甚至百年尺度上，人类活动产生的环境变 化在强度上甚至超过自然因素引起的环境变化，成为主要因素。土地利用土地 覆被变化改变了地表蒸发、土壤水分状况及地表覆被的截留量，从而使流域产汇 流量与过程发生改变，对流域水文过程、水量平衡产生了十分重要的影响。因此， 土地利用，土地覆被变化对水文动态变化的影响已成为全球l u c c 研究的热点。 本文概述了流域分布式水文模型的发展，总结了g r e e n - a m p t 入渗模型的发 展及土地利用土地覆被变化水文效应的研究方法及研究成果。 在伊洛河流域自然环境调研基础上，利用遥感影像资料提取的卢氏及栾川子 流域1 9 8 0 年、1 9 9 0 年、2 0 0 0 年的土地利用状况，分析了研究时段内的土地利用 土地覆被变化情况。根据长序列统计法，分析了包括年蒸发量、年降水量、年 径流量、年产沙量以及次洪特性在内的水文要素对森林覆被变化的响应，并对比 分析了卢氏及栾川子流域之间土地利用，土地覆被变化水文效应的差异：推估了 土地利用土地覆被变化对流域水文序列的显著影响干扰点。 采用了以d e m 信息与实际河流主干河道信息为综合数据源的复合信息提取 流域特征法，提取了卢氏及栾川子流域的流域特征信息。构建了考虑土地覆被的 分布式模型，对栾川子流域8 0 年代以来的i 8 场典型洪水进行模拟，得到了较好 的拟和效果，验证了此模型能够基本再现栾川子流域的洪水过程。 单独以栾川子流域为研究对象，在分析影响因子与径流量相关关系的基础 上，用历史反演法建立了三种土地覆被情景。依据流域水文模拟法，运用考虑土 地覆被的分布式模型模拟各种情景下的降雨径流关系，研究土地覆被变化所引起 的水文效应。主要研究了土地覆被变化对次洪洪峰、洪量的影响规律，并且对比 分析了不同峰型、不同量级洪水在次洪洪峰、洪量对森林覆盖率变化响应方面的 规律。 关键词：l u c c ，g r e e n - a m p t 模型，分布式，水文效应，情景 a b s t r a c t t h ec h a n g eo f l a n du s ea n dc o v e ri so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tj n f l u e n c e sw h i c ht h e t e r r e s t r i a le c o s y s t e ma n dg l o b a le n v i r o n m e n t a lc h a n g ea c to nt h eg l o b a lc l i m a t o l o g i c c h a n g ea n dm a n sa c t i v i t y d u r i n gt h ed e c a d e sa n de v e nac e n t u r y ，m a n sa c t i v i t y c a u s i n gt h ee n v i r o n m e n t a lc h a n g ei sm o l ea n dm o r ev i s i b l et h a nt h en a t u r a lf a c t o r s a n db e c o m e st h em a i nf a c t o rg r a d u a l l y t h ec h a n g eo fl a n du s ea n dc o v e ra l t e r st h e s u r f a c ee v a p o r a t i o n t h es t a t u so ft h es o l lh u m i d i t ya n dt h er e t e n t i o nq u a i l t yo fl a n d c o v e r , s ot h a ti tc h a n g e st h ev o l u m ea n dt h ep r o c e s so f t h ec a t c h m e n t sf l o o d i tp l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei nt h ec o u r s eo fc a t c h m e n t sf l o o da n dw a t e rb a l a n c e s ot h e i n f l u e n c eo ft h ec h a n g eo ft h el a n du s ea n dc o v e ri m p a c t i n go nt h eh y d r o l o g i c a l d y n a m i cc h a n g eh a sa k e a d yb e c o m et h eh o tp o i n ta l la r o u n dt h eg l o b a lh y d r o l o g i c a l r e s e a r c h i n g t h ea r t i c l ei ss u m m a r i z i n gt h ed e v e l o p m e n to f d r a i n a g ea l c ao f d i s t r i b u t e dp h y s i c a l m o d e l ，s u m m i n g u pt h ed e v e l o p m e n to f t h eg r e e n a m p tm o d e l ，t h ew a y so f s t u d y i n g t h eh y d r o l o g i c a le f f e c to nt h ec h a n g eo f t h el a n du s ea n dc o v e ra n di t ss t u d y i n gr e s u l t a c c o r d i n gt ot h en a t u r a le n v i r o n m e n ti ny i l u o h ec a t c h m e n t ，b yu s i n gt h er e m o t e s e n s i n gi m a g e w e e x t r a c tt h el a n d u s i n g s t a t u so fl u s h ia n dl u a n c h u a n s u b c a t c h m e n t si n1 9 8 0 ，1 9 9 0a n d2 0 0 0 ，a n a l y z i n gt h ec h a n g i n go f t h el a n du s ea n d c o v e r t h r o u g ht h el o n gs e q u e n c es t a t i s t i c sm e t h o d ，w ec o n s t r u eh o w t h eh y d r o l o g i c a l f a c t o r s ，w h i c hi si n c l u d i n gt h ea n n u a le v a p o r a t i o nc a p a c i t y ，p r e c i p i t a t i o n ，r u n o f fa n d s e d i m e n ty i e l da n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l o o d r e s p o n dt h ef o r e s tc o v e rc h a n g e a n dw ea l s oc o m p a r ea n da n a l y z et l l ec h a n g eo fl a n du s ea n dc o v e rb e t w e e nt h e l u s h ja n dl u a n c h u a ns u b c a t c h m e n t s t h e l lw es p e c u l a t ea n de s t i m a t et h en o t a b l e o f f e n d i n gp o i n tw h i c ht h ec h a n g eo fl a n du s ea n dc o v e ra c t so nt h ec a t c h m e n t s h y d r o l o g i c a ls e q u e n c e w eg e tt h ec a t c h m e n t sc h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o ni nt h ea r e ao fl u s h ia n d l u a n c h u a nb yu s i n gt h ew a y sc a l l e dc o m p l e xi n f o r m a t i o ne x t r a c t i n g , w h i c hi s c o m b i n i n gi n f o r m a t i o no f d e ma n dt h em a i nr i v e r - w a yo f t h el e a lf i v e r w ec o n s t r u c t t h ed i s t r i b u t e dp h y s i c a lm o d e l w h i c hi sc o n s i d e r e dt h el a n dc o v e r t h em o d e li s s i m u l a t e dt h ee i g h t e e nt y p i c a lf l o o d si nt h el u a n c h u a nc a t c h m e n ts i n c e8 0 sa n dw e o b t a i ng o o dr e s u l t s i tp r o v e st h a t t h i sk i n dm o d e lc o u l dr e c u r r e n c et h ef l o o di n l u a n c h u a n 1 o n l yt a k e l u a n c h u a nc a t c h m e n t 躯m ys t u d y i n go b j e c ta n da n a l y z et h e d e p e n d e n c yr e l a t i o nb e t w e e nt h ei n f l u e n c ef a c t o ra n dt h er u n o i t ic o n s t i t u t et h r e e l a n dc o v e rs c e n a r i o sb yu s i n gt h eh i s t o r i c a li n v e r s et e c h n i q u e a c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i v em e t h o do fc a t c h m e n sh y d r o l o g y ，is i m u l a t et h ef l o o d sb yu s i n gt h e d i s t r i b u t e dp h y s i c a lm o d e l ，a n ds t u d yt h eh y d r o l o g i c a le f f e c tw h i c hi sc a u s e db yt h e c h a n g eo fl a n dc o v e r w h a tt h em o s ti m p o r t a n tt h i n gis t u d yi nt h i sa r e a i st h e i n f l u e n c er e g u l a t i o nt h a tt h ec h a n g eo fl a n dc o v e ra c t so nt h ef l o o dp e a ka n dt h ef l o o d v o l u m e ，m e a n w h i l e ，c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h er e g u l a t i o nt h a tt h ed i f f e r e n tk i n d s a n dd i f f e r e n tv o l u m eo f f l o o d sa c to nt h ec h a n g eo f f o r e s tc o v e r k e yw o r d s ：l u c c ；t h eg r e e n - a m p tm o d e l ；d i s t r i b u t e d ；h y d r o l o g i c a le f f e c t ；s c e n a r i o i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 - i l - 一、 ，、 论文作者( 签名) ：罡2e 易o 年6 月，5 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 j、l， 论文作者( 签名) ： z 上兰型e2 加7 年6 月3 日 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了论文的研究背景、依据及意义，概述了流域分布式水文模型的 发展，总结了g r e e n - a m p t 入渗模型的发展及土地利用土地覆被变化( l a n du s e a n dc o v e rc h a n g e ，l u c c ) 水文效应的研究方法及研究成果。为论文的研究方 法及预期成果定位。 1 1 研究的背景、依据和意义 1 1 1 研究背景 黄河流域是我国西部大开发的重点地区之一，是我国生态环境建设的重要 地区，是我国水资源短缺以及土地利用变化水文影响的敏感区域。黄河流域主 要的水问题是水资源短缺、洪水灾害威胁的加剧及生态环境的恶化。它们之间 相互关联，恶性发展。 从2 0 世纪6 0 年代以来黄河流域的水循环要素均呈减少的趋势。1 9 7 2 2 0 0 0 年间有2 2 年出现断流，特别是2 0 世纪9 0 年代，不仅年年断流，而且断流时间 提前、断流历时加长、断流河段不断向上游延展【l 】。1 5 世纪后期以来，黄河流 域枯水年出现的次数多于丰水年出现的次数 2 1 。种种迹象表明：在自然与人类 共同作用下，天然水循环发生变化，形成了一种恶性循环，从而影响到黄河流 域水资源的形成、演化和更新的自然规律，突出地表现为水资源短缺这一核心 问题，成为制约黄河流域今后可持续发展的瓶颈【3 】o 从国家需求看，黄河流域缺水及日趋严重的生态环境变化是中国首要解决 的问题之一。针对治理黄河面临的三大问题，江泽民总书记曾强调指出：“对 黄河防洪、水资源利用、生态环境建设有重大影响的关键科技问题，要重点攻 关，力争取得新的突破，为治理开发黄河提供有力的科技支持”。进人2 l 世纪 以来，黄河水利委员会提出了“维持黄河健康生命”的新理念和途径，国家启 动了黄河“9 7 3 ”项目【”。国家“十一五”计划中也强调了“重视水资源可持续 利用”和“加强生态环境建设”以及“保护和治理环境”的问题。研究黄河流 域缺水及生态环境变化的水循环基础，深入阐明黄河流域水生态环境变化的成 因规律，对采取有效措施解决黄河流域缺水问题、改善黄河流域生态环境质量 都具有重要意义。 河海大学硕士论文伊洛河漉域土地覆被变化水文效应的研究 从地球系统科学的高度看，黄土高原地区缺水矛盾导致的生态环境恶化问 题，有着深刻的自然和人文因素共同作用与发展演化的背景，其中水循环过程 是纽带和载体，人类活动是重要干扰源和驱动因子。研究自然和人类活动双重 作用下的黄河流域水循环过程，定量识别自然( 气候变化) 和人文因子( 土地 利用土地覆被变化以及水资源开发利用) 对黄河流域水资源变化的作用和影 响，不仅对变化环境下流域水环境演变的地学基础科学前沿研究有重大的学术 价值，而且对中国可持续发展和社会进步具有重要的战略意义。 1 1 2 选题依据及研究意义 土地利用土地覆被变化是陆地生态系统和全球环境变化对全球气候变化 及人类活动最重要的响应之一。在几十年甚至百年尺度上，由自然因素引起的 环境变化幅度相对较小，而人类活动产生的环境变化，在强度上甚至超过了自 然因素引起的环境变化，成为主要因素。i g b p 的土地研究指出【5 l ，l u c c 影响 了陆地生态系统的生物多样性、生物种类的丰度和组成、初级生产力等；影响 了全球生物地球化学循环、水分循环、能量交换、土壤质量和大气中温室气体 的含量，改变了区域大气化学性质及过程，对局地、区域及全球气候环境都产 生了广泛而深远的影响。因此，土地利用土地覆被变化研究成为了全球环境研 究的热点和前沿问题，备受瞩目。 土地利用土地覆被变化对流域水文环境、水文过程、水文通量、水量平衡、 水文化学以及流域生态系统都会产生十分重要的影响【”】。土地利用与植被变化 一方面影响流域的蒸散发性能，另一方面通过土地覆被类型及程度的改变显著 影响地表径流的产生，影响土壤的入渗特征，进而影响流域地下水形成，从而 使流域产汇流量与过程发生改变。因此，土地利用变化如造林或毁林、森林火 灾、城市化等对水文动态变化的影响已成为全球l u c c 研究的热点。 此外，2 0 0 5 年，数字技术的中国陆域分布式水文模型、黄河三花间分布式 水文模型预报系统等项目的实施，为本文的思路提供了验证平台及资料等方面 的支持。 基于l u c c 研究、g r e e n - a m p t 模型的学习以及实际研究条件，本文立足国 际前沿，紧扣国家和区域可持续发展的目标，针对学科研究的不足和区域发展 第一章绪论 存在的问题，将土地利用土地覆被变化研究同流域水文过程相联系。以黄河三 花间流域伊洛河水系典型子流域作为研究区域，以多年降雨径流观测资料为基 础，以g i s 技术和遥感信息为支撑，建立考虑土地覆被的分布式模型，模拟降 雨径流关系，通过同流域同气候条件下不同土地覆被之间的比较研究，分析不 同土地利用时期流域水文动态变化规律。 本研究以期通过利用考虑土地覆被的分布式模型研究伊洛河流域典型支流 土地覆被变化对降雨径流关系的影响，为暴雨洪水预报，为认识土地利用变化 对水资源的影响，为揭示l u c c 的环境效应，并为今后该地区土地利用规划、 管理和生态恢复提供依据。 1 2 主要研究内容 本文将土地利用土地覆被变化研究同流域水文过程相联系。以伊洛河流域 的栾川、卢氏子流域作为研究区域，建立考虑土地覆被的分布式模型，调试模 型参数，模拟降雨径流关系，通过同流域同气候条件下不同土地覆被之间的比 较研究，分析不同土地利用时期流域水文动态变化规律，重点研究土地利用变 化对次洪径流的影响规律。 本文主要开展了以下四部分的工作： 概述流域分布式水文模型的发展，总结g r e e n - a m p t 入渗模型的发展及 土地利用土地覆被变化水文效应的研究方法及研究成果。为论文的研究方法及 预期成果定位。 通过大量的资料调查分析，全面了解研究区的基本情况，包括地理位 置和自然环境概况，研究时段内的土地利用土地覆被变化。根据长序列分析法， 对包括年蒸发量变化、年降水量变化、年径流量变化及年产沙量变化在内的流 域年水文特性和流域次洪特性进行定量分析，了解研究区在研究时段内各个方 面的变动情况；同时定性分析各种变化的相互关系。 构建考虑土地覆被的分布式模型。采用以d e m 信息与实际河流主干 河道信息为综合数据源的复合信息提取流域特征法提取了研究区的流域特征信 息。在阅读大量相关英文资料的基础上，从g r e e n - a m p t 入渗模型的基本假定分 析入手，系统地介绍了g r e e n a m p t 模型的物理机制、方程推导及模型参数。重 河海大学硕士论文伊洛河流域土地覆被变化水文效应的研究 点介绍了论文所用的考虑土地覆被的分布式模型的构建及计算方法，并将分布 式模型应用于次洪模拟。 流域土地覆被变化水文效应的研究。在分析影响因子与径流量相关关 系的基础上建立情景模型。采用流域水文模拟法，运用考虑土地覆被的分布式 模型模拟各种情景下的降雨径流关系，研究土地覆被变化的水文效应。主要研 究土地利用变化对次洪径流的影响规律。 1 3 国内外研究动态 1 3 1 分布式水文模型的发展 分布式水文模型是近2 0 年来水文建模领域的热点。由于传统的流域水文模型 本身所具有的局限性，同时随着2 0 世纪8 0 年代以来，计算机、地理信息系统、数 字高程模型和遥感技术的迅速发展，为分布式水文模型的发展铺平了技术道路： 流域对自然和人为因素的响应研究以及流域管理决策人员的需求，极大地推动了 分布式水文模型的发展。 1 9 6 9 年，f r e e z e 和h a d a n 发表了一篇名为一个具有物理基础数值模拟的水 文响应模型的蓝图的文章，第一次提出了关于分布式水文模型的概念鹕1 ，分布 式模型开始得到快速发展。随后，h e w l e t t 和t r o c n a l e 在1 9 7 5 年提出了森林流域的 变源面积模拟模型( 简称v s a s ) ，在该模型中，地下径流被分层模拟，在坡面 上的地表径流被分块模拟。 1 9 7 9 年，另一个以变源产流为基础的模型t o p m o d e l ( t o p g r a p h yb 鼬e d h y d r o l o g i c a lm o d e l ) 由b e v e n h 和k i r b b y 提出1 9 l 。该模型基于d e m 推求地形指数 l n ( 彬m n l 3 ) ，并利用地形指数来反映下垫面的空间变化对流域水文循环过程的 影响，模型的参数具有物理意义，能用于无资料流域的产汇流计算。但该模型并 未考虑降水、蒸发等因素的空间分布对流域产汇流的影响，因此，它不是严格意 义上的分布式水文模型。1 9 9 2 年，f a m i g l i e t f i 等【”1 将修改的t o p m o d e l 和一个表 面能量平衡模型耦合在一起，用来计算整个流域范围内的蒸散发空间变化。 8 0 年代到9 0 年代由丹麦、法国及英国三个欧洲机构提出的s h e 模型( s y s t e m h y d r o l o g i ce u r o p e a n ) t “。2 1 被认为是最早的全分布式水文模型的代表，是一个真正 意义上的具有物理基础的分布式水文模型。s h e 模型考虑了截留、下渗、土壤蓄 第一章绪论 算应用研究的学者相继还有：c h i l d s 和b y b o r d i ( 1 9 6 9 ) f 4 5 】、f o k ( 1 9 7 0 ) 4 6 1 、 m o o r e ( 1 9 8 1 ) 4 7 。尤其在1 9 8 8 年，f l e r e h i n g e r 等【4 8 】发展了基于g r e e n a m p t 模型的垂向非均质土壤的下渗模型g a l a y e r ( t h eg r e e n - a m p tm o d e lf o r l a y e r e ds y s t e m s ) 。 1 9 7 3 年，m e i n 和l a r s o n l + 9 1 将其推广应用到稳定降雨入渗情况。其改进的 主要思想是将整个过程假设为从一开始就是积水入渗，这样该入渗曲线在积水 后部分相对于实际入渗曲线将向左平移f ，- t + 。将这条曲线向右平移f ，- t ，再 加上积水前的入渗强度等于降雨强度的关系，就得到真实的入渗过程。( ，表示 假设由t - - - - 0 开始积水，。表示实际积水的时间) 。 1 9 7 4 年，s w a r t z e n d r u b c r 5 0 发展了无积水情况下的恒定流g r e e n - a m p t 模型 g a c o n s t ( t h ec o n s t a n t f l u xg r e e n - a m p tm o d e l ) 。 1 9 7 6 年，l i 等5 1 1 提出了隐式表达的相同初始含水量、均质土壤的 g r e e n - a m p t 模型。 1 9 7 8 年c h u 【5 2 1 又将改进的g r e e n - a m p t 模型推广应用于自然变雨强的降雨 入渗过程，使其可应用于不均匀降雨的入渗计算，从而大大拓展了早期 g r e e n a m p t 模型的应用范围，成为模拟坡面降雨入渗、产流过程常用的手段。 1 9 9 4 年，s a l v u c c i 和e n t e k h a b i t 5 3 1 将隐式表达的相同初始含水量的均质土壤 的g r e e n a m p t 模型改进为四点显式逼近的计算表达式，称为g a e x p ( t h e e x p l i c i t g r e e n - a m p t m o d e l ) ，其计算结果与隐式g r e e n - a m p t 模型相比，只有2 的误差。 在水文模型方面，g r g c n - a m i p t 入渗模型受到广泛重视。g r e e n - a m p t 入渗模 型应用于w a t f l o o d 、c l a s s 及它们的子模型w a t c l a s s 模型的土壤水下渗 计算。在分布式水文模型h m s ( b y d r o l o g i cm o d e ls y s t e m ) 【圳中，g r e e n a m p t 用于洪水模拟。在半分布式水文模型t o p m o d e l 及其衍生模型o b j t o p ( a s e m i - d i s t r i b u t e do b j e c to r i e n t e dt o p o g r a h i cb a s e dr a i n f a l l - r u n o f fh y d r o l o g i c a l m o d e l ) 中，用g r e e n a m p t 入渗模型进行超渗产流计算1 5 5 】。 在实际运用方面，g r e e n - a m p t 入渗模型有着广泛的应用。在欧洲的水文土 壤侵蚀模型l 1 s e m 模型( 1 9 9 6 ) 【”】和美国的非点源模型c r e a m s ( 1 9 7 9 ) 及 新一代土壤侵蚀预测模型w e p p ( w a t e re r o s i o np r e d i c t i o np r o j e c t ) 5 7 1 中均有应 河海大学硕士论文伊洛河流域土地覆被变化水文效应的研究 用。2 0 0 4 年，美国加州大学h l o a i e i g a 教授和俄罗斯科学院i s z e k t s e r 教授芦8 】 将g r c e n - a m p t 入渗分析方法用于确定湿地积水和疏干的过程。该分析方法考虑 了降雨补给的变化、蒸发和蓄水，对于湿地形成、再存储和确定潜在的地下水 补给十分有用。 在我国，g r e e n - a m p t 入渗模型的研究起步较晚。但众多学者进行了大量的 实验，针对实际情况对g r e 2 n - a m p t 入渗模型进行了延伸拓展。 在应用较为广泛的g r e e n - a m p t 入渗方程、p h i l i p 入渗方程和h o r t o n 入渗方 程的基础上，国内学者针对各地的实际情况，又提出了若干入渗产流模型。如 包为民等【5 明根据蓄满产流和超渗产流的产流机制，结合流域产流的实际情况， 提出了混合产流模型。郝振纯唧】在饱和入渗理论的基础上，考虑新入渗雨水驱 替旧土壤水分的作用，根据力学原理提出了一个简明入渗模型。 1 9 9 8 年，王文焰等【6 ”根据黄土地区清水条件下的间歇入渗实验，得出间歇 供水条件下的g r c e n - a m p t 模型。1 9 9 9 年，王全九1 6 2 1 根据g r e e n a m p t 入渗模型， 推求了有效动能与土壤饱和导水率间关系。为进一步研究土壤溶质随地表径流 迁移提供了指导。同年，王文焰等【6 3 l 对现有的g r c e n - a m p t 入渗模式进行改进， 将泥沙沉积对入渗的影响归结为对湿润锋平均吸力的影响，利用现有清水入渗 模式来计算浑水入渗过程。 2 0 0 1 年，韩用德哗】通过实测灌水入渗过程的模拟，认为g r e e n a m p t 模型 计算的入渗时土壤水分剖面与水流连续方程的计算结果存在较大差别，但这种 差别经过再分布后逐渐消失。在作较长时段的土壤水分动态模拟时利用 g r e e n a m p t 模型模拟入渗过程是适用的，特别是在已知入渗总量而未知入渗强 度过程的情况下具有优越性。符素华等1 6 5 墟立的北京山区小流域土壤侵蚀模型 中，将c h u 修正的m e i n - l a r s o n - g r e e n - a m p t ( g a m l ) 入渗模型运用于有降雨过 程资料时进行径流计算；比较得出g r e e n - a m p t 入渗方程、p h i l l i p 入渗方程和 h o r t o n 入渗方程这三种径流计算方法中断】，h o r t o n 入渗方程的计算结果最差， 与c l a u s n i t z e r 等吲的研究结果一致。陈力等采用运动波理论和二次改进后的 g r e e n a m p t 入渗模型建立了坡面降雨入渗产流的动力学模型，并得到了实验资 料的良好验证。 2 0 0 2 年，王全九等 6 9 】对比分析了具有明确物理意义的p h i l i p 入渗模型和 第一章绪论 g r e e n - a m p t 入渗模型，建立了两模型参数间的内在关系；发现g r e e n - a m p t 入 渗模型较之p h i l i p 入渗模型，对参数精度要求较低。同年，汪志荣等1 7 根据不 同温度条件下的入渗资料，分析了g r e e n - a m p t 公式在温度场中的适用性，认为 g r e e n - a m p t 公式适用于温度场影响下的土壤水分运动。 2 0 0 3 年，张士林川利用g r e e n n m p t 入渗模型提出了考虑气压势的入渗率 公式，得出了在恒定的降雨强度下的实际入渗关系式；并与控制坡面流的一维 圣维南不稳定流方程组结合，得到了干土坡在大降雨强度下的入渗及坡面径流 的数值模拟。王文焰等7 2 1 根据黄土积水入渗的土壤水分剖面变化特征，仅将饱 和层与传导层统一视为饱和区，而将非饱和湿润层的含水量变化视为施加于饱 和区的吸力势，推导出适用于黄土区的g r e e n - a m p t 入渗模型。经甘肃秦王川地 区实测资料的检验，表明模型具有较好的吻合性。 2 0 0 4 年，王红闪掣7 3 1 在分析p h i l i p 入渗模型和g r e e n - a m p t 入渗模型的基 础上，建立了两模型参数间的转化关系，并尝试用p h i l i p 模型参数间接推求 g r e e n - a m p t 模型中的参数s ，。向华等 7 4 1 将复杂地表条件对坡面流运动的影响 概化为阻力的变化，运用运动波理论和修正的g r e e n - a m p t 入渗模型，建立了能 够反映地表条件影响的坡面降雨入渗产流模型，数值结果与实验符合较好。 1 3 3 土地利用土地覆被变化水文效应研究综述 - 1 3 3 1 土地利用与土地覆被的内涵 国际地圈一生物圈计划( i g b p ) 和全球环境变化中的人文领域计划( h d p ) 于 1 9 9 5 年联合提出“土地利用土地覆被变化”，该研究计划的根本出发点是通过 对人类驱动力土地利用土地覆被变化全球变化环境反应之间相互作用 机制的认识，从而预测土地利用= k 地覆被变化，进而评估生态环境变化【5 】。 土地利用是指“人类为获取所需要的产品或服务而进行的对土地的利用活 动，1 5 1 ，即土地的使用状况或土地的社会、经济属性：土地覆被是指“地球陆 地表面和近地面层的自然状态，包括生物群落、土壤、地形、地表水、地下水 及人文结构”即地球表层的自然属性和生物物理属性，它具有特定的时间 和空间属性，其形态和状态可在多种时空尺度上变化。 土地利用与土地覆被是既有区别又有联系的两个概念，它们构成了土地的 9 河海大学硕士论文伊洛河流域土地疆被变化水文效应的研究 两种属性( 双重属性) 。土地利用指的是土地的利用目的、产品的性质、规模与 精细程度；而土地覆被指的是土地的内在属性，包括地表物质组成和植被等。 比如，农业、林业、牧业和城市发展等人类对与土地有关的自然资源的利用活 动属于土地利用的范畴，而耕地、林地、草地、公路、建筑及土壤、冰雪和水 体属于土地覆被的范畴。 土地利用变化通常会导致土地覆被状况的变化，这种变化主要有两种类型： 渐变( m o d i f i c a t i o n ) 和转换( c o n v e r s i o n ) 1 7 ”。渐变是指同一种土地覆被类型内部条件 的变化，如对森林进行疏伐，或农田施肥等；转换则是指一种覆被类型转变为另 一种覆被类型，如森林变为农田或草地等。此外，维护( m a i n t e n a n c e ) ，即让土地 覆被保持一定的状态，也是人类活动影响土地覆被的一种形式。 1 3 3 2 流域土地利用土地覆被变化的水文效应 土地利用：e 地覆被变化的重要环境效应之一是以水文效应出现的。l u c c 代 表了一种人为的“系统干扰”，是直接或间接影响水文过程的第二个主要边界条 件【7 6 1 。l u c c 对水文( 地表水和地下水) 过程的影响主要表现在对水分循环和对 水质水量的改变作用上【7 7 1 。土地利用，土地覆被变化改变了地表蒸发、土壤水分 状况及土地覆被的截留量等，进而对流域的水量平衡产生影响【7 ”。人类耕作和定 居引起的土地覆被的变化造成了世界性的水污染；森林覆盖率不断下降，不仅破 坏了森林巨大的截持降雨和涵养水源的能力，改变了区域水分循环系统，而且还 有可能使下游洪水泛滥的频率和强度不断增加。 土地利用导致土地覆被变化，变化的土地覆被状况与近地表面的蒸散发、 截留、填洼、下渗等水文要素及产汇流过程密切相关【3 “。降雨初期，除了小部 分的降雨直接落到河槽水面上外，大部分降雨落到了流域表面上。落到流域表 面上的降雨，在满足了蒸散发、植物截留、填洼和下渗之后，才能产生地表径 流。产流的方式是流域气候与下垫面条件综合作用的结果。蓄满产流多发生在 湿润、潜水位较高、包气带较薄、下渗强度大的流域，产流量决定于降雨量的 大小。超渗产流多发生在干旱、潜水位较低、包气带较厚、下渗能力较小的流 域，产流量决定于降雨强度，与雨量大小无关。但是，湿润地区久旱初雨时， 可能发生超渗产流；干旱地区的多雨季节，或干旱地区的山区，土层较薄、植 被良好、下渗能力强，也可能发生蓄满产流。下渗到土壤中的水，一部分沿坡 i o 第一章绪论 地土层侧向流动，形成壤中流；一部分做垂向运动，到达地下水面，以地下水 的形式沿坡地土层汇入河槽形成地下径流。之后，各部分径流到达河网汇入河 道的过程，称为河道汇流过程口9 叫。 此外，土地利用，土地覆被的变化影响了水分在流域中的再分配规律，改变 了其运行过程。l u c c 决定了下垫面的特征，在产流过程中影响了拦截速率、 渗透和土壤水的再分布过程，特别是饱和水力传导度受到植物根系和气孔的影 响很大；在汇流过程中影响地表的粗糙程度、地表容蓄水量和行洪路径；还通 过改变湖泊、水库的调蓄容量、改变水系微结构等影响流域的蓄泄洪能力【3 引。 土地利用，土地覆被变化对流域水循环、水平衡及极端水文事件( 如洪水、干旱 等) 的影响早己引起了人们的重视，特别是对流域内森林植被变化所引起的一 系列问题研究较多。 国内外学者对l u c c 对年径流量、洪水过程的影响进行了大量的研究，得 出各自不同的结论。 1 3 3 3 流域土地利用土地覆被变化研究方法及进展 土地利用t 地覆被变化在流域内水文效应的研究方法有多种。归纳起来， 主要有三类：水量平衡法、试验流域比较法、流域水文模拟法。 水量平衡法的基本原理是利用水量平衡方程，分析各要素受土地利用，土地 覆被变化影响后的差异及其变化。该法概念清晰，可逐项评价人类活动的影响嘉， 且能与用水量分析有机地结合在一起。但该法所需资料多，工作量大。 试验流域比较法包括：控制流域法、单独流域法、平行流域法等。控制流 域法，选择两个条件( 面积、形态、地质、气候、植被) 基本相同的流域共同观 察一段时期，这段时期称为校正期( 一般3 5 年。最好包括丰水年和枯水年) 。 在校正期后，改变其中一个流域的土地利用土地覆被类型( 如采用造林、伐木 的处理) ，保持另一个流域的土地利用土地覆被状况并作为“参照”流域。经 过段时间的观测，对两个流域的径流变化进行比较，从而确定土地利用，土地 覆被变化对径流的影响。单独流域法，选择土地覆被变化很小的流域分析不同 时期由于气候波动造成的水文变化；选择两个时期气候条件基本相同而土地利 用土地覆被有较大变化的流域分析流域土地利用变化的水文效应。此种方法主 要利用流域长时间的径流观测资料进行统计分析比较得出结果。一般采用趋势 河海大学硕士论文伊洛河流域土地覆被变化水文效应的研究 法和相关分析两种方法。平行流域法，选择两个气候、地形地貌等条件基本相 同而土地利用，土地覆被不同的流域，分析由于流域间土地利用，土地覆被差异所 造成的水文差异。试验流域比较法把土地利用土地覆被变化水文效应的评估带 入科学的途径，但这种方法也有其局限性。试验流域研究通常在小流域进行， 研究周期长，可对比性差，找两个地理和气象条件完全相同的流域是不可能的， 即使是同一个流域前后对比的两个标准期里，流域的各种条件也不会相同，各 项指标测量方法的可靠性以及测量的精度和误差都有可能影响最终的结论。 流域水文模型的发展为分析土地利用土地覆被变化水文效应提供了一个 有效的手段。流域水文模拟法基于对水文现象的认识，分析其成因及各要素之 间的关系，以数学方法建立水文模型来模拟流域水文变化过程。一方面用土地 利用仕地覆被变化前的资料率定模型中的参数，再对率定的参数进行检验，然 后用率定的模型来推求变化后自然状况下的径流过程，并与实测资料进行对比， 以此来鉴别土地利用土地覆被变化对径流的影响；另方面，也可改变模型中 对下垫面条件变化较敏感的参数，逐年拟合土地利用仕地覆被变化后的资料， 并分析该参数的变化规律，用以预测未来的水文趋势。 o n s t a d 和j a m i e s o n s l 于1 9 7 0 年最先尝试利用水文模型模拟土地利用变化 对径流影响。他们用敏感分析的方法来说明水文变化对各种土地利用变化与经 营措施的响应，但是他们没有足够的数据来验证模型对土地利用变化的响应情 况。水文模型种类很多，大致分为经验模型、集总式模型和空间分布式模型。 经验模型的计算过程无明确的物理法则，在l u c c 水文效应研究中应用很少。 集总式模型适用于土地利用土地覆被类型比较单一的小尺度流域，例如 h u n d e c h a 和b a r d o s s y 8 2 1 应用h b v 模型对莱茵河9 5 个小流域的各种土地利用覆 被情景下的水文响应进行模拟。基于物理基础的分布式( 半分布式) 模型在解 释和预测土地利用变化的影响上有着重要的应用，如模拟山区森林流域土地覆 被变化对水文影响的地形指数模型t o p m o d e l 9 1 ，研究长时期宏观尺度( 或大 中尺度) 流域l u c c 水文效应的v i c 模型 1 5 - 1 6 l 。 第二章研究区资料统计分析 第二章研究区资料统计分析 本章通过大量的资料调查分析，全面了解研究区的基本情况，包括地理位 置和自然环境概况：研究时段内的土地利用_ - k 地覆被变化。根据长序列分析法， 对包括年蒸发量变化、年降水量变化、年径流量变化及年产沙量变化在内的流 域年水文特性和次洪特性进行定量分析，了解研究区在研究时段内各个方面的 变动情况：同时定性分析各种变化的相互关系。 2 1 研究区概况 2 1 1地理位置 论文以黄河三花问( 三门峡一花园口区间) 流域伊洛河水系洛河支流的卢氏 子流域及伊河支流的栾川子流域为研究对象。 三花间位于豫、晋、陕三省边界，约在东经11 0 。l1 4 。、北纬3 4 0 3 7 0 之间， 流域内除黄河干流外，还包括洛河、伊河和沁河三条主要支流。 图2 1 伊洛河流域图 伊洛河流域( 见图2 1 ) 位于东经1 0 9 5 0 1 1 3 0 0 、北纬3 3 5 0 3 5 0 0 区域之 间。伊洛河在偃师顾县乡杨村以上分为南北两支：北支为洛河，发源于陕西省 蓝田县灞源乡；南支为伊河，发源于河南省栾川县陶湾乡三合村的闷墩岭。洛 河在杨