流域生态水文过程随机模拟及其对环境变化的响应-以潮白河流域为例

Soil moisture is a key element in understanding the underlying hydrologic mechanism of the soil-plant-atmosphere continuum (SPAC) and controlling on the evapotranspiration and nutrient cycling. Based on the probabilistic echohydrology framework, we model the soil moisture distribution, proposed a ecohydrological model to evaluate the average water-energy balance and streamflow distribution, and their responses to plant area descreas and climate change. Major research contents involve three aspects, namely 1) study the response of soil moisture distribution to soil water balance, plant water stress, and precipitation fluctuations with different vegetations conditions in Chaobai river basin.2)Investigate the impacts of climate variation and vegetation dynamics on watershed evapotranspiration and streamflow.3)we construct a probabilistic modelling framework of echohydrological processes in catchments with a modified soil-moisture probability density function, which concludes the soil-moisture distribution at a point and water-energy balance and streamflow distribution in catchments. The model will be calibrated and validated against the field experiments, and then used to analyze the effect of climate change/variations on water balance and vegetation water stress in Chaobai river basin.These studies will provide a scientific basis for regional water security and risk & adaptation countermeasures in future.

土壤水分是研究不同时空尺度气候-土壤-植被之间动态联系的关键，本研究基于随机生态水文模型理论框架，研究土壤湿度随机分布规律，构建随机生态水文模型，模拟、分析蒸散发、径流等水文过程对气候和植被变化的响应。具体如下：1）探讨潮白河流域不同植被条件下土壤水分分布特征与水量平衡过程、植被水分胁迫、气候波动的响应机制；2）分析气候要素变化和植被条件对潮白河流域蒸散发、径流等水平衡过程的综合影响；3）基于土壤水分概率密度函数模型构建流域水热耦合模型，检验和验证该生态水文模型框架在反应流域水平衡过程和植被胁迫状态对气候变化的响应能力，通过情景分析，探索提出天然植被变化和气候变化背景下，应对密云水库入库径流量持续减少的对策。

本项目主要围绕流域生态水文过程随机模拟相关技术、理论和应用开展研究，主要取得以下成果：.1）本研究在系统阐述土壤水分动态随机模型理论假设及其数学内涵的基础上，基于修正的模型量化分析我国北方三种典型林地系统土壤水分分布特征、水量平衡过程、植被水分胁迫和气候波动的响应。三种植被均受到一定程度的水分胁迫，林地的水分损失主要是胁迫蒸散发所占比例介于74%~86%之间。三种植被静态水分胁迫和动态水分胁迫分析结果相近，表明土壤水分条件是决定干旱地区生态系统结构和过程的关键因素，并量化了不同降雨波动等气候条件对植被水分胁迫状态的影响。.2）提出了综合超渗产流过程的流域水热耦合平衡理论，并在潮白河流域进行了模型验证。分析了潮河、白河流域水循环要素相应于不同土地覆被类型结构变化和水平衡的特征，通过对未来10年流域下垫面状况的预估，预测了未来变化环境条件下，潮河流域的径流深在26.47~53.55mm范围内波动，而白河流域的径流深在17.57~41.53 mm范围内变动。分析认为未来潮河流域和白河流域的年径流和汛期径流均有显著的减少趋势，人类活动均是对径流造成影响的主导因素。.3）构建了综合超渗产流过程的径流历时曲线模型，能较好量化潮白河流域环境变化条件下的降雨产流分布特征，情景模拟结果表明，当总降雨量不变，潮河、白河流域下游密云水库入库径流，随降雨频率增大而减小，随平均降雨深度增加而增加。径流分布变化同平均降雨深度的敏感性更强。现状潮白河处于断流的临界状态，当平均降雨深度减少大于10%，则潮河、白河将成为季节性河流，断流时间占全年的40%-70%，这将对首都供水问题提出严峻挑战，研究成果将为潮白河流域管理措施的制定和未来首都水安全保障措施提供技术支撑。.