基于同位素与水文模型耦合研究土地利用变化的流域水文过程响应

Recent years have seen significant concern evaluating the influence of land use/cover change (LUCC) on watershed hydrological processes in hydrology and water resources research. Conventional methods used to assess the effect of LUCC on hydrological processes based on watershed hydrological model focused on the simulation of discharge hydrograph of outlet in the watershed, without considering the flow path, watershed residence time and water sources components. The upper reach of the Huaihe River Basin -the Xixian Basin will be selected for this study and representative areas with different land cover will be determined. Combine systematic hydrologic observation and hydrochemistry and isotope analysis of rainfall, soil water, groundwater and river water in different regions with transfer function theory, isotopic mass balance equation to determine watershed residence time distribution model, water sources components of hydrograph and interaction between different water sources. Based on watershed hydrological model, introduce isotope information to reduce the uncertainty of parameter calibration and construct hydro-isotopic model to simulate the isograph of watershed. The results will provide basic data for quantitative evaluation of the impact of land use/cover change on watershed internal hydrological processes and theoretical basis for basin flood control and reasonable allocation of water resources.

土地利用/土地覆被变化对流域水文过程影响一直是水文水资源研究热点问题。基于流域水文模型评价土地利用/土地覆盖变化对流域水文过程的影响侧重于对流域出口断面径流过程的模拟，缺乏对水流路径、流域滞时、径流成分组成实证。本研究拟选取淮河上游-息县流域，选定不同土地覆被典型区，通过对不同区域降雨、土壤水、地下水、河水进行系统的水文观测与水化学、同位素测试分析，联合应用传递函数理论、同位素质量平衡方程，建立不同土地覆被区滞时分布模型，确定流量过程线不同水源比例、不同水源相互转化关系。并结合流域水文模型，引入同位素信息，降低参数率定的不确定性，构建水文同位素耦合模型，对流域同位素水文过程进行模拟。研究成果可为定量评价土地利用/土地覆被变化对流域内部水文过程影响提供基础数据，为流域防洪和合理水资源调配提供理论依据。

采用理论推导、野外实验与模型模拟相结合的手段，进行了多次洪水事件的同位素水文基础实验以及滞时和径流过程对土地利用/覆被变化响应的研究，包括不同降雨类型的水循环要素同位素分析，林外降雨和贯穿降雨同位素分析，二水源和三水源划分流量过程线，以及不同土地利用变化下滞时和径流过程响应的研究。通过这些实验研究及模型模拟，获得了一些有用的水文和同位素基础数据，为定量评价土地利用/覆被变化对流域内部水文过程影响提供了依据，主要获得了以下成果：（1）不同产流要素的同位素值具有不同的分布特征，并且同位素值具有时程效应。林外降雨和贯穿降雨同位素差异较为显著，说明在径流成分划分时采用不同性质的降水将会产生较大的差异；在降雨量较大时，降水同位素具有显著的降雨量效应，降雨量较小时降雨量效应不明显。台风雨事件中降水同位素值偏于富集，梅雨事件中降水同位素偏于贫化。（2）建立和睦桥流域大气水线，发现当地大气水线斜率和截距较小，说明雨滴在降落过程中会受到不平衡的二次蒸发，从而引起同位素分馏。降水量与回归方程的斜率和截距均成正相关关系。说明对于较大的降水事件，受到云底再蒸发效果较弱，因而斜率和截距较大。利用HYSPLIT模型对水汽来源追踪，发现不同类型的降雨事件的水汽来源具有显著差异。（3）不同的降水要素对径流划分具有不同的影响。二水源划分中，梅雨事件中事件前水比例较高，台风雨事件中事件前水比例较低；三水源划分中，在降雨初期地表水和土壤水比例均呈较小值，地下水比例呈较大值。对于台风雨事件，降雨过程中三种水源比例变化较为显著；对于梅雨事件，在降雨初期三种水源比例变化显著，随降雨的进行，变化逐渐平稳。（4）息县流域研究发现，流域滞时平均值和流域次洪径流深均值在土地利用变化后有增大的趋势，洪峰流量略有减小，流量过程线峰度系数变化不大，这些水文特征对不同降雨量级的响应也不同。