黑河上游山区典型小流域径流过程观测与模拟研究

黑河是我国第二大内陆河流域，也是干旱区内陆河流域的典型代表，其上游山区的径流是中下游地区的主要水源。近年来，在气候和人为干扰双重影响下，山区径流过程已发生明显变化，可能会威胁到流域的生态安全。因此，观测研究山区径流过程及其影响因素，并模拟预测径流量的变化趋势，对流域水资源管理至关重要。本项目拟以黑河上游山区典型流域为基本研究单元，通过对径流过程和植被格局的多尺度观测和分析，揭示干旱内陆河上游山区植被斑块镶嵌分布格局的坡面产流机理；理解径流过程的尺度效应以及植被空间分布格局的影响；分析典型流域内不同植被景观斑块的径流深度，探讨森林与径流之间的关系；在未来气候变化的情景下，模拟预测典型流域径流量的变化趋势，为流域水资源管理提供有效的气候变化风险管理信息，为山区人工植被恢复重建的空间配置模式提供理论依据，也为区域尺度上生态水文模型提供基础数据和重要参数。

本项目阐明了黑河上游山区典型流域坡面产流机理，分析了流域内各植被景观斑块的径流深度，确定了森林与径流之间的关系，并以数据驱动模型模拟了典型流域的径流过程。在项目执行期间，项目组成员严格按照任务要求开展野外观测试验、数据分析和成果总结，并及时与跟踪专家交流，根据专家组意见对项目的一些野外工作进行微调和优化，与其它同类项目形成很好的衔接，为流域计划集成研究提供了较好的数据和理论基础。. 本项目完成情况：1）产流过程观测。以排露沟流域为基本研究单元，通过小区径流观测场，观测并分析了地表径流与降雨特征、植被、土壤和坡度的关系；采用壤中流观测井观测壤中流的产生过程，分析水分在土壤中的传输过程；通过人工降雨模拟试验，揭示草地坡面产流机理，并确定草地坡面产汇流的阈值。2）植被与流域产水量的关系。以小区径流场、量水堰等设施开展不同尺度径流过程观测，分析流域内各植被景观斑块的径流深度，阐明了黑河上游山区森林与流域产水量的关系。3）径流过程模型模拟。以数据驱动模型为基本框架，以多尺度观测数据为基础，模拟典型流域径流过程并用实际观测数据进行验证。. 项目获得的主要进展：1）黑河上游山地森林区域没有地表径流产生，草地在较大雨强情况下（≥18mm/h）以超渗产流为主。此外，低海拔区域（海拔3000m以下）很少有地表径流产生，而径流主要来自高海拔区域。2）青海云杉林林冠截留率为35.0±20.7%，但林冠截留的空间变异较大(截流率变幅在-8.77%至84.05%之间)。此外，本项目提出了测定青海云杉林冠截留所需最少观测桶数量的确定方法。3）在点尺度上分析了土壤水分对降水事件的响应机制，发现较大的降雨事件（>20mm）对土壤储水量（土层20-80cm）起到了关键作用，较小的降雨事件补给表层（0-20cm）土壤水分，对植物和土壤动物生存有重要意义，但对深层土壤水分补给是无效的。4）以水量平衡理论为基础，通过多点观测数据进行区域尺度上的转换，确定了流域尺度上青海云杉林的水量平衡关系。发现排露沟流域森林（森林占流域总面积的38.5%）总蒸散耗水量占降水总量的97.5%，而剩余的2.5%降水可能存储在土壤中，难以形成壤中流补给河道径流。5）采用ANN、SVM和ANFIS等数据驱动模型模拟了排露沟流域的径流过程。