流域尺度土壤水資源評(píng)價(jià)原理及其在黃河流域應(yīng)用研究.pdf

1、本文首次從理論上初步探討了宏觀尺度下的土壤水的資源特性、土壤水資源的評(píng)價(jià)原理及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；并將其應(yīng)用于黃河流域。主要的研究?jī)?nèi)容和相關(guān)的結(jié)論概括如下。 1．主要研究?jī)?nèi)容： 本文總結(jié)了大量有關(guān)土壤水的研究資料，深入研究了土壤水在水循環(huán)以及社會(huì)生產(chǎn)中的作用。在充分論證土壤水的資源特性的基礎(chǔ)上，重新定義了土壤水資源的含義；提出土壤水資源的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系雛形，并對(duì)其做了定量推導(dǎo)。在此理論基礎(chǔ)上，本文結(jié)合流域水循環(huán)的演化機(jī)理，借助“

2、黃河流域水資源演變規(guī)律與二元演化模型”課題構(gòu)建的分布式水文模型平臺(tái)——WEP-L模型，對(duì)黃河流域土壤水資源的數(shù)量、時(shí)空分布特性做了初步探討，并在此基礎(chǔ)上從適水種植的角度初步分析了提高黃河流域土壤水資源利用效率的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整措施。 2．主要結(jié)論： 1）理論方面，在總結(jié)大量前人研究成果的基礎(chǔ)上，從宏觀尺度上重新定義了土壤水資源，構(gòu)建了土壤水資源評(píng)價(jià)體系雛形并進(jìn)行了定量化推導(dǎo)。 文中指出，土壤水資源是指賦存于土壤包氣帶

3、中，具有更新能力，并能被人類生產(chǎn)和生活直接和間接利用的土壤水量和對(duì)維持天然生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)具有一定作用的土壤水量：主要包括以下四大指標(biāo)，即從土壤水資源作用范圍出發(fā)的可被作物直接吸收利用的土壤水資源量、最大可能被利用的土壤水資源量；從其作用的目標(biāo)出發(fā)的用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的土壤水資源量和用于維持和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的土壤水資源量。 在宏觀土壤水資源概念和土壤水資源價(jià)值的基礎(chǔ)上，圍繞水資源的有效性、可控性和可再生性三大特點(diǎn)，文中構(gòu)建了土壤水資源評(píng)

4、價(jià)體系雛形，并采用水循環(huán)通量方法從水循環(huán)機(jī)理角度定量推導(dǎo)了土壤水資源評(píng)價(jià)體系中的各個(gè)指標(biāo)。 2）在理論的應(yīng)用方面，以黃河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，運(yùn)用以上理論，分析了全流域在系列年（1956-2000年）降水和歷史系列下墊面條件下的土壤水資源數(shù)量及其時(shí)空分布特性。結(jié)果表明：在黃河流域，土壤水資源數(shù)量相當(dāng)可觀，是降水派生資源中的最大部分，且在時(shí)空間變化較大。 在年內(nèi)，黃河流域的土壤水資源的變化規(guī)律與降水相似，多年逐月平均土壤水資源表

5、現(xiàn)為四個(gè)變化時(shí)段，即穩(wěn)定消退階段、緩慢增加階段、快速增長(zhǎng)階段和快速消退階段。 在年際間，土壤水資源隨降水的豐枯變化而波動(dòng)。全流域土壤水資源在近45年呈緩慢的減少趨勢(shì)，但是其降幅小于相應(yīng)時(shí)段內(nèi)降水的降幅；且由于土壤的調(diào)蓄作用使其變差系數(shù)小于降水；年際間變化明顯。 在空間上，土壤水資源呈從西北向東南遞增的趨勢(shì)，與降水的空間分布基本一致；土壤水資源轉(zhuǎn)化率的空間分布卻恰好與此相反，表現(xiàn)為以蘭州～河口鎮(zhèn)區(qū)域?yàn)榻绶謩e向西北、向東南區(qū)

6、域遞減的變化趨勢(shì)，其中蘭州～河口鎮(zhèn)區(qū)域轉(zhuǎn)化率最高，而龍羊峽以上區(qū)域最低。 以上結(jié)果說(shuō)明土壤水資源在流域水資源中占有重要的地位，重視土壤水資源的利用有其重要意義；特別是對(duì)于降水量較少、轉(zhuǎn)化率較大的缺水地區(qū)，土壤水資源更加重要。 3）為分析造成土壤水資源量變化的原因，文中又從土壤水資源的形成和轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)補(bǔ)給和消耗兩方面對(duì)黃河流域土壤水資源的結(jié)構(gòu)作了詳細(xì)分析。結(jié)果表明： 土壤水資源的補(bǔ)給量──降水入滲補(bǔ)給量是土壤水資源形

7、成的主要補(bǔ)給源，全流域58.3％的降水轉(zhuǎn)化成土壤水資源。冠層截留量是影響降水入滲補(bǔ)給量的主要影響成分。在區(qū)域降水量變化的過(guò)程中，降水入滲補(bǔ)給量和冠層截留量的變化集中表現(xiàn)為：當(dāng)區(qū)域年降水量小于450mm時(shí)，隨著降水量的降低，二者均減少，但前者的降幅大于后者；當(dāng)降水量超過(guò)500mm后，盡管隨著降水量的增加，二者也均表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，但是前者的增長(zhǎng)幅度大于后者。同時(shí)土地利用狀況通過(guò)對(duì)降水轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)而影響相應(yīng)區(qū)域的土壤水資源轉(zhuǎn)化率，但對(duì)降

8、水轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)和土壤水資源轉(zhuǎn)化率的影響不同。 空間整體趨勢(shì)：黃河流域多年平均土壤水資源的降水入滲補(bǔ)給量與降水量的空間變化不同，當(dāng)降水量呈現(xiàn)從西北向東南增加的趨勢(shì)時(shí)，對(duì)應(yīng)的降水入滲補(bǔ)給量則以河口鎮(zhèn)～龍門(mén)區(qū)間為界，分別向上游和下游遞減，且下游的補(bǔ)給量大于上游；其中寧夏～內(nèi)蒙古河套臨河區(qū)間最小。 造成降水補(bǔ)給量有以上時(shí)空變化的原因主要是區(qū)域降水及降水轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)的改變。在此過(guò)程中冠層截留（文中包括透水面積上植被的冠層截流和地面填洼量）

9、是主要的影響因素。為此，文中提出要實(shí)現(xiàn)土壤涵養(yǎng)水源，應(yīng)增加土壤水資源的降水入滲補(bǔ)給量。為增加降水入滲補(bǔ)給量，應(yīng)依據(jù)區(qū)域的降水量的特點(diǎn)，通過(guò)采取調(diào)控土地覆被和覆被植被種類和布局的措施得以實(shí)現(xiàn)。 在土壤水資源的消耗量方面：全流域多年平均土壤水資源中有81.6％消耗于土壤蒸發(fā)，主要集中于年初和年末；有18.4％消耗于植被蒸騰，以6～8月份為主。不同二級(jí)子流域也具有與全流域相似的消耗關(guān)系，用于蒸發(fā)的消耗量均在70％以上，用于植被蒸騰的消

10、耗量卻不足總量的30％。 在空間上，土壤水資源的消耗量呈現(xiàn)從東南向西北減少的趨勢(shì)，且三門(mén)峽～花園口區(qū)域的最大，內(nèi)流區(qū)域的較小；對(duì)應(yīng)蒸發(fā)量與區(qū)域蒸發(fā)蒸騰量相似，但空間變異性較大；土壤水資源蒸騰量無(wú)明顯的區(qū)域性，總體上是三門(mén)峽以下區(qū)域較大，上游區(qū)域較小，特別是龍羊峽以上流域和內(nèi)流區(qū)為最小。 分析造成土壤水資源消耗量時(shí)空變化的影響因素發(fā)現(xiàn)，流域土壤水資源的消耗與土地利用狀況密切相關(guān)，且流域內(nèi)占有較大比例的土壤蒸發(fā)主要源于裸地蒸

11、發(fā)。植被棵間蒸發(fā)也遠(yuǎn)大于相應(yīng)植被的蒸騰。因此，文中提出增加植被蓋度，減少裸地面積，調(diào)整植被種植結(jié)構(gòu)，減少裸地及棵間蒸發(fā)對(duì)減少土壤水資源的無(wú)效消耗，提高其利用效率具有重要作用。 綜合黃河流域土壤水資源的補(bǔ)給與消耗成分的變化及其影響因素發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際中，要進(jìn)一步挖掘土壤水資源的利用效率，必須重視降水入滲補(bǔ)給和蒸發(fā)蒸騰量的有效轉(zhuǎn)化；在具體的操作中，應(yīng)該依據(jù)區(qū)域的自然氣候特征、降水條件選擇植被類型，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，在土地的合理利用中進(jìn)行林草

12、農(nóng)田的合理布局，增加植被覆蓋度。這將有可能實(shí)現(xiàn)區(qū)域土壤水資源的補(bǔ)給和消耗的平衡，達(dá)到提高土壤水資源利用效率的目的。 4）為進(jìn)一步研究土地利用狀況對(duì)土壤水資源利用效率的影響，實(shí)現(xiàn)土壤水資源的合理利用和調(diào)控，文中針對(duì)流域歷史系列年下墊面設(shè)置了三種土地利用情景，用以分析黃河流域適水種植的調(diào)控措施。結(jié)果表明：在黃河流域，針對(duì)歷史系列下墊面，增加植被覆蓋度，減少裸地面積有利于緩減地表直接徑流的形成，但不同土地利用情景對(duì)土壤水資源的補(bǔ)給和消

13、耗關(guān)系的影響存在較大差異。 僅增加林地面積，能很好的抑制直接徑流的形成，但是冠層截留量較大，從而使土壤水資源的補(bǔ)給量減少，導(dǎo)致土壤水資源量降低；同時(shí)，林地蓋度的增加減少了裸地的無(wú)效蒸發(fā)，但是增大了林地的蒸騰量，不利于維持流域土壤水資源補(bǔ)給和消耗關(guān)系；僅增加草地面積，可抑制直接徑流的形成，但小于增加林地情景的處理，且冠層截留量也小于增加林地的情景處理，使土壤水資源的補(bǔ)給量較林地有所增加；然而卻增加了棵間的無(wú)效蒸發(fā)量。 依據(jù)

14、流域降水特征分區(qū)域調(diào)整林草地面積，減少裸地面積，即在降水量小于450mm的區(qū)域適當(dāng)增加草地面積，在大于500mm的區(qū)域適當(dāng)增加林地面積的處理，在維持土壤水資源補(bǔ)給和消耗關(guān)系方面均好于以上兩種情景。 綜合三種土地利用情景的分析結(jié)果說(shuō)明：在黃河流域進(jìn)一步挖掘土壤水資源的開(kāi)發(fā)利用潛力，提高土壤水資源利用效率應(yīng)采取適水種植的措施。即根據(jù)區(qū)域的降水特點(diǎn)、氣候特征以及土壤水資源的時(shí)空間分布特點(diǎn)進(jìn)行林草農(nóng)田的合理布局。這有利于提高土壤水資源的

15、利用效率，而且也有益于發(fā)揮土壤水庫(kù)的正常貯水功能和對(duì)陸地水循環(huán)的調(diào)節(jié)功能。 總之，本文從宏觀尺度提出土壤水資源的評(píng)價(jià)原理，并將其應(yīng)用于黃河流域，結(jié)果表明：流域內(nèi)土壤水資源量相當(dāng)可觀。但是作為一個(gè)過(guò)程量，土壤水資源受到降水、降水的轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)以及土地利用類型的共同影響。因此，針對(duì)區(qū)域的降水特點(diǎn)、氣候特征以及土壤水資源的時(shí)空間分布特點(diǎn)進(jìn)行林草農(nóng)田的合理配置，在采取其它保水措施的基礎(chǔ)上進(jìn)行適水種植調(diào)控，將不僅有利于涵養(yǎng)水源、而且有益于提高