了得網工業技術_塔裡木河下遊河岸生態水文演化模型

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《塔裡木河下遊河岸生態水文演化模型》供從事生態水文、生態治理、流域管理等工作的專業技術人員參考，也可以作為生態水文等專業本科生和研究生的參考教材。9787030430007

內容簡介

《塔裡木河下遊河岸生態水文演化模型》以干旱區河岸生態水文演化模型為中心，介紹了生態水文模型的發展，闡述了塔裡木河下遊河岸植被生態水文演化模型的原理和結構，以及模型應用的方法，把模型用於分析塔裡木河下遊英蘇斷面和阿拉干斷面，分析了生態輸水的生態水文效應。從參數敏感性分析、繫統穩定態、植被數據的質量、生長期的影響、雙物種的模型等方面分析了該模型的基本特性。針對生態水文繫統中可能存在的多重定態現像及其原因，構建了概念性流域生態水文模型，分析了多重定態現像出現的原因和現實意義。

作者簡介

目錄
第1章緒論 1
1.1研究背景 1
1.2水文模型的研究進展 5
1.3生態水文優化模型的研究進展 9
1.4生態水文演化方程和模型的研究進展 11
1. 4.1 生態水文學中的種群數量演化方程研究進展 l1
1.4.2 生態水文演化模型的研究進展 20
1.5流域生態水文學中的非線性動力學研究 23
1.5.1 非線性動力學的基本概念 23
1.5.2 生態水文學中非線性動力學的研究進展 25
1.6小結 29
第2章塔裡木河下遊河岸植被生態水文演化模型 31
2.1模型的框架 32目錄

第1章緒論 1

1.1研究背景 1

1.2水文模型的研究進展 5

1.3生態水文優化模型的研究進展 9

1.4生態水文演化方程和模型的研究進展 11

1. 4.1 生態水文學中的種群數量演化方程研究進展 l1

1.4.2 生態水文演化模型的研究進展 20

1.5流域生態水文學中的非線性動力學研究 23

1.5.1 非線性動力學的基本概念 23

1.5.2 生態水文學中非線性動力學的研究進展 25

1.6小結 29

第2章塔裡木河下遊河岸植被生態水文演化模型 31

2.1模型的框架 32

2.2模型的控制性方程 32

0 0 1 地下水運動 33

2.2.2裸土蒸發 33

2.2.3 植被蒸散發 33

2.2.4植被生長 34

2.2.5 植被死亡 35

2.3模型基礎數據和模型參數的確定方法 35

2.4模型的邊界條件 38

2.5模型的初始條件 39

2.6模型的數值計算 39

2.7小結 40

第3章塔裡木河下遊河岸植被生態水文演化模型的應用 41

3.1模型在塔裡木河英蘇的應用 42

3.1.1 地形地質數據 43

3.1.2 氣像數據 43

3.1.3 河道輸水數據 44

3.1.4植被數據 45

3.1.5 模型參數的確定. 47

3.1.6 模型的初始條件和邊界條件 48

3.1.7地下水位的模擬結果. 49

3.1.8植被覆蓋度的模擬結果 54

3.1.9討論 58

3.2英蘇生態輸水效果的情景分析 59

3.2.1 生態輸水情景的設置. 60

3.2.2周期輸水情景的生態水文效果分析. 61

3.2.3 自動輸水情景的生態水文效果分析. 65

3.2.4合理生態輸水方式的討論 68

3.3模型在塔裡木河阿拉干的應用 71

3.3.1 模型的基礎數據. 71

3.3.2模型參數的確定. 72

3.3.3 模型的初始條件和邊界條件 73

3.3.4地下水位的模擬結果. 74

3.3.5 植被覆蓋度的模擬結果 77

3.4小結 80

4章塔裡木河下遊河岸植被生態水文演化模型的特性分析~82

1.1塔裡木河下遊河岸植被生態水文演化模型的參數敏感性分析82

4.1.1 參數敏感性分析的方法 82

4.1.2 參數敏感性分析的結果 83

1.2英蘇生態水文繫統穩定態的全局收斂性分析 86

4. 2.1初始條件的設置. 87

4.2.2邊界條件的設置. 87

4.2.3全局收斂性的分析. 88

1.3 NDVI數據的質量控制. 91

4.3.1 NDVI數據的質量控制字段 91

4.3.2 實施質量控制的NDVI數據和植被覆蓋度 92

4.4植被生長期與非生長期的區別模擬的探討 95

4.4.1 塔裡木河下遊的氣像條件和植被. 95

4.4.2 區分植被生長期和非生長期的模型構建 96

4.4.3 區分植被生長期和非生長期的模型在英蘇的參數設置96

4.4.4 區分植被生長期和非生長期的模型在英蘇的模擬 97

4.5雙物種塔裡木河下遊河岸植被生態水文演化模型的探討 101

4. 5.1 雙物種塔裡木河下遊河岸植被生態水文演化模型的構建101

4.5.2模型在英蘇的參數設置. 103

4.5.3 模型在英蘇的應用 104

4.6小結 109

第5章流域生態水文繫統出現多重定態的參數條件 112

5.1概念性流域生態水文模型的構建 113

5.2模型的邊界條件. 115

5.3生態水文繫統長期演化中的多重定態 117

5.4植被覆蓋度動力學方程性質的探討 121

5.5小結 125

第6章總結與展望. 127

6.1主要研究成果. 127

6.2主要刨新點. 131

6.3展望 132

參考文獻 134

前言

媒體評論

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第1章緒論
流域是水文學的基本研究對像，流域的下墊面條件包括地質?地貌?地形?土壤和植被等，其物理特征(如地形指數?土壤孔隙度?飽和導水率?植被覆蓋度等)是流域水文模型中的基本參數?當前流域水文模擬的方法往往是先根據資料和經驗確定模型中的一部分參數，然後用人工調參或自動優化的方法在率定期內進行評價指標的優化，確定模型的其餘參數?通過驗證期驗證的模型可以用於水文過程?水資源管理等領域的研究，包括對未來水循環過程和水資源時空分布的預測?
1.1研究背景
當前的流域水文模擬往往有一個隱含的前提假設——“穩態流域”假設，即認為流域下墊面是穩定不變的，至少在沒有大規模人類活動(如砍伐森林?植樹造林?農業活動?城市化等)的條件下是穩定不變的?“穩態流域”假設具體是指，流域的地質?地形和地貌條件是不變的，土壤類型和特性是不變的，植被條件往往也是不變的或者平穩變化的(按照平穩的方式以年為周期進行循環變化，在多年的尺度上可以認為是“穩態”的)?也有學者在評價下墊面變化對水資源影響時考慮到繫統的改變，但隻是在模型參數率定的基礎上根據下墊面變化的歷史資料，經驗性地改變某些參數?在這裡，流域發生的變化是“突變”，足外界突然強加的，不是繫統自身在外界作用下逐步演化的結果，流域在“突變”之後依然“停滯”，所以本質上依然是“穩態流域”?
實際上，流域往往處於動態演化的過程中?自然界的水循環動力繫統是多個獨立動力過程復雜平衡的結果，這些動力過程組成了一個相互協作的動力過程網絡(Kumar，2007)?而全球水循環繫統是由多個互相聯繫的循環過程構成的大繫統，這些循環過程包括了地球繫統的多種物理過程和生態過程，並受到人類活動的影響?流域內的水文?生態?地貌?土壤等動力過程則是全球水循環的一部分，以降水?蒸發?流域出口流量和二氧化碳同化等通量構成了流域繫統與外界的聯繫?流域生態水文繫統內的主要生態水文過程如圖1.1所示?在流域生態水文繫統內，山坡和河道上的主導性生態水文過程不同，空間尺度特征存在顯著差異，所以一般把流域分為，即和?第1章緒論

流域是水文學的基本研究對像，流域的下墊面條件包括地質?地貌?地形?土壤和植被等，其物理特征(如地形指數?土壤孔隙度?飽和導水率?植被覆蓋度等)是流域水文模型中的基本參數?當前流域水文模擬的方法往往是先根據資料和經驗確定模型中的一部分參數，然後用人工調參或自動優化的方法在率定期內進行評價指標的優化，確定模型的其餘參數?通過驗證期驗證的模型可以用於水文過程?水資源管理等領域的研究，包括對未來水循環過程和水資源時空分布的預測?

1.1研究背景

當前的流域水文模擬往往有一個隱含的前提假設——“穩態流域”假設，即認為流域下墊面是穩定不變的，至少在沒有大規模人類活動(如砍伐森林?植樹造林?農業活動?城市化等)的條件下是穩定不變的?“穩態流域”假設具體是指，流域的地質?地形和地貌條件是不變的，土壤類型和特性是不變的，植被條件往往也是不變的或者平穩變化的(按照平穩的方式以年為周期進行循環變化，在多年的尺度上可以認為是“穩態”的)?也有學者在評價下墊面變化對水資源影響時考慮到繫統的改變，但隻是在模型參數率定的基礎上根據下墊面變化的歷史資料，經驗性地改變某些參數?在這裡，流域發生的變化是“突變”，足外界突然強加的，不是繫統自身在外界作用下逐步演化的結果，流域在“突變”之後依然“停滯”，所以本質上依然是“穩態流域”?

實際上，流域往往處於動態演化的過程中?自然界的水循環動力繫統是多個獨立動力過程復雜平衡的結果，這些動力過程組成了一個相互協作的動力過程網絡(Kumar，2007)?而全球水循環繫統是由多個互相聯繫的循環過程構成的大繫統，這些循環過程包括了地球繫統的多種物理過程和生態過程，並受到人類活動的影響?流域內的水文?生態?地貌?土壤等動力過程則是全球水循環的一部分，以降水?蒸發?流域出口流量和二氧化碳同化等通量構成了流域繫統與外界的聯繫?流域生態水文繫統內的主要生態水文過程如圖1.1所示?在流域生態水文繫統內，山坡和河道上的主導性生態水文過程不同，空間尺度特征存在顯著差異，所以一般把流域分為，即和?

在上，主要水文過程包括降水?植被截留?地表填窪?蒸散發?入滲?地表產流?壤中流和地下徑流等?植被參數在植被截留和蒸散發過程中具有重要的作用?植被的截留能力和植被的長勢密切相關，一般用葉面積指數(leafarea index，LAI)進行描述，截留能力越大，降雨的前期損失越大，從而將減小地表產流?在蒸散發過程中，植被覆蓋區域的蒸散發包括植被蒸騰和植被下土壤蒸發?由於蒸散發顯著大於裸土蒸發，隨著植被覆蓋度(vegetation coverage)的增大，流域的蒸散發損失的水分將增大，但是由於植被的遮陰作用，表層土壤的含水率可能會大於裸土區域?葉面積指數和植被覆蓋度是水文模型中描述植被特征的重要參數，一般使用遙感數據反演得到( Carlson et a1.，1997)?但是遙感數據的時間序列一般較短，且不是所有流域的遙感數據都有很好的時間和空間分辨率，在水文模擬中經常存在代替和插補?例如，用某一年的數據代替整個模擬期的植被數據，用現在的數據代替將來的植被數據，這些代替都暗含了植被分布和長勢穩定不變的假設，即“穩態流域”假設?忽視了以植被為代表的生態過程和水文過程的耦合和演化，是水文模擬和預報中不確定性的重要來源，特別是氣候變化條件下的水文預報?

在上，主要的水文過程包括河道彙流和河道演進，同時也存在降水和蒸發?在河道洪水演進計算中，河道斷面形狀和縱坡是重要的地形參數?但是在多沙河流，河道斷面形狀和縱坡隨著泥沙的衝刷和淤積會發生較大的改變，水文模擬中大多還是假定河道斷面形狀和縱坡不隨時間變化?因此，固定不變的河道斷面形狀和縱坡參數在多沙河流的水文模擬中成為水文模擬和預報不確定性的來源?

“穩態流域”假設在環境條件基本穩定的情況下是合理的，可以簡化水文模型，對於較短時間的預測是有價值的?但在當前全球氣候變化日益顯著?人類活動日益加劇，從而流域下墊面演化相對迅速的條件下不薦具有合理性?例如，人類在干旱區大規模生態輸水改變了水文狀況，水文情勢的改變可以導致植被狀況發生快速演化，2000年開始的塔裡木河應急輸水就是生動的例子?現場調查顯示，塔裡木河英蘇斷面河岸植被的總覆蓋度經過五年的時間從27. 00%迅速恢復到了40. 66%(陳亞寧等，2006)，使植被蒸騰消耗的地下水逐年增加(高凡等，2010)，在這種條件下如果不考慮植被的動態演化將會帶來水文模擬和預測的較大誤差?

因此，在實際的流域綜合管理中，水文過程和生態過程耦合下的流域生態水文繫統演化趨勢成為亟須研究的重要問題?在北方干旱半干旱地區，由於受過度放牧?過度引水灌溉?亂砍濫伐等人類活動的影響，近年來沙漠綠洲急劇萎縮，水土流失嚴重，土地荒漠化加快，由此產生的生態環境問題受到了普遍關注，如黑河下遊的額濟納綠洲(張麗等，2003;王根緒等，2000)?由於生態環境問題的凸顯，荒漠化治理工作已經在北方展開，不適宜耕種的地區在國家的扶持下開展了“退耕還林” “退耕還草”等生態修復工作(孟林等，2003;朱自安等，2003)?在北方半干旱流域的特定水文地質條件和氣像條件下，植被的類型及其覆蓋度是否能夠維持當地的生態環境而穩定的存在，都成為需要解決的重要問題?在新疆維吾爾自治區沙漠綠洲灌區內部，由於大量引水灌溉造成局部地下水位太高，土壤鹽堿化問題突出，如何有效解決灌區鹽堿化問題?保護綠洲生態環境?保證綠洲灌區農業的可持續發展成為亟待解決的現實問題(陳小兵等，2007;董新光等，2005)?

在全球氣候變化的大背景下，降水量的變化趨勢則呈現出很強的區域特征?根據《氣候變化國家評估報告》的結果，近100年和近50年中國的年降水量變化趨勢不明顯，但是1956年以來出現了微弱增加的趨勢，未來20~100年，中國年降水量將呈現增加趨勢(丁一彙等，2006)?基於1951~2002年我國約730個氣像臺站的觀測數據，中國的年降水量變化呈現顯著的區域特征:華北?華中?東北南部地區持續下降;長江流域以南地區明顯增加;而新疆北部?東北北部和青藏高原西部20世紀60年代到70年代下降，80年代後期有所回升(王英等，2006)?雖然大範圍的氣像因素變化趨勢緩慢，但是局部的氣像因素可能呈現出較顯著的變化趨勢?Yu等(2006)利用植被土壤大氣碳交換模型(carbonexchange between vegetation，soil and the atmosphere，CEVSA)模擬顯示，由於氣候變化，21世紀末我國總植被覆蓋度相對基準值將增加19%，相對基準值森林增加8%，相對基準值沙漠和裸地將減少13%，與森林?荒漠?裸地相比，灌木和草地對氣候變化更加敏感?在全球氣候變化的背景下，年降水量的變化必然引起流域下墊面植被條件的改變，從而增加了水文預報的不確定性，使得忽視下墊面變化的流域水文模擬受到了挑戰?

“穩態流域”已經不復存在，流域繫統在外界作用下不斷發生演化，增加了對流域未來水文狀態預測的不確定性( Milly et a1.，2008)?要深入開展變化條件下流域水循環和水資源問題的研究，首先要回答這樣幾個科學問題:流域內部各種子繫統之間的相互作用和反饋將導致繫統如何演化?演化的動力學特性如何?由於流域繫統包括水文?生態?土壤?地質?地形和地貌等多個子繫統，各子繫統的演化速率也不同，所以該科學問題實際上包括一繫列復雜的多學科交叉問題?

流域內的生態過程和水文過程密切耦合，但是傳統水文模型把植被條件作為外部參數輸入?因此，對流域未來的水文過程進行預測時，植被條件不變的假設更是增加了水文預報的木確定性?本書把演化速度較快的生態過程與水文過程耦合建立生態水文模型，加深對生態水文繫統演化復雜性的理解，增強對生態和水文耦合下生態水文繫統演化的認識，推動單一水文模型的研究向流域多過程耦合模型研究的發展?

塔裡木河下遊地區是典型的內陸干旱區，針對這類干旱區的生態水文演化模型的研究具有重要的實踐價值和科學意義?在實踐價值方面，塔裡木河下遊形成了穿越塔克拉瑪干沙漠的綠色走廊，對於新疆地區的政治?經濟?交通和生態具有重大的戰略意義?但是，綠色走廊生態水文繫統十分脆弱，極易受到氣候變動和人類活動的影響，2000年以前綠色走廊面臨嚴重的植被退化問題，極易造成嚴重的生態災難?目前，塔裡木河綜合治理和生態修復工作正在試驗中展開?干旱區生態水文演化模型的研究可以為維持和恢復綠色走廊提供技術支撐，為生產實踐服務，其研究結果也可以擴展到黑河?石羊河等內陸河?在科學意義方面，干旱區河岸植被生長所需水分的來源就是河流側向滲漏形成的地下水，其主導性生態水文過程十分明確，生態和水文耦合關繫比較簡單?干旱區生態水文演化模型及其隱含的生態水文相互作用的基本假設，比較容易得到實測數據的驗證，從而可以推動生態水文學基本理論的發展?

流域是一個多過程耦合的復雜非線性繫鯇，內部子過程間存在大量的反饋關繫?但是，在水文科學的非線性研究中，對描述流域繫統的動力學方程的非線性特性分析極少?在合適的時間尺度和空間尺度上建立描述流域繫統的動力學方程組，對其非線性特征進行分析，將有助於從理論上認識流域繫統的非線性特征，促進水文科學的非線性研究?

1.2水文模型的研究進展

水文模型一般是指使用數學方法對流域內的水文過程進行模擬，是研究水文水資源等問題的重要工具?在水文過程的機理描述上，水文模型經歷了繫統模擬模型?概念性模型和物理性模型的發展過程，同時在空間信息的描述上，經歷了集總式模型和分布式模型的發展過程(楊大文等，2004)?由於集總式水文模型不能反映水文過程的物理機制?不能描述空間分布的不均勻性等自身缺陷，分布式水文模型的出現成為必然(芮孝芳等，2006)?

計算機軟硬件技術和遙感技術的發展決定性地推動了以Freeze等(1969) 提出的以“藍本”為基礎的分布式物理性水文模型的發展?國內外出現了很多分布式物理性水文模型(賈仰文等，2005a; Singh et a1.，2002)?國外學者開發的代表性水文模型有HBV( hydrologiska byrans vattenavdelning)( Bergstrom，1995)?IHDM(institute of hydrology distributed model) (Beven et al.，1987)?SHE(systeme hydrologique europeen) (Abbott et al.，1986)?TOPMODEI.( topographybased hydrological model) (Beven and Kirkby，1979)等?國內學者也開發了很多水文模型，黃平等(1997)建立了描述森林坡地飽和與非飽和帶水流運動規律的二維分布式水文模型，Yang等(2002，1998)依據流域的地貌特征建立了以山坡為的物理性分布式水文模型GBHM(geomorphology-basedhydrological model)，郭生練等(2000)建立了基於DEM的模擬小流域的降雨徑流時空變他過程分布式水文模型，李蘭等(2003)采用子流域劃分提出了變動生態產流模式的I}I?Ⅱ(lilanⅡ模型)分布式降雨徑流模型?分布式水文模型為了描述流域的空間變異性，采用不同的方式對流域進行離散，如子不規則三角網(王蕾等，2010)?規則網格(water and energy transferprocesses，WEP) (Jia et al.，2001)?(Yang et a1.，2002; Yang etal.，1998)?水文(soil and water assessment tool，SWAT) (Arnoldet a1.，1998)等?也有學者嘗試把集總式模型發展為分塊式模型，如分布

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