植被叶面积指数变化对流域径流的影响 ——以鄱阳湖流域为例

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植被动态变化与水循环过程相互作用相互反馈,是自然系统中重要的生态过程。植被变化对于流域水文过程的影响十分复杂,存在尺度依赖性、空间依赖性、时间依赖性,通常需要具体研究。鄱阳湖流域是具有国际意义的重要生态保护区,其生态水文过程影响整个流域的物质交换和能量传递等过程,流域内的水循环过程驱动流域中的生物演替,因而研究鄱阳湖流域的生态水文过程对于鄱阳湖流域生态安全和鄱阳湖生态经济区建设具有重要意义。本文以植被叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)变化与水循环过程中的蒸散发和降水截留之间的关系为核心,通过构建耦合叶面积指数遥感产品的水文模型,研究鄱阳湖流域植被年内动态变化对流域水循环过程影响。本研究全面分析了流域内降水、蒸发皿蒸发、LAI和径流过程的年内变化情况,总结了不同水文气象要素和LAI变化的原因和相互之间的联系。结合蒸散发过程年内变化与降水、蒸发皿蒸发、LAI年内变化规律构建适用于鄱阳湖流域的蒸散发模型。同时,基于传统Aston截留模型和鄱阳湖流域实测截留资料,得到改进的基于LAI的降水截留模型。再进一步将构建和改进的蒸散发模型和降水截留模型耦合到传统的蓄满产流模型中,完成考虑LAI变化的水文模型的建立。最后通过比较传统模型和改进模型模拟结果的差异,具体分析植被叶面积指数变化对流域水文过程的影响。具体得到成果如下:(1)2000—2014年期间鄱阳湖流域月降水量、蒸发皿蒸发量、径流量、LAI的年内平均变化趋势均遵从先增加后减少的趋势,其中降水量和径流量在6月份达到峰值,蒸发皿蒸发量和LAI在7月达到峰值。各子流域径流量的年内变化趋势基本和降水量变化一致,但在个别月份存在差异。(2)流域蒸散发变化与LAI的年内变化趋势一致性较高,而与降水量变化一致性较低。逐月LAI、蒸发皿蒸发量、降水量、降水量两月滑动平均值数据与蒸散发相关系数R值分别为0.969、0.894、0.380、0.591。根据2000—2013年逐月蒸散发和降水量两月滑动平均值、LAI、蒸发皿蒸数据的关系进行模型的建立线性回归模型,模型R值为0.980。且使用2014年蒸散发数据对模型模拟结果进行验证,相对误差为10%,满足精度要求。(3)基于Aston截留模型建立的考虑LAI的截留模型能够更为准确考虑植被实际截留降水的过程。该改进模型去除了蒸散发部分而仅考虑截留过程,并将单次降水截留扩展到连续几日降水截留的情况下,增加考虑了每日降水前期植被持水量,得到相对更准确的植被实际截留量。(4)将前期建立的蒸散发模型和改进的截留模型耦合到蓄满产流水文模型中得到改进的考虑植被LAI变化的蓄满产流模型。使用2000—2001年逐日流量数据对模型在各个子流域出口模拟的结果进行率定。根据NSE和R值对模型率定结果进行评价,其中赣江流域、信江流域和抚河流域三个子流域模拟效果较好,NSE值和R值分别达到0.6和0.9以上。再使用2007年逐日流量数据对这三个子流域进行验证,验证结果评价指标NSE和R值也同样分别达到0.6以上和0.9附近,表明模型在三个主要子流域的模拟结果较好,满足精度要求。且与原蓄满产流模型相比,考虑LAI变化的模型能够更为准确地模拟峰值流量过程。(5)通过对比水文模型改进前后径流过程模拟结果的差异以及模型改进前后月径流量差值年内变化可知,在夏季叶面积指数较高时,植被对于流域径流的影响明显高于冬季植被叶面积指数较低时。夏季植被生长茂盛,通过蒸散发过程和截留过程对径流过程产生明显削减,而在冬季,植被落叶凋零,对径流过程影响较小,此时降水等其他因素对径流过程的控制作用增强。且通过对比不同子流域径流深差值的年内变化特征可知,LAI平均值较高的赣江流域径流深的差值要高于其它两个流域,同样说明空间上LAI值较高的区域径流过程受到LAI变化的影响越大。通过分析蒸散发量和截留量之和与降水量的比值的年内变化可知,蒸发过程和截留过程对产流过程的影响程度在年内具有较大的波动性,这与这由LAI和降水年内变化趋势不同步有关。在LAI和降水两种因素的控制下,蒸散发量和截留量的对于产流过程的影响的贡献度呈现较为的复杂的年内变化特征。
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