基于WAVES模型的蒸渗过程分析及模拟研究

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森林生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,作为人类赖以生存的自然环境,与人类社会的发展休戚与共。森林生态系统蕴含着多种生态服务功能,在涵养水源、保育土壤、净化空气、调节气候与保护生物多样性等方面发挥着重要作用。在经济社会发展的过程中,生态系统服务功能不断退化,资源枯竭、水土流失、草场退化、温室效应、物种濒危等生态问题严重威胁着人类社会的生存环境与绿色发展。森林生态系统一项重要的生态服务功能就是涵养水源,其涵养着陆地90%以上的淡水资源。本文以青藏高原东缘贡嘎山地区海螺沟作为研究区,使用微型蒸渗仪(lysimeter)对研究区域两个海拔高度林下蒸散发进行观测,并运用一维水文模型WAVES进行模拟,得出了以下结论:(1)在2019年,根据气象观测站点数据针叶林共降雨1647.7mm,阔叶林共降雨1289.6mm。两植被带林下蒸散发(ET)都在七月份左右达到最大值,而阔叶林和针叶林ET分别占年降雨量的16.8%和11.3%。蒸渗仪测得阔叶林、针叶林ET分别为217.5mm/a和186.5mm/a,测得50cm处渗漏量分别为429.6mm/a和875.0mm/a;ET有沿高度梯度降低的趋势,而渗漏沿高度梯度升高;雨季(5-10月),阔叶林和针叶林ET分别占年ET的56.3%和76.9%,阔叶林和针叶林渗漏分别占年渗漏的84.4%和91.6%;阔叶林月总渗漏在5月(雨季开始)出现最大值,而降雨是在7月左右量最大;针叶林渗漏发生时段在3-11月,而阔叶林则发生在5-9月,相对较短;针叶林在降雨量大于5mm/d时产生渗漏,阔叶林在降雨量大于15mm/d时产生渗漏。(2)研究区气温、地表温度、相对湿度、净辐射和降雨两个植被带均呈增长趋势,阔叶林气温增长速度更快,相反针叶林地表温度、相对湿度、净辐射和降雨增速更大;而日照时数均呈下降趋势,阔叶林下降速度更快;对于风速,阔叶林呈下降趋势,针叶林呈增长趋势。两植被带净辐射、日照时数和风速正在逼近,雨量差距正在扩大,且较为显著。在这些因子的影响下,两个植被带ET均为增长趋势。通径分析表明,两植被带ET对净辐射、气温和地表温度均较敏感。针叶林风速的变化对ET的影响最小,阔叶林相对湿度对ET的影响最小。(3)在研究过程中,针对贡嘎山针叶林和阔叶林气候和水文的变化情况,通过对基础数据库的构建,获得植被、气象、土壤等数据,成功的建立了贡嘎山不同植被带的水文模型。通过验证,构建的WAVES模型经过模拟与验证,模拟效果在很大程度上与当地实际情况相匹配。并以NSE、RMSE和R2三个评价指标作为模型评价指标,对模拟值和实测值进行评估。结果表明,率定期和验证期模拟值和实测值拟合程度较好,同时相关系数都在0.6以上,可见贡嘎山两植被带构建的WAVES模型能够有效模拟水文过程,从而对水资源量进行评估。(4)多年模拟中可以看到,两植被带每年ET峰值分别在200mm和260mm左右。两植被带多年ET平均值分别为180.5mm和232.7mm,有攀升的趋势,与实测ET多年平均值186.5mm和217.5mm相近,趋势大体一致。针叶林渗漏相对较大,且波动较大,在500-1100mm/a之间,而阔叶林在350~600mm/a左右,与实测情况一致。模拟阔叶林多年平均渗漏量为457mm/a,而针叶林为834.2mm/a。对不同天气下不同植被带的ET及其模拟情况分析表明,平均林下蒸散发量晴天>多云>阴天>雨天,ET呈现随太阳辐射减少而降低的趋势,晴天最强,雨天最弱。WAVES模型计算与两植被带实测ET趋势基本一致。WAVES模型模拟值的折线相对起伏较小,而实测值的折线波动较大。(5)不同情境下,当气温和降水最高时,多年平均林下蒸散发最大。通过分析,气温对林下蒸散能力的大小起决定作用,降雨是不可或缺的驱动要素。通过对比分析发现,在降雨量和气温的改变下,针叶林林下蒸散发的变化幅度更大,对于这两个因子敏感性更强。当模拟期气温最低,降水最大时,多年平均渗漏量最大。土壤渗漏量变化情况与降水的关系与观测情况响应趋势一致。气温变化与土壤渗漏呈负相关;降水对土壤渗漏的影响大于气温对土壤渗漏的影响,即降水是引起土壤渗漏的主导因素。同时,通过针叶林和阔叶林的对比分析发现,针叶林多年平均渗漏量的变化幅度更大,渗漏量对于降雨量和气温敏感性更强,而阔叶林则较弱。
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