黄土高原作为我国“一带一路”发展战略的重要节点,为了指导区域内水资源更加科学合理的开发利用,建设美丽和谐的生态环境,研究黄土高原地区的深层土壤水文过程及其变化规律具有重大的理论价值和现实意义。本研究以半湿润型气候的陕西长武地区为例,采用公用陆面模式(CLM)模拟1901~2015年时段内冬小麦、夏玉米和高龄苹果树三种不同土地利用类型下黄土高原的深层土壤水文过程。首先,基于两套来源不同的气象数据集利用一阶滑动平均模型和一阶自回归模型制作了一套时空分辨率为6小时和0.1°的中国区域大气驱动数据集作为CLM模型的气象输入。它包含有降水、气温、向下的短波辐射、向上的长波辐射、大气压强、比湿和地面风速共7个气象变量,其时间范围是1901~2015年。其次,根据土壤的质地属性划分土层,利用植物根系各月的实测数据制作成与土壤分层对应的根系分布形态,将两者作为外部变量输入CLM模型,运用时间插值的方法计算相邻两个根系实测日期之间的任意时刻的根系分布形态,并且修改CLM模型的地下水排泄和地下水位的计算方法。然后,基于新制作的中国区域大气驱动数据集,利用改进后的CLM模型模拟不同植被下黄土高原的深层土壤水文过程,分析了黄土高原半湿润地区整个115年间的土壤水分动态(100米厚土层),降水的入渗补给深度,土壤水活跃性的垂直分布,深度为75米的深层渗漏过程和相应土层的土壤水补给时间,研究了植被类型(具体包括植物生长期和根系深度)、降水条件和气候状况对黄土高原地区深层土壤水文过程的影响,从而探讨黄土高原深层土壤水和地下水的补给机制。本研究得出的主要结果和结论如下:(1)新的中国区域大气驱动数据集具有时空分辨率高,跨度的时间范围长等优点。就长武地区的气候条件而言,新的气象数据集的7个气象变量在均值水平和波动性上较初始气象数据集均有所修正,其在1901~2015整个115年间的变化也是基本一致的。因此,将新的气象数据集作为CLM模型的气象输入来模拟黄土高原的深层土壤水文过程是可靠且合理的。(2)改进的CLM模型具有更加灵活高效的特性,其适用性拓展了深层土壤和地下水位以及土地利用类型为深根系植物的水文过程模拟。它充分考虑了土壤属性的空间变异和根系的生长过程,能够模拟深层地下水的排泄并确保模拟的地下水位与土壤水分剖面的动态变化相符。利用改进的CLM模型模拟的地下水位与实际地下水位的整体趋势基本一致,且整个115年间均被控制在一个合理的区间内变化,同时模拟的整个100米土层的水分剖面与实测的土壤水分剖面基本吻合,说明利用新的地下水排泄和地下水位计算方法来控制模拟的地下水位是可行的,基于改进的CLM模型模拟的深层土壤水文过程是合理且可靠的。(3)植物生长期和根系深度均影响着黄土高原地区降水的入渗补给深度,且根系深度的影响更大。月尺度下,对于生长期为非雨季的浅根系植物冬小麦,月降水量大于160 mm的强降水是深度为75米以下的深层土壤水和地下水主要的快速下渗补给来源,但发生频率仅为4.3%;对于生长期为雨热同季的浅根系植物夏玉米,通常月降水量大于180 mm的强降水才能快速下渗补给到75米以下的深度,其发生频率约为2.8%;而对于15年果龄的深根系植物苹果树,强降水快速下渗的补给深度为75米以上的条件是其月降水量大于230 mm(湿润期)或年降水量大于1000 mm,相应的发生频率不足1%。因此,绝大多数降水在半湿润的长武地区很难快速入渗补给深层土壤水和地下水,而是以缓慢稳定的土壤水下渗的形式进行补给。并且可以判断,强降水是引起深度为75米的深层渗漏过程和地下水位发生急剧变化的主要原因。(4)土壤水的活跃性主要受降水的入渗补给深度和植物的根系深度所控制,而受植物生长期的影响较小。由于半湿润的长武地区大多数降水的入渗补给深度约为6米,而浅根系植物冬小麦和夏玉米主要的根系分布深度均不超过5米,在降水的入渗补给和植物的根系耗水共同作用下,冬小麦地和夏玉米地的土壤水活跃层主要分布在6米以内的深度。15年的高龄苹果地的根系深度约为20米,土壤水活跃层的分布主要受其根系深度的影响,达到了25米左右的深度。(5)植被类型和气候状况是黄土高原地区深层渗漏量的主要控制因素。根据地表蒸散发水平将深层渗漏过程划分为1901~1926,1927~1963和1964~2015年三个时段,浅根系植物下多年平均深层渗漏量与相应时段内的地表蒸散发水平呈反比,而深根系植物下多年平均深层渗漏量受非饱和土层的前期土壤湿度影响较大。对于三个时段内的多年平均深层渗漏量,冬小麦地分别约为165,246和115 mm;夏玉米地约为135,234和89 mm;15年苹果地约为23,238和54 mm。因此,生长期处于雨热同季的植物和深根系植物会减小黄土高原地区降水对深层土壤水和地下水的补给作用。此外,不同植被类型下由强降水引起的附加深层渗漏量占相应时段内深层渗漏总量的比例均不足30%,故深层土壤水的缓慢稳定下渗才是黄土高原地区深层地下水的主要补给形式。(6)深层土壤水和地下水的补给时间主要受植被类型、降水条件、气候状况以及前期土壤湿度的影响。在1901~1926,1927~1963和1964~2015年三个时段内,浅根系植物下深度为75米的土层需要的时段平均下渗补给时间与时段内由气候状况控制的地表蒸散发水平呈正比,而深根系植物下需要的时段平均下渗补给时间则受非饱和土层的前期土壤湿度影响较大。其中,冬小麦地的值分别约为134.0,91.2和185.6年;夏玉米地的值分别约为162.1,95.3和235.2年;15年苹果地的值分别约为876.2,94.0和370.0年。因此,除了气候状况极端湿润即地表蒸散发水平显著减小的情形以外,生长期处于雨热同季的植物和深根系植物会延长黄土高原地区深层土壤水和地下水的补给时间。此外,半湿润的黄土高原地区由强降水引起的快速下渗补给地下75米的土层所需要的时间为10年左右,它主要受强降水的降水量以及非饱和土层的前期土壤湿度的影响。通过本研究,将公用陆面模式与实验有机结合,充分利用模型在时间上的长度优势和实验在空间上的深度优势,即115年的研究时长(1901~2015年)和100米深厚的黄土层(到达潜水面),对CLM模型的土层结构,根系分布,地下水排泄和地下水位计算做了重要改进并成功将其应用于黄土高原深层土壤水文过程的模拟。相关结果阐明了强降水是黄土高原深层土壤水和地下水快速补给的主要来源,对于维系区域内生态环境的平衡不可或缺,同时论证了黄土高原地区的土壤干层对降水的垂直下渗产生了一定的阻滞作用,但并非完全阻隔了降水对深层土壤水和地下水的补给,极端强降水或气候比较湿润的情形下降水可以穿透土壤干层补给深层土壤水甚至地下水。并且指出,浅根系植被下黄土高原半湿润地区的大多数降水均能透过土壤根层对深层土壤水进行补给并最终下渗补给地下水,这是黄土高原地下水补给的一条重要途径。根据本研究的结论,加深了对黄土高原深层土壤水和地下水补给机制的理解,有利于指导该地区自然资源的合理开发与生态环境的科学保护,促进地区经济和社会的长期可持续发展。