考虑植被时空动态的流域分布式水沙模型研究及应用

The issue of soil erosion and sediment load of the watershed is one of the hot spots, which currently causes the global widespread attention. There is a close relation among vegetation dynamics, the water cycle and sediment yield. In this research, for the purpose of comprehensively evaluating soil erosion and river sediment yield affected by vegetation cover changes, a distributed soil erosion and sediment yield calculation model considering vegetation dynamics will be developed. This model could simulate vegetation dynamics, runoff process and river sediment load generation process reasonably. The model will be organized in the way that, under the framework of distributed hydrological model, the vegetation dynamic model and sediment yield model work as modules and are called by the essential hydrological model. After well validation, the developed model will be applied to evaluate the influence of atmospheric CO2 and climate change on sediment yield and predict the spatial and temporal variations of water resources and soil erosion in catchments under future climate change, CO2 emission and vegetation dynamics sceneries. As a multidisciplinary cross research topic, this study will promote better understanding of interactions among vegetation dynamics, climate change and sediment yield, and benefit comprehensive assessment of climate change and vegetation dynamics on water resources and sediment load in catchment.

流域土壤侵蚀和河流水沙模拟一直是国内外研究热点。植被动态与流域水循环和河流泥沙具有紧密的联系。本研究以在流域尺度上评估与预测变化环境下植被时空动态变化对土壤侵蚀与河流泥沙过程的影响为目标，构建考虑植被时空动态变化的流域分布式水文水沙模型，使之能够实现合理地模拟植被时空动态变化、径流和河流泥沙形成过程。在流域分布式水文模型的框架下，以调用植被过程和河流泥沙过程子模块的方式进行耦合。在对模型进行充分验证的基础上，采用为研究流域设计的未来气候变化和二氧化碳排放情景模式，模拟相应的未来植被时空动态变化情景，进一步评估流域水量水沙对未来植被动态变化的响应。本研究对于揭示流域尺度上不同环境条件下植被、气候与泥沙的相互作用关系，为未来的水资源规划与水土保持提供重要的科学依据，更加全面评价气候变化和植被变化对于流域水沙的影响有重要的理论和现实意义，是一个值得研究的多学科交叉的前沿课题。

水文水沙模型的模拟涉及大气过程、植被动态过程、蒸散发过程、产汇流过程、土壤侵蚀过程等，是一个非常复杂的工作。本项目以红河流域为研究区，开展考虑植被动态变化的流域水文水沙模型的开发及其应用工作。通过研究植被动态变化与水沙变化的关系，将植被动态变化因素和生态模块引入分布式水文模型构建考虑植被动态变化的水文水沙模型BTOPMC_S，并在多个不同空间尺度流域上进行验证，相对于传统水沙模型，有一定程度的改进，改进程度具有空间尺度效应，流域面积大的流域改进的效果更佳，精度提高达6%，该模型可以为流域生态水文水沙模拟提供科学基础。利用该模型开展了两方面的科学研究，一是从一个新的角度分析了人类活动与气候变化对河流水量与水沙变化的贡献度，将气象因子变化和气候变化引起的植被变化看作气候变化的影响，首先利用生态模型模拟只考虑气候变化影响的潜在植被指数情景，与实际植被指数对比，潜在植被指数明显高于实际植被指数，说明实际植被受人类活动破坏严重，其中干季植被指数降低幅度达到16%，借助之前构建的BTOPMC_S水文水沙模型，改变输入模型的气象数据及其引发的植被动态变化数据，模拟得到气候变化的贡献度，而剩余的水量和水沙变化就是人类活动影响的部分，结果表明，人类活动对水量和水沙变化的影响均大于气候变化的影响，但对泥沙含量的影响强于对水量的影响，这种影响在湿季强于干季，下游强于上游；二是综合评估未来气候变化和土地利用变化情景下红河流域未来水资源量与河流泥沙含量的变化，为气候变化和植被变化引发的灾害提供技术支撑，首先利用SDSM模型和ASD模型将大气环流模型的结果降到站点尺度得到未来气候变化情景，未来降水量均呈现增长趋势，再利用土地利用变化预测模型预测未来土地利用变化情景，未来森林面积持续降低21%，将未来气候变化和土地利用变化情景驱动水文水沙模型，预测未来的水资源和河流泥沙的变化情势，结果表明未来流量增加19%，泥沙含量增加36%。