[01270435]中国北方森林恢复多尺度生态水文响应机理

水资源短缺与生态退化是水资源管理面临的重大挑战之一，而多尺度综合管理则是解决这一挑战的有效途径。

传统的流域管理措施如土地利用调整、植被变化、生态恢复、工程措施等被广泛应用于改善流域水量的实践中。

然而，由于流域广泛存在的异质性（如地形、地貌、植被、土壤等）和流域管理措施的多样化组合与气候变异相互叠加，使得森林植被对流域生态水文的影响呈现多样化的特点和具有很大的不确定性，因此，深入研究多尺度植被恢复对生态水文过程的内在变化规律与外在影响因素，不断融合相关信息、不断调整相关流域经营管理技术措施，建立适应的植被恢复体系，是实现流域可持续发展，改善流域水量的有效途径，也是国内外研究的热点。

近年来，在传统对比流域或单一流域试验方法的基础上，统计方法等到了广泛的应用。

其可用来检测流域长期气候和水文数据的变化趋势，如径流历时曲线（Flow Duration Curve，FDC）、回归分析、谱分析、参数检验以及非参数检验等。

但是，由于流域异质性的广泛存在、流域管理措施的多样化以及气候变异相互叠加与耦合，只有采用基于物理过程分布式流域水文模型才有可能从物理机制上融合大量的流域植被信息、水文通量信息和流域管理措施体系，从而深入刻画和认识流域管理措施对流域生态水文过程的影响，实现对流域水文过程的模拟和水文生态效果的预测，进而提出基于多样化和不确定性的适应性流域植被经营管理措施技术体系，实现对流域水土资源的可持续管理。

MIKE SHE和SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是目前国内外应用最为广泛的基于物理过程分布式水文模型。基于流域下垫面和气候因素的时空异质性，MIKE SHE模型将研究流域离散成若干个网格（grid）。网格大小由研究流域面积、下垫面以及模型的模拟精度等情况而定。在MIKE SHE模型中流域被划分为水平方向和垂直方向两个维度进行模拟：在水平方向上，一系列水文单元相互联系但又具有不同的物理参数;在垂直方向上，模型根据水文过程分为若干层（zone）：冠层、不饱和层和饱和层。

MIKE SHE模型可以模拟包括降水、蒸散发、截留、汇流，非饱和壤中流和饱和地下径流等陆地全部的水循环过程，每一个子过程分别进行建模计算该模型最大的特色是可以对地下水资源和地下水环境问题进行分析。

另外，该模型还有灵活性高，通用性好，易操作等特点。从土壤坡面尺度到整个流域尺度MIKE SHE模型都有很好的适用性，但从模型对气候和地理要素的空间异质性的处理和整合方式以及模型运算量出发，该模型适用于小流域水文响应模拟研究。

SWAT模型将水文过程分为两部分进行模拟：陆面部分模拟产流和坡面汇流，主要包括主河道的地表径流、土壤水、地下水以及泥沙和农业污染物的循环过程;水面部分模拟河网汇流部分，主要模拟流域内水流、泥沙和农业污染物等物质从河网向流域出口输移的过程。

首先，SWAT模型根据流域DEM通过填洼（remove sinks）处理提取河网。其次，模型通过设置最小汇水面积阈值，确定流域来水，出水口以及流域内水库后将整个流域划分为若干子流域（Subbasin）。

接着，根据土地利用和土壤类型的异同性将每个子流域划分出不同的水文响应单元（Hydrologic Response Units，HRU），从而描述流域下垫面和气象因素时空差异性。

SWAT模型结构设计规定每个子流域至少包括：1个HRU（不考虑HRU之间交互作用），1个支流河道（用于计算子流域汇流时间）和1个主河道（或河段）。

模型内每个子流域独立进行分布式产流计算，接着通过汇流演算模拟河网和水库等蓄水体的汇流过程，然后通过叠加对比实测数据模拟数据，进行参数率定，进而分析是否接受模型的输出值。

SWAT模型采用模块化设计，水文循环对应不同的模块，便于模型命令代码可以根据需要进行扩展和应用。

MIKESHE和SWAT模型已经广泛应用于世界不同区域，主要针对人类活动、气候变异、植被恢复或其他因素对大范围降水的影响进行直接评价，或是对模型未来应用的实用性进行探测性评价，较好的满足了使用者的需要。

该研究依托国际合作项目，分析了中国北方植被恢复对区域、流域和生态系统尺度水文特征的影响，通过流域长期的气候、水文、生态等相关数据的实测。

1)探讨区域森林植被恢复的水文过程响应。

2)辨析流域森林植被恢复及气候变化如何影响流域生态水文功能。

3)采用MIKESH和SWAT模拟评价流域潜在土地利用与植被变化等经营管理措施变化引起流域水量变化特征，提出为应对气候变化、改善水库水量与水体的适应性流域管理措施。

4)不同制备类型水分利用策略与环境因子的耦合关系。