变化环境下的洮河流域生态水文响应机制及其阈值体系研究

Eco-hydrological responses, combined with the spatial-temporal distribution of influential variables’ thresholds under a changeable environment, are considered as important indicators for basin processes’ alteration and diagnosis. For a better understanding of that, we take the Tao River Basin as the study area. Database for basin eco-hydrology study will be expanded to the newest by data regathering and pretreatment on the basis of our previous work. Methods of time series analysis and spatial statistics are adopted to quantify the influences of regional climate and human activities on basin’s underlying condition’s variation. After that, the distributed hydrological model SWAT and the biogeochemistry mode DNDC will be spatially parameterized and loosely coupled into a knowledge and data-based model system, to simulate eco-hydrological processes under the changeable environment of the Tao River Basin. Outputs of the model system will be re-analyzed for the selection of key indicators and their influential variables during above processes. Breaking points of key indicators are referenced to identify the correspondingly influential variables. Values will be recorded as the thresholds of eco-hydrological responses. Key indicators and the above thresholds, along with their relationship in time and space, will then be quantitatively analyzed to reveal the mechanism of eco-hydrological responses to the environmental changes across the whole basin. Achievements of this project are wished to benefit the development of eco-hydrology study at a river basin scale. Also, the coupling model system and the validated eco-hydrological thresholds would be helpful for more efficient and rational management and utilization of basin resources, in the context of the innovational methodology and dataset.

生态水文响应及其阈值体系是变化环境下流域过程变异及诊断的重要指征。项目以洮河流域为研究区，对原有生态水文数据库进行扩充更新，采用时间序列空间分析方法量化区域气候和人类活动对流域下垫面变化的影响，在此基础上进行分布式流域水文模型(SWAT)和生物地球化学模型(DNDC)的参数空间化，以松散耦合形式建立一个知识型数据模型系统，模拟变化环境下的洮河流域生态水文过程；基于模型系统输出，分析和遴选生态水文响应关键指标及其动态诊断的环境变量，以关键指标的突变为控制，厘定并构建生态水文响应的环境变量阈值体系，根据关键指标及其环境阈值分布的时空规律和数量关系，揭示变化环境下的洮河流域生态水文响应机制。项目有望对生态水文学科体系的发展起到促进作用，可为流域资源的科学管理和合理利用提供模式借鉴和数据支撑。

项目以洮河流域为研究区，进行变化环境下的区域尺度生态水文响应机制研究，分析气候变化和人类活动影响下，流域生态水文格局及属性变化规律，探索流域上、中、下游不同地理-生态区间生态水文响应机制。项目从数据、方法等多个方面对洮河流域生态水文过程进行综合研究。数据方面，收集整理了1980年代以来洮河流域水文、气象站点常规观测数据；下载整理了包括NASA、NOAA以及中国青藏高原研究所等机构发布的多种遥感数据产品；经野外考察及实验获得了洮河流域河道水文、植被生态、土壤呼吸（碳通量）等第一手监测数据，对土-植样品进行实验室测试分析，上述数据集为流域生态水文模型的率定验证以及流域生态水文过程的全面了解提供了基础。植被生态方面，基于SEaTH决策树方法对洮河流域LULC序列进行重构，发现流域上、中游青藏片区林、草面积总体呈现微弱减少趋势，耕地面积呈增加趋势；下游黄土片区耕地面积呈下降趋势，林、草面积表现为上升趋势。采用多指标体系阈值方法对洮河流域水文过程及其变化规律进行诊断分析，发现洮河径流年内分配不均匀性大，汛期占比54%-56%，1990年代以前呈增加趋势，之后减少，且减少主要发生在汛期；人类活动对洮河上游半湿润草场牧区河川径流变化的影响显著，气候变化对下游半干旱农耕区的径流变化的作用更为明显。洮河流域上、中、下游三区AET变化总体以气候变化的正向促增效应为主，导致了洮河流域河川径流的总体减少。上述生态-水文变异导致区域植被水分利用效率（WUE）发生变化，总体来看，上游气候变化对WUE变化为正增效应，人类活动为负减效应；中游WUE主要受气候变化影响，大部分区域都表现为负减效应，下游WUE低值区，气候变化正增效应由西北向东南递增，人类活动正增效应则呈现相反态势；项目着眼于变化环境下区域水热条件分异对流域生态水文过程的影响机制研究，成果可为未来流域资源的科学管理、水资源的合理开发利用以及社会经济可持续发展提供了基础模式依据以及数据支撑。