本书系国家自然科学基金重大研究计划“黑河流域生态-水文过程集成研究”重点支持项目“黑河流域中游地区生态-水文过程演变规律及其耦合机理”的部分研究成果，针对黑河中游地区水循环与生态系统关系及耦合机理，重点开展气候变化和人类活动影响下黑河流域中游地区水文过程演变规律及其生态效应、黑河流域中游地区生态系统演变规律及其对水循环的影响，以及生态-水文过程耦合模拟相关研究。作者系统搜集和整理黑河中游流域生态-水文过程多源数据，开展研究区典型植被土壤样带野外调查，厘清上中游水文过程演变的主要驱动力，辨识流域 NDVI 时空变化特征及其驱动因素，分析土地利用和景观格局变化规律，探索利用高光谱遥感反演土壤植被信息的方法，建立中游地区基于物理机制的生态水文模型。研究成果可为黑河流域水资源管理和生态系统建设，以及经济社会可持续发展提供重要理论依据和科技支撑。
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序
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 主要研究内容 2
1.2.1 黑河流域上中游地区水文过程演变规律及其生态效应 3
1.2.2 黑河中游地区生态系统演变规律及其对水循环的影响 3
1.2.3 水文过程和生态-水文耦合模拟研究 4
1.3 国内外研究现状 5
1.3.1 流域水文过程模拟研究 5
1.3.2 地表水和地下水转化规律研究 8
1.3.3 生态-水文过程耦合研究 10
1.3.4 黑河流域研究现状概述 13
1.4 主要技术路线 15
参考文献 17
第2章 研究区概况 22
2.1 自然地理概况 22
2.2 气象水文 23
2.3 地质构造 24
2.3.1 前第四系地质 24
2.3.2 第四系地质 25
2.4 水文地质条件 26
2.4.1 地下水的埋藏与分布 26
2.4.2 含水岩层（组）的划分 27
2.4.3 含水层的导水性 27
2.4.4 地下水的补给、径流与排泄条件 27
2.4.5 地表水和地下水的相互转化 28
2.5 水利工程概况 30
2.6 水生态环境状况 31
2.7 经济社会概况 32
参考文献 33
第3章 上游山区径流变化及其对中游地区水资源的影响 34
3.1 中上游流域划分及数据资料 34
3.2 上游山区径流过程模拟与不确定性分析 35
3.2.1 研究方法 35
3.2.2 上游降雨径流过程模拟不确定性分析 36
3.3 上游山区径流变化及其对中游径流变化的影响 39
3.3.1 上游和中游径流双累积曲线及相关关系 39
3.3.2 水文变异诊断 40
3.4 小结 45
参考文献 45
第4章 中上游降水径流变化与水循环演变规律实证分析 46
4.1 降水径流变化趋势与变点 46
4.2 黑河中上游流域水文要素时空变化 52
4.2.1 水文要素的空间变化 52
4.2.2 水文要素的时间变化 53
4.3 黑河中上游流域水文演变驱动力评估 55
4.3.1 评估方法 55
4.3.2 水文模拟法可信度分析 58
4.3.3 累积径流量、累积降水量与累积蒸发量和年份之间的关系 60
4.3.4 中上游流域气候变化与人类活动对水文过程的影响评估 62
4.3.5 上游和中游流域气候变化与人类活动对水文过程的影响评估 63
4.3.6 各子流域气候变化与人类活动对水文过程的影响评估 65
4.4 小结 67
参考文献 68
第5章 黑河中游典型生态系统生态水文调查研究 69
5.1 河岸带植被土壤特征空间变异 69
5.1.1 研究方法 69
5.1.2 植被的空间分布 71
5.1.3 土壤含水量的空间变异 73
5.1.4 植被土壤相关关系分析 76
5.2 荒漠、绿洲-荒漠过渡带植被土壤特征空间变异 79
5.2.1 研究方法 79
5.2.2 土壤属性空间分布特征 80
5.2.3 荒漠植被空间分布特征 89
5.2.4 荒漠植被与土壤属性关系 91
5.3 农田生态系统土壤特征空间变异 95
5.3.1 引言 95
5.3.2 土壤质地变化特征 95
5.3.3 土壤水分变化特征 102
5.3.4 土壤盐分变化特征 105
5.3.5 土壤有机质变化特征 117
5.4 小结 120
参考文献 122
第6章 黑河流域中游蒸散发划分及其驱动要素研究 124
6.1 基于双源模型的蒸散发划分 124
6.1.1 数据来源 124
6.1.2 基于能量平衡的蒸散发模型 129
6.1.3 潜热通量分割 133
6.2 基于水分利用效率的蒸散发划分 135
6.2.1 基于水分利用效率的方法 136
6.2.2 数据处理 139
6.2.3 结果分析 139
6.3 下垫面条件对蒸散发划分的影响 144
6.3.1 典型下垫面的蒸散发划分特征对比 144
6.3.2 植被对蒸散发划分的控制作用 146
6.4 小结 147
参考文献 148
第7章 黑河中游水循环演变对生态系统的影响 151
7.1 黑河中游水循环演变与干旱指数的关系 151
7.2 黑河中上游水文过程演变与下垫面变化的关系 151
7.2.1 基于下垫面指数的弹性系数法 151
7.2.2 流域下垫面变化对水文过程的影响评估 153
7.3 水文过程对植被等驱动因素的响应关系 155
7.3.1 月ET 模型 155
7.3.2 实际蒸散发模型构建 157
7.3.3 植被变化等驱动因素对蒸散发过程的影响评估 166
7.4 小结 179
参考文献 180
第8章 黑河中游地区植被覆盖和景观格局变化研究 181
8.1 黑河中游地区NDVI 变化 181
8.1.1 数据源与处理 181
8.1.2 研究方法 183
8.1.3 黑河流域NDVI 变化分析 184
8.1.4 黑河中游实际蒸散发与NDVI 的关系 188
8.2 黑河中游地区土地利用变化 190
8.2.1 土地利用现状及动态变化 190
8.2.2 土地利用空间变化模拟 193
8.3 黑河中游地区景观格局变化 196
8.3.1 景观格局指数的选取与年际变化 196
8.3.2 景观格局的年际变化 197
8.3.3 景观格局变化的空间分析 199
8.4 小结 203
参考文献 204
第9章 黑河中游土壤植被高光谱反演方法 206
9.1 研究方法 206
9.1.1 人工模拟降水试验及土壤制备 206
9.1.2 土壤及植被光谱测试 208
9.2 土壤水蚀过程机理研究 212
9.2.1 土壤侵蚀过程研究 212
9.2.2 土壤可蚀性因子分析 215
9.3 影响水蚀过程的关键土壤理化参数 221
9.3.1 降水前后土壤理化参数的变化 221
9.3.2 影响水蚀过程的关键土壤理化参数的筛选 222
9.3.3 土壤有机质对水蚀过程的影响 224
9.3.4 土壤团聚体对水蚀过程的影响 225
9.4 基于土壤理化参数的定量反演研究 227
9.4.1 土壤Vis-NIR 光谱特征曲线分析 228
9.4.2 土壤水分的光谱预测 231
9.4.3 土壤有机质的光谱分析预测 235
9.5 基于生物量的定量反演研究 236
9.5.1 生物量的高光谱曲线分析 236
9.5.2 反射光谱与生物量的相关分析 236
9.5.3 生物量与高光谱变量的相关关系 238
9.5.4 生物量的高光谱估算模型 242
9.6 小结 244
参考文献 244
第10章 分布式生态水文模型原理和框架 247
10.1 模型框架 247
10.2 一维明渠汇流模型 247
10.2.1 模型结构 248
10.2.2 空间离散 250
10.2.3 模型的求解 251
10.3 土壤水入渗模型 251
10.4 三维地下水流运动模型 252
10.5 生态过程模拟模型 255
10.6 模型代码验证 257
10.6.1 地下水中三维连续点源模型 258
10.6.2 地下一维饱和非饱和流问题 259
10.6.3 一维地表水流问题 260
10.7 小结 261
参考文献 261
第11章 分布式生态水文模型率定与验证 264
11.1 基础数据 264
11.1.1 水文参数 264
11.1.2 土壤水分参数 267
11.1.3 水文地质参数 274
11.1.4 监测数据 276
11.1.5 遥感数据 281
11.2 基于NDVI 的植被时空演变规律分析 285
11.2.1 Mann-Kendall 算法 285
11.2.2 植被物候特征变化规律分析 286
11.2.3 研究区植被多年变化趋势 288
11.3 水文过程的参数反演和验证 295
11.3.1 地表水模型中参数反演和验证 295
11.3.2 地下水和黑河水力关系的动态转化 296
11.3.3 水文地质参数率定 299
11.3.4 潜水位动态和地下水均衡分析 304
11.4 生态模型的建立与校核 308
11.4.1 农田与荒漠地区模型的建立与校核 308
11.4.2 河岸岸边带和过渡带模型的建立与校核 314
11.5 小结 320
参考文献 321
第12章 分布式生态水文模型综合集成与预测 323
12.1 流域水文和生态耦合系统 323
12.2 现状条件下地表水与地下水动态转化规律 324
12.2.1 地表水和地下水转化现状分析 324
12.2.2 地表水和地下水转化预测分析 324
12.3 气候变化和人类活动影响下生态水文过程演化分析 328
12.3.1 基于GCMs 未来气候变化情景 328
12.3.2 研究区不同生态系统未来生态演化分析 330
12.4 小结 337
参考文献 337
第13章 结论与建议 338
13.1 结论 338
13.2 建议 341
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