Gash模型在热带季节雨林林冠截留研究中的应用

为了验证Gash林冠截留解析模型在西双版纳热带季节雨林中的适用性,基于2003年的热带季节雨林气候及林冠特征观测数据、采用Gash模型对林冠截留进行了模拟.结果显示,西双版纳热带季节雨林样地年降雨量为1244.4mm,穿透降雨为867.3mm,树干径流为114.4mm,树冠截留量为262,7mm,林内穿透降雨量和林外降雨量之间存在显著的正相关关系;降雨过程中饱和林冠的蒸发强度为0.12mm/h,使林冠饱和的降雨为0.6mm,林冠枝叶部分持水能力为0.41mm,树干持水能力为0.18mm;模型模拟的年林冠截留量为274.9mm,干季为71.7 mm,雨季为203.1 mm;模拟的相对误差年值为4.3%,干季为0.1%,雨季为6.9%,模拟与实测有很好的一致性,显示了Gash模型适用于西双版纳地区热带季节雨林林冠截留计算.     

Gash模型在黄土区人工刺槐林冠降雨截留研究中的应用

为了验证Gash林冠截留解析模型在黄土高原人工林中的适用性,基于2009年黄土丘陵沟壑区吕梁市王家沟小流域刺槐林样地降雨观测数据,采用Gash模型对林冠截留进行了模拟。所选刺槐林分为人工纯林,林龄约30a,阴坡,坡度24°,密度为990株/hm2,平均树高10.8 m,平均胸径12.4 cm,郁闭度0.76。根据回归方法确定了Gash模型中的主要参数,包括饱和林冠的平均蒸发速率(E珔)、林冠枝叶部分的持水能力(S)、自由穿透降雨系数(p)、树干持水能力(St)和树干茎流系数(Pt)。结果显示,2009年5月至10月人工刺槐林样地实测降雨量为366.9 mm,穿透降雨量为317.5 mm,树干茎流为10.2 mm,林冠截留量为39.2 mm。模型模拟的林冠截留量为42.4 mm,高于实测值3.2 mm,相对误差为8.2%。敏感性分析表明,S、E珔、St和pt每增加10%,林冠截留量分别增加4.7%,3.1%,1.7%和0.5%;p增加10%,林冠截留量则减少2.6%。说明树干持水能力(St)和树干茎流系数(pt)两个参数对黄土高原人工刺槐林冠截留量的预测值影响程度较小。模拟值与实测值有较好的一致性,显示Gash模型适用于黄土高原人工刺槐林冠的截留计算。     

应用修正的Gash解析模型对岷江上游亚高山川滇 高山栎林林冠截留的模拟

修正的Gash解析模型具有较好的物理基础,是目前估算和预测林冠截留的有效工具。基于2007年6月到9月的降雨数据、气象和林分结构资料,采用修正的Gash解析模型对岷江上游川滇高山栎林冠截留进行了模拟。结果表明,林冠持水能力为0.23mm,树干持水能力为0.041mm,树干茎流系数为0.013,使林冠饱和的降雨为0.3mm;研究期间实测的林冠截留量为80.2mm,占总降雨量的16.5%,应用模型模拟的林冠截留总量为81.8mm,高于实测值1.6mm(高于实测值2.0%),林冠截留和树干茎流周累积量模拟值均与实测值有很好的一致性,敏感性分析结果显示,应用修正的Gash解析模型进行岷江上游川滇高山栎林冠截留模拟研究中,模型最易受林冠持水能力影响,其次为郁闭度、树干持水能力,影响最小的林分参数为树干茎流系数。     

陇中黄土高原油松人工林林冠截留特征及模拟

以陇中黄土高原安家沟小流域的油松人工林为对象,于2011年生长季(5---9月)观测其林外降雨、穿透雨、树干茎流及林冠结构特征,采用修正的Gash解析模型模拟林冠截留,研究油松人工林的生态水文过程及影响机理.结果表明:研究期间共观测到19次降雨事件,总降雨量为215.80 mm,其中林冠截留48.27 mm,占总降雨量的22.4％;穿透雨165.24 mm,占同期林外降雨量的76.7％;树干茎流量2.29 mm,占同期降雨量的1.1％.模拟的林冠截留量为41.24 mm,比实测值低7.13 mm,相对误差为14.7％,其中,33.8％和60.0％截留分别在降雨期间和降雨之后蒸发.修正的Gash解析模型对林冠盖度、林冠持水能力、蒸发和雨强有较强的敏感性,而对树干茎流率和树干持水能力的敏感性不高.     

湖南会同杉木人工林林冠截留特征

林冠对降水的截留是森林生态系统水分平衡的一个重要组成部分,在水分循环和水资源管理方面起着非常重要的作用。杉木是我国特有的速生商品材树种,研究杉木人工林各生长阶段的林冠截留,能更好的了解杉木各生长阶段的水循环过程以及涵养水源的能力。以湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站第Ⅲ集水区杉木人工林为研究对象,采用小集水区径流场综合试验法对1983年至2007年杉木人工林幼龄阶段、中龄阶段及近熟阶段3个不同生长阶段的林冠截留进行分析。结果表明:(1)杉木人工林不同生长阶段年均截留率分别为:幼龄阶段26%、中龄阶段27.86%和近熟阶段29.47%,3个阶段的截留率季节变化规律相似,但在降雨量较小的月份,近熟阶段的截留率明显高于幼龄阶段。(2)在雨量级小于1.0 mm时,3个阶段林冠截留率都较高且无明显差别,均在86%以上;在1.0—2.0mm雨量级时,3个阶段截留率与雨量级小于1.0 mm时均大幅降低,但3个阶段截留率物显著差异,幼龄阶段48.1%、中龄阶段48.7%和近熟阶段47.1%;在进入2.0—4.0 mm雨量级时,3个阶段截留率差异较大,幼龄阶段30.5%、中龄阶段38.4%和近熟阶段44.1%,近熟阶段的林冠能截留住更多的降雨;当降雨量大于100 mm时,3个阶段林冠截留率又无明显差异截留率均低于10%。(3)Fan模型对各阶段杉木人工林林冠截留的模拟较为理想。     

辽宁东部山区落叶松人工林林冠降雨截留观测及模拟

利用2005-2008年辽东山区落叶松人工林林冠降雨截留观测数据,并选取Gash解析模型模拟林冠截留过程.结果表明：落叶松人工林林内穿透雨量与林外降雨量呈显著正相关关系(R²=0.98),年均穿透雨量占总降雨量的77.64%;林冠截留量与降雨量和降雨强度之间呈正相关关系;除2007年由于降雨间隔时间短导致模拟截留量大于实测截留量外,模型模拟的林冠截留量均小于实测林冠截留量;模型模拟的绝对误差与林外降水量呈负指数相关,为1.26%～68.96%,平均值为29.09%;模拟值与实测值之间的相关系数为0.91,模型模拟结果与实测结果相吻合.     

基于修正的Gash模型模拟小兴安岭原始红松林降雨截留过程

原始红松林是我国小兴安岭地区的顶级植物群落,理解它的降雨截留过程,对区域生态、水文环境具有重要意义.采用定位研究法,于2010-2011年21场降雨数据对原始红松林的降雨截留和分配效应进行系统研究,并结合当地的气象和林分资料,利用修正的Gash模型对小兴安岭原始红松林进行林冠截留模拟.该模型对穿透雨、树干茎流、截留量的模拟值分别为:370.91、16.14、130.07 mm.穿透雨模拟值比实测值低2.28 mm,相对误差1.75％,树干茎流模拟值高于实测值8.12 mm,相对误差50.3％,林冠截留量模拟值比实测值低2.35 mm,相对误差为1.81％.穿透雨和林冠截留量的模拟值和实测值有较好的一致性,树干茎流的模拟值和实测值相差较大.综合结果表明:修正的Gash模型对小兴安岭地区原始红松林降雨截留拟合具有很好的适用性.     

SWAT模型在气候变化对水资源影响研究中的应用——以河南省中部农业区为例

为了研究气候变化对水资源的影响,应用具有物理基础的SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型,针对河南中部农业区(淮河上游沙河周口水文站上游区域)的特点,构建了该区域气候变化影响水资源(径流)评估模型。通过加载1∶4000000电子河系数据,消除了SWAT在平原区从1∶250000 DEM自动提取河系的误差;在对模型参数敏感性分析的基础上,将1999—2002年作为校准期,2003—2006年作为验证期,对模型的参数进行了校准和验证,模型校准期Nash-Sutcliffe效率系数Ens=0.96,r2=0.95,验证期Ens=0.81,r2=0.87,表明模型应用于该区域的月径流模拟精度较高。将1966—2007年的气象资料应用于模型进行模拟,分析结果表明,地表径流、基流年内变化趋势与降水量变化趋势一致,蒸散发是该地区水量的主要输出项,地表径流是基流的2倍左右,地表径流相对于降水有滞后性,基流滞后于降水3个月时间。     

SWAT模型融雪模块的改进

SWAT模型是一个具有物理基础的分布式水文模型,利用SCS径流曲线数方法计算地表径流,而采用相对简单的度日因子方法计算融雪径流。因此在湿润半湿润、雨量丰富的平原地区应用SWAT模型进行径流模拟时可以得到较好的模拟结果,但是在干旱半干旱、降水稀少,且春汛期间融雪径流是重要补给来源的高寒山区,模拟的融雪径流明显偏小,不能很好的反映这些地区的融雪过程,导致河道径流模拟精度偏低。FASST模型是具有物理机制的陆面过程模型,其采用能量平衡的方法计算融雪径流,能够较好的模拟复杂地形山区流域的融雪径流。本文以黑河山区流域为研究区,将FASST模型集成到SWAT模型,改善SWAT模型融雪径流的计算方法。通过对比SWAT模型集成前后莺落峡出山口的河道月径流、融雪径流和地表径流对河道的贡献等几个方面,表明了集成FASST融雪模块的SWAT模型能更好的反映黑河山区流域的融雪径流过程,从而提高河道径流的整体模拟精度。     

基于SWAT模型的乌鲁木齐河上游土地利用和气候变化对径流的影响

选用SWAT分布式水文模型,定量分析了乌鲁木齐河流域土地利用与气候变化对径流的影响,采用情景分析方法设置3类情景,对变化环境下的流域径流进行了预测。以R~2、NSE和PBIAS等3个参数评价了模拟的拟合度,不确定性。结果表明:1)在模型校准期和验证期R~2分别为0.89和0.75,NSE分别为0.84和0.74,PBIAS在18%—23%范围内,说明SWAT模型在乌鲁木齐河上游径流模拟中具有较好的适用性;2)综合型情景模拟分析得出,研究区气候变化对径流的影响强度大于土地利用变化的影响强度。土地利用和气候共同引起流域年均径流量减少1.41 m~3/s,土地利用变化引起年均径流量减少0.04 m~3/s,气候变化引起年均径流量减少1.37 m~3/s;3)极端土地利用情景模拟分析得出,草地情景的年均径流增加0.1 m~3/s,林地情景的年均径流量减少0.58 m~3/s;4)气候变化情景模拟分析得出,流域径流量与降水变化呈正相关关系,与气温变化呈负相关关系。降水量增加10%和20%时,年均径流量增加3.05 m~3/s和4.02 m~3/s。当降水量减少10%和20%时,年均径流量减少0.93 m~3/s和2.25 m~3/s。气温升高1℃和2℃时,年均径流量减少2.71 m~3/s和3.02 m~3/s。在气候变化环境下,需要重视降水和气温的预测,应通过优化土地结构来减缓气候变化的水文效应。     

林内穿透雨量模型研究

穿透雨量是林内有效雨量的主要组成部分 ,其量能占 90 %以上。由于林冠空间分布的不均匀性 ,难以对林内穿透雨量进行精确地测量。从林冠截留降雨的作用机理出发 ,在做出几个假设的基础上 ,用数学方法建立了林内穿透雨量模型 ,即 :当 P0 ,U>0 )当 P≥ U时 ,R=P- W其中 U=W( b 1 ) ,式中 b,W,U为模型参数 ,R为林内穿透雨量 ,P为大气降雨量 ,α为林分郁闭度。结合两个有实测资料的针叶树林分 ,又进一步介绍了模型参数的确定方法。同时将模型的计算结果与实测数据进行了对比 ,两者吻合性很好 ,验证效果是比较理想的。模型概念清晰 ,参数物理意义明确。在风速和雨强不太大的情况下 ,本模型适用于任何林分的穿透雨量的计算。然而 ,为了应用于无实测资料地区 ,尚须进一步研究模型参数与林分特征的关系。     

林冠截留与大气降水关系的数学模型

本文依据实测数据及有关资料,对林冠截留进行了深入细致的分析,并以物理化学中溶液吸附理论引伸出的上升-饱和函数关系曲线为类比,提出了一组关于林内雨量率、截留率、截留量与大气降水关系的新的数学模型。模型中的3个参数μm、P_o、k水文学意义明确,拟合效果较好,对深入研究林冠截留具有一定现实意义。 林内雨量率公式: 林冠截留率公式: 林冠截留量公式:     

中国森林生态系统林冠层降雨截留特征

森林生态系统作为陆地生态系统的主体,其发达的林冠层通过调节降水量、改变降水强度等深刻影响着流域全过程水文通量及水分输出。以中国广泛开展的典型森林降雨再分配过程的年尺度监测数据为基础,揭示中国不同类型森林生态系统的降雨再分配及林冠层降雨截留特征,阐明森林生态系统林冠层截留特征与降雨、植被要素的关系。结果表明:我国不同森林生态系统年穿透雨量处于141.4-2450.0 mm之间,年穿透雨率为36.3%-92.3%。5种典型森林生态系统多年平均穿透雨量((445.3±252.9)-(1230.6±479.6) mm)占同期多年平均降雨量的(72.6±9.2)%-(77.4±8.9)%。不同森林生态系统年树干茎流量介于0-508.2 mm之间,占同期年降雨量的0-25.8%。5种典型森林生态系统树干茎流量多年平均值((9.8±17.3)-(87.8±81.6) mm)占同期多年平均降雨量的(1.4±1.9)%-(5.4±4.6)%。不同森林生态系统林冠层年降雨截留范围在25.7-812.9 mm之间,占年降雨量的4.2%-55.6%。5种典型森林生态系统多年平均林冠截留量((154.2±81.6)-(392.2±203.5) mm)占同期年平均降雨量的(18.7±7.4)%-(25.9±8.3)%。进一步分析表明,我国森林生态系统穿透雨量、树干茎流量和林冠层截留量随观测区年降雨量的增加而呈显著增大(P<0.05),年穿透雨率、年树干茎流率随年降雨量的增加呈显著线性上升趋势(P<0.05),而年林冠截留率与年降雨量呈显著的负相关关系(P<0.01),降雨量、叶面积指数是深刻影响森林生态系统林冠层降雨截留率等特征的重要因素。整体上,不同类型森林生态系统林冠截留降雨能力存在明显差异,林冠层截留率突出表现为:落叶林大于常绿林、针叶林大于阔叶林。     

川西亚高山典型森林生态系统截留水文效应

截留是水文循环的一个重要过程,水文功能是森林生态系统功能的重要方面,林冠和枯落物截留实现对大气降水的二次分配过程.为深入认识生态系统截留的水文效应,采用野外观测和人工降雨模拟试验相结合的方法,研究了2008年和2009年5-10月贡嘎山亚高山峨眉冷杉中龄林、峨眉冷杉成熟林和针阔混交林的冠层枯落物截留能力.结果表明,峨眉冷杉中龄林2008年林冠截留率为20.9％,针阔混交林2008年和2009年林冠截留率分别为23.0％和23.6％,林冠截留率的年际间变化不大,林冠截留主要受到降雨特征影响.3种林型枯落物饱和持水能力分别为5.1、5.1和5.7 mm,显著高于林冠的饱和持水能力,但由于冠层的截留蒸发速率较高,林冠截留蒸发仍是生态系统截留蒸发的主要组成部分.     

Impact of spruce forest on rainfall interception and seasonal snow cover evolution in the Western Tatra Mountains,Slovakia

The paper analyzes the impacts of the spruce forest on precipitation interception and evolution of snow cover in the mountain catchment of the Jalovecky creek, the Western Tatra Mountains, Slovakia. Both processes were monitored at the elevation of 1420 m a.s.l.. Interception was measured from the end of August 2006 until November 2008 by a network of 13 raingauges. Mean interception over the studied period in forest window was 23%. Mean values for the dripping zone under tree branches, near stems of the trees and under the young trees were 28%, 65% and 44%, respectively. With exception of forest window, the interception at the same characteristic positions was highly variable. Calculated daily precipitation thresholds needed to fulfill the storage capacity of the canopy were about 0.8–0.9 mm. Differences in snow accumulation and melt in the open area (elevation 1500 m a.s.l.) and in the forest were measured in winters 2003–2008. Snow depths (SD) and water equivalents (SWE) were typically smaller in the forest, although the differences were getting smaller towards the end of snow season. SD and SWE in the forest were higher than in the open area for a short time before the end of season in winters 2003 and 2005. The correlations between SD and SWE in the open area and in the forest explained about 90% of variability. The energy balance snow model UEB satisfactorily simulated the evolution of snow cover in the forest and in the open area.     

草坪型结缕草冠层截留性能试验研究

草坪植物冠层对雨水或灌溉水的截留量大小对于草坪水分利用效率具有重要影响.针对草坪型结缕草,用吸水法分别试验研究了单株和群落草坪草的冠层截留特性.结果表明:结缕草的叶片数量、叶面积对单株结缕草截留量影响显著.随着叶片数量的增多,单株结缕草截留量增大,5叶枝条的结缕草截留量高达0.16g,占其植株浸水前自身重的81.22%,而3叶枝条的结缕草截留量仅为5叶枝条结缕草的1/2.单株结缕草截留量与叶面积呈线性正相关关系.对于结缕草草坪,修剪留茬高度越高,截留量就越多.建植3a的草坪在修剪高度14cm时冠层截留可达1.05mm,修剪6cm时截留量为0.48mm.在修剪留茬高度相同的情况下,不同生长年限间草坪草截留量、截留率差异极显著(P＜0.01),建植3a的草坪比建植1a的草坪能拦截更多的水分,在修剪高度6cm时,3a生草坪草截留量为0.48mm,而1年生草坪草截留量为0.38mm,并且随着修剪高度的增加,不同年限间截留量的差异越明显,差值最大可达0.44mm.