流域植被变化对径流成分演变影响的定量识别研究

The decreasing of runoff and the shortage of ecological basic flow had a serious impact on the social, economic and ecological security. So it has caused wide attention in China and made the implementation of large scalar Grain for Green project has been questioned. However, the runoff composition is complex and variable. Its response mechanism to vegetation is not clear yet. Two typical basins (namely Yanhe River Basin in the middle Yellow River and Qushui River Basin in the middle Yangtze River) with different dry and moisture feature conditions are selected. Firstly, based on the analysis of watershed hydrology and meteorology data, the transformation of water resource between precipitation, surface runoff, soil water and underground water is studied using the simulated rainfall experiments. Then the hydrological process and composition of runoff is separated in small watershed using isotopic tracer technique. Based on the calibration and validation of commonly used runoff separation models, a rational method is selected for study area and the corresponding long series runoff data is identified quantitatively. Then building watershed hydrological model and the model is calibrated and verified based on analysis of runoff transformation mechanism on the slope and separation of runoff component in watershed. On this basis, scenarios of vegetation changing are simulated to analyze the response of the runoff composition, which could provide helpfully scientific basis for watershed further management under condition of runoff decreasing and offer service for harmonious development between "clean water" and "green trees" of the ecological civilization.

针对国家及社会广泛关注的河道径流锐减、生态基流不足，严重影响社会、经济及生态安全，人们就大规模退耕还林对河流影响质疑较多，而河道径流多源构成、成分复杂易变，对植被响应机制难以说清等，本研究拟选取具有不同干湿特征的黄河中游延河流域和长江中游渠水流域为典型研究区，首先，在流域水文气象分析基础上，通过坡面模拟降雨试验，揭示植被变化下降雨-地表水-土壤水-地下水转化机理。然后，通过研究区典型小流域稳定同位素示踪，明晰其水文循环过程和径流构成，对常用径流分割模型进行率定验证，优选出研究区适宜的径流解析方法，定量识别典型流域长序列径流成分。最后，建立流域水文模型，在采用机理分析和历史径流成分结果，对模型进行率定验证基础上，剥离出单一植被变化情景，进行径流成分响应模拟，定量识别各成分对植被变化的响应，为河道径流锐减现实下，流域进一步治理提供科学依据，为生态文明的“绿水”与“青山”和谐发展服务。

针对本项目的研究目标，本研究选取黄河流域的延河流域作为干旱半干旱区典型流域，选取长江流域渠水流域作为湿润区的典型流域。首先，基于流域气象水文资料，揭示了流域水热条件变化特征。对比分析了1961年~2017年流域气象变化特征，揭示了全球变化背景下流域极端降雨与温度和湿度的关系，发展了小时尺度蒸发皿蒸发量的方法，分析了流域河道径流变化特征以及流域土壤湿度变化趋势。定量分析了延河和渠水流域1975-2018土地利用转换和植被覆盖指数NDVI时空变化。解析了延河流域主要土地利用类型为草地，农地和林地，退耕还林前的1995年的土地利用和2018年的土地利用，林地和草地面积增加982 km2，耕地面积减少了1026km2。耕地转出2234km2，其中79.59 %的转出为草地，18.26%转为林地。渠水流域林地的面积最多，其次为农地和草地，1975年2018年间流域内的三种主要土地利用类型面积上并未发生显著变化，仍然有土地利用类型之间的转化。2000-2016年渠水流域NDVI平均值为0.64，延河流域平均值为0.32。渠水流域植被波动中微增，而延河流域植被覆盖指数持续增减，增加幅度为0.08/10a，从2000年的0.23增加到2016年的0.38，这与延河流域大规模的退耕还林密不可分。基于自动分割法进行了流域历史序列径流成分的定量识别研究。延河流域径流量总体波动减小，基于日径流资料发展了适宜基流的分割方法。汛期时段，数字滤波法（F1，F4）和滑动最小值法（BF1(f)，BF1(k)）方法都可用。非汛期由于延河的凌汛，只有F1方法可用。延河流域内各类水体同位素δ18O、δ2H测验值及其线性关系表明，流域内各类水体的δ18O 均值表现为地下水＜降水＜河水＜土壤水，δ2H均值表现为地下水＜河水＜土壤水＜降水。通过室内实验探究了坡面土地利用对降雨径流转化的影响，草地措施促进了降雨入渗补给地下水。利用SWAT模型进行数值模拟，揭示了不同土地利用类型改变对径流组分的影响。延河河道径流组分中地表径流比例平均为78.31%，土壤侧向流补给16.68%，地下水补给16.02%；农地的地表径流是地下径流的3.37倍，草地是2.54倍，林地是2.28倍，说明林地的地下径流占产流的比例是最大，草地次之，农地最少。