小兴安岭森林流域气候和覆被变化对河川径流的影响

论文摘要

在全球气候变化的背景下,人类活动加剧,频繁改变流域下垫面的时空分布,流域水文对气候和植被变化的响应已成为各领域研究热点问题。以我国重要的水源涵养林用材林基地——小兴安岭森林流域为对象,研究气候和覆被变化对流域径流影响的关键问题,对于小兴安岭地区森林的合理经营和水资源的永续利用以及为维护东北地区生态环境和生态平衡有着重要意义。本研究通过数理统计方法（主要为时间序列分析法、非参数检验法、统计回归分析法等）、准配对流域实验方法以及图形曲线方法（FDCs,Flow Duration Curves; DMCs,Double Mass Curves）,对小兴安岭森林流域（汤旺河、西南岔河、永翠河流域以及准配对育林沟和新林沟流域）1964～2006年（其中准配对流域为1973～2006年）径流深、气象要素（气温、降雨）变化趋势、流域覆被变化过程以及流域径流对气候和覆被变化的响应规律进行分析探讨,同时构建了不同流域径流和降雨量的回归模型,结合未来区域降雨变化情景,预测和分析流域径流对未来降雨变化的响应；最后,以西南岔河流域为例,基于DMCs曲线上显著突变点前的累积年径流深和累积年降雨量回归统计模型,对流域径流对气候和覆被变化响应进行模拟分析,定量评价出气候和覆被变化对西南岔河流域年径流深变化的贡献大小在小兴安岭森林流域中,流域年径流深变化趋势基本一致；年内径流深分布趋势都呈典型单峰型曲线,同时经流主要集中在夏、秋两季。汤旺河和永翠河流域年径流深呈现减少趋势,但趋势不显著；西南岔河流域年径流深却表现为增加趋势,但趋势也不显著；在准配对流域育林沟和新林沟流域中,新林沟表现为不显著的增加趋势,育林沟则呈现为下降的趋势,其下降趋势在Mann-Kendall检验中为不显著,但在斯波曼（Spearman）秩次相关检验中却与统计量|T|相等,说明面积较小的育林沟流域年径流深对于外界因素的干扰感应较为敏感,主要表现在春、冬两季径流的显著减少。在全球变化背景下,小兴安岭森林流域气候条件向着一个较暖时期过渡。各森林流域气温均呈现显著升高趋势,其中汤旺河流域1964～2006年多年平均气温为1.1℃,气温上升变化倾斜率为0.468℃/10a（p<0.0001）；西南岔河流域1964～2006年间多年平均气温为1.0℃,气温上升变化倾斜率为0.429℃/10a（P<0.0001）；永翠河流域1964～2006年间多年平均气温为1.1℃,气温显著变化趋势倾向率为0.468℃/10a （p<0.0001）。流域降雨在空间分布的差异性存在,其中汤旺河和永翠河流域1964～2006年间降雨表现为不显著的增加趋势（p=0.8929,p=0.5317）,而西南岔河流域以及育林沟和新林沟流域则呈现不显著的减少趋势（分别为p=0.8227、p=0.1515和p=0.1587）。小兴安岭森林流域径流与降雨量之间存在密切的相关性,而与气温相关性不显著。年平均气温和年降雨量对同期水文要素影响中,气温的影响作用小于降雨量,未来降雨的变化是小兴安岭森林流域水资源系统变化的关键因素。在区域未来降雨增值情景方案下,当降雨量增加20%时,汤旺河和西南岔河流域径流深增加变化率为40.81%、39.30%；永翠河和育林沟流域径流深增加变化率为32.23%、31.56%；新林沟流域仅为23.89%；流域下垫面特性以及流域本身受到外界干扰程度不同,流域径流对降雨的变化响应存在差异。小兴安岭森林流域覆被变化对流域径流变化有所差异。1976～2006年间,汤旺河流域森林覆被变化是在减少的,其有林地变化率为-6.85%。汤旺河流域森林覆被的减少变化减少了流域径流,多年累积年径流深平均减少232.643mm/3.65%。1973～2006年间,西南岔河流域有林地面积则呈现增加的趋势,增加范围为66.01%～88.48%：有林地面积的增加增加了流域累积年径流量,多年平均增加579.04mm/6.48%。1973-2006年间,育林沟流域有林地面积增加范围约为20%-85%,当育林沟流域有林地面积小于或等于对照流域时,流域径流大于对照流域；随着有林地面积的增加并超过对照流域,育林沟流域相对于新林沟流域的径流是在减少的。气候和覆被变化对小兴安岭森林流域径流影响贡献有所差异。1983～2006年期间,气候变化对西南岔河流域年径流深变化影响的贡献为11.55%/36.00mm,覆被变化贡献为11.04%/34.73mm,但气候变化对年径流深变化的影响为负作用,而覆被变化则为正向影响着流域年径流深变化。随着有林地面积的增加,覆被变化对年径流深变化的贡献大小却在减少。当有林地面积超过87%时,覆被变化对流域年径流深变化的影响为负值,而气候变化对流域年径流深变化的影响为正值。因此,对于区域森林合理经营以及水资源的可持续,在类似西南岔河流域的小兴安岭森林流域中,有林地面积应该控制在87%以下。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 森林流域水文研究进展
• 1.1.1 气候变化对水文的影响
• 1.1.2 森林植被变化对水文的影响
• 1.1.3 气候和植被变化对水文影响的定量估测
• 1.1.4 已有研究存在问题
• 1.2 本文研究的具体目标
• 1.3 本文研究的意义
• 2 研究地区概况
• 2.1 地理位置
• 2.2 气象水文
• 2.3 土壤
• 2.4 植被
• 2.5 小结
• 3 研究内容、方法及技术路线
• 3.1 研究内容
• 3.2 数据收集
• 3.3 研究方法及技术路线图
• 4 小兴安岭森林流域河川径流变化特征
• 4.1 引言
• 4.2 水文序列分析方法
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 汤旺河流域
• 4.3.2 西南岔河流域
• 4.3.3 准配对流域新林沟和育林沟流域
• 4.4 小结
• 5 小兴安岭森林流域气候变化对河川径流的影响
• 5.1 引言
• 5.2 方法
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 汤旺河流域气候变化特征
• 5.3.2 西南岔河流域气候变化特征
• 5.3.3 准配对流域育林沟和新林沟流域气候变化
• 5.3.4 气候变化对流域径流深的影响
• 5.3.5 未来降雨变化对小兴安岭森林流域径流的影响
• 5.4 小结
• 6 小兴安岭森林流域覆被变化对河川径流的影响
• 6.1 引言
• 6.2 方法
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 汤旺河流域森林流域覆被变化
• 6.3.2 西南岔河流域森林覆被变化
• 6.3.3 准配对流域新林沟和育林沟流域森林覆被变化
• 6.3.4 流域森林覆被变化对年径流深的影响
• 6.4 小结
• 7 气候和覆被变化对河川径流变化贡献率定量评价——以西南岔河流域为例
• 7.1 引言
• 7.2 方法
• 7.3 结果与分析
• 7.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢