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小流域是水源地蓄-耗水过程研究的基本计算单元。本论文以华北山区密云水库上游东台沟流域为研究对象,土壤水分作为综合反映流域蓄-耗水过程的关键变量,结合流域蒸散量的分析计算,探讨2004~2010年间华北山区东台沟小流域蓄-耗水动态特征。主要工作成果及结论如下:
(1)开展流域土壤含水量野外观测和土壤物理性质等室内实验。布设样点进行坡地土壤含水量观测。并对2004~2010年共7年不同观测步长的流域沟道土壤含水量数据进行整理、插补,并进行质量控制,获得2004-1-1~2010-7-7日土壤含水量序列数据。
(2)分析了沟道土壤含水量季节动态、年际差异以及长序列波动特征。土壤水分具有明显的季节性波动特征。沟道土壤含水量水平,丰水年>平水年>枯水年。总体上讲,土壤含水量的变异程度,枯水年>平水年>丰水年。在沟道下游平水年、枯水年变异系数随土壤深度变化的规律相同;沟道上游未发现明显规律。采用去趋势波动分析(DFA)法分析2004~2010年沟道日土壤水分序列,发现土壤水的波动不是完全随机的,而是一个由内在自相似机制决定的持续有序过程,标度指数为1.345~1.590,土壤水序列的波动近似于分维布朗运动。
与沟道土壤含水量显著相关的要素包括蒸发皿蒸发量、风速、相对湿度和气温。沟道土壤含水量与当日降水量、净辐射的相关性不明显。研究区华北山区东台沟小流域沟道土壤含水量主要受前期土壤含水量、前期降水量的影响。降水对沟道土壤含水量的影响达10天以上。小流域坡地土壤含水量与坡向显著相关;与植被覆盖度呈显著正相关。
(3)将蒸散互补相关法应用于研究流域实际蒸散量的计算,并与有波文比观测数据的时段进行对比,探讨了该方法在半干旱华北山区的适用性。互补相关法中的潜在蒸散量部分,采用净辐射、土壤热通量等小流域实测数据,用Penman公式、季节订正后的Priestley-Taylor公式等计算得到。Penman-Monteith公式计算的2004年流域参考作物蒸散量为682mm。分析发现净辐射实测值比经验公式计算值低,是造成实测数据计算的参考作物蒸散量较低的原因。互补相关法计算的蒸散量与波文比法蒸散量相关系数为0.88,但数值偏大,该法在半干旱的华北山区小流域的应用还有待深入探讨。
波文比法观测的2004年流域实际蒸散量495mm。流域年蓄水变量为25.9mm,流域蓄水量略有增加。流域蓄水变量在3月、6~9月为正值,蓄水量在9月份达到最大;之后开始衰减,在次年5月份达到最小。