全 文 ：植物生态学报 2009, 33 (6) 1056~1064
Chinese Journal of Plant Ecology

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收稿日期: 2009-01-08 接收日期: 2009-04-09
基金项目: 中国科学院西部行动计划(二期) (KZCX2-XB2-05-03)和中国科学院西部之光联合学者项目(B183)
* 通讯作者 Author for correspondence E-mail: zhangxp@ms.iswc.ac.cn
基于DEM的黄河中游植被恢复对年均
径流量影响的估计
张晓萍1* 张 橹2 李 锐1 杨勤科1
(1 西北农林科技大学; 中国科学院水土保持研究所, 陕西杨凌, 712100)
(2 CSIRO Land and Water, Christian Laboratory, GPO Box 1666, Canberra, ACT 2601, Australia)
摘 要 植被恢复及其对年均径流量影响的空间格局对黄土高原生态环境建设及水资源管理具有重要指导作用。
在分析植被适宜性分布规律的基础上, 基于黄河中游河口-龙门区间100 m 地形高程模型(DEM)和专家经验进行
了区域植被适宜性制图, 并基于参数率定后的多年平均蒸散量计算公式和水平衡模型, 估算了不同植树造林情景
下年均径流量的变化。结果表明, 河龙区间符合植被带分布规律的适宜区植树面积为6.6×103 km2, 次适宜区植树
面积为4.8×103 km2, 分别占研究区总面积的5.8%和4.3%。土地覆被现状条件下区域产水约为33.8 mm (38.07×108
m3)。适宜区植树后, 区域产水减少量约为1.9 mm (2.12×108 m3), 减少5.6%。适宜区和次适宜区均植树后, 区域产
水减少量约为3.1 mm (3.49×108 m3), 减少9.2%。空间分布格局表明, 区域局部减水最大达到48 mm。受气候条件影
响, 东南部高降雨量地区的流域适宜植树面积达45.1%, 相应减水比例达36.0%。西北部低降雨量地区的流域植树
面积约为0.7%, 相应的减水比例为0.4%。
关键词 植树造林 制图 DEM 模拟 年均径流量 黄河中游
DEM-BASED MODELING OF THE IMPACT OF VEGETATION RESTORATION
ON ANNUAL STREAMFLOW IN THE LOESS PLATEAU OF CHINA
ZHANG Xiao-Ping1*, ZHANG Lu2, LI Rui1, and YANG Qin-Ke1
1Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences; Northwest Agriculture and Forest University, Yangling, Shaanxi
712100, China, and 2CSIRO Land and Water, Christian Laboratory, Canberra, ACT 2601, Australia
Abstract Aims Vegetation is the fundamental measure to control erosion in the Loess Plateau. It is
believed that forests use more water than grasslands and hence reduce average annual streamflow;
however, the spatial distribution of vegetation restoration and its impacts on annual streamflow, espe-
cially on the regional scale, are poorly known. Our objectives were to map the vegetation suitability in
the Hekou-Longmen (Short with He-Long) region of the middle reaches of Yellow River and assess the
impact of afforestation on streamflow based on two plantation scenarios.
Methods We assumed 1) the combined effects of bio-climatic zones on regional scale and local land-
form determined vegetation suitability, 2) higher precipitation is more suitable for plantations and 3) the
extent of soil moisture availability defined by three local factors (slope, aspect and slope profile) de-
pends on precipitation. We defined high, moderate and low vegetation suitability classes and developed
a vegetation suitability map for the region using 100 m Digital Elevation Model (DEM) and the above
assumptions. Plantation scenario 1 was developed using only the highly suitable area, and scenario 2
comprised both the highly and moderately suitable areas. The locally calibrated average annual water
balance model of Zhang et al. (2001) was used to assess the impacts of afforestation on annual stream-
flow in the study area.
Important findings The highly suitable area for plantation covers 6.6×103 km2, and the moderately
suitable area covers 4.9×103 km2, representing 5.8% and 4.3% of the total area, respectively. The planta-
tion area made up 0–45% of individual catchments. The area suitable for plantation became increasingly
张晓萍等: 基于 DEM 的黄河中游植被恢复对
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patchy and sparse from south to north. Under current land cover status, average annual streamflow in
the region was estimated to be 3.81×109 m3 or 33.8 mm. Under scenario 1, average annual streamflow
would be reduced by 2.12×109 m3 or 1.9 mm (5.5%). Under scenario 2, the modeled streamflow reduc-
tion is 3.49×109 m3 or 3.1 mm (9.2%). Corresponding to the spatial distribution of plantation, the reduc-
tion in streamflow is spatially variable. The rate of streamflow reduction varies from 0 to 36%. Mini-
mum reduction occurred in the northwestern part of the region, where there is little area suitable for
plantation development. Maximum reduction of 36% occurred in the southeastern part of the region
where precipitation is highest.
Key words plantation, mapping, DEM, modelling, annual streamflow, the middle reaches of Yellow River
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黄土高原剧烈的水土流失严重地威胁着该地
区资源、环境和社会经济的可持续发展。作为遏
制土壤侵蚀的根本措施, 林草植被恢复对地表径
流及区域水资源的影响等方面都有一定的深入研
究。林草植被建造, 尤其在干旱半干旱地区, 由于
改变了降雨转化为蒸散量和径流量的结构比例 ,
会减少流域年径流量 (刘昌明和钟俊襄 , 1978;
Oyebande, 1988; Calder, 1999; Zhang et al., 2001;
Brown et al., 2005)。黄土高原地区的小区试验和
小流域分析结果也证实了这一观点 (黄明斌等 ,
1999; 赵鸿雁和吴钦孝, 2001; 李勉等, 2005; 潘
成忠和上官周平, 2005)。有学者在估算黄土高原
植树种草对径流折减系数的基础上, 根据生态建
设规划数据, 对黄土高原生态建设需水量进行了
估计(景可和申元村, 2002; 徐建华和王玲, 2003)。
水作为人类生存和社会发展不可缺少的物质基
础, 水量及其变化在干旱/半干旱地区尤为重要。
众多学者讨论了黄土高原造林应遵循的原则及植
被恢复的前景(王义凤 , 1991; 周广胜和张新时 ,
1996; 吴钦孝和杨文治, 1998; 杨文治和邵明安,
2000; 邹厚远, 2000; 景可和申元村, 2001; 陈云
明等, 2002; 谭勇等, 2006), 强调要脱离空洞的数
字上的规划(景可和申元村, 2001)。黄土高原地区
未来植被究竟是怎样的空间分布格局, 相应的区
域水资源空间变化的分布状况如何等还不十分明
了, 需要在不同方法支持下进行探索。
本文以黄河中游河口-龙门(河龙)区间为例 ,
首先基于100 m地型高程模型(DEM)、1997年土地
利用图和1:25万土壤图, 以及专家经验对研究区
进行植被恢复情景预测, 然后借助于参数率定后
的流域水平衡模型, 模拟植被恢复对区域水资源
的影响, 希望了解和掌握对该区植被恢复的空间
格局及其导致的水资源空间变化, 对黄土高原生
态环境建设以及区域水资源管理提供科学依据。
1 研究区概况
黄河中游河口镇到龙门区间, 包括多沙粗沙
区主体部分, 面积约11.3°104 km2。涉晋陕蒙三省
区50多个县(市、旗)近500个乡镇, 人口密度约83
人·km–2。属干旱半干旱气候区, 年平均气温6~14
℃ , 年降水量300~580 mm, 年潜在蒸发1 500~
2 000 mm。年内降水集中在5~9月, 空间上南多北
少, 山地高于周围丘陵。该区多年平均径流系数
8.8%, 径流深68 mm, 地区分布与降水分布不一
致, 受水文地质和下垫面特征影响, 呈现西北高、
东南低的趋势(杨勤业和袁宝印, 1991)。
河龙区间海拔 1 100~1 500 m, 切割深度
100~500 m, 地表裂度30%~70%, 以黄土丘陵沟
壑侵蚀地貌为主。位于鄂尔多斯高原边缘地带 ,
西北部濒临毛乌素沙地, 地表以固定沙丘沙地为
主, 分布有大量丘间洼地和湖淖滩地, 为干旱草
原景观。南部和东部的黄龙山、崂山、吕梁山等
低中山地貌分布着次生落叶阔叶林和温带针叶
林、针阔叶混交林。据1997年遥感影像分析, 河
龙区间农耕地面积约占28.3%, 林灌地占12.2%,
草地约占50.3% (张晓萍等, 2007)。黄土深厚, 土
质疏松, 透水性强, 抗冲刷力差, 水土流失严重。
2 河龙区间植树造林适宜性分析及阈值
确定
黄土高原植树能否成林？众多学者研究后明
确的回答是取决于有没有适宜的气候环境条件 ,
植被建造后土壤水分能否得以良性循环(吴钦孝
和杨文治, 1998; 杨文治和邵明安, 2000; 邹厚远,
2000; 景可和申元村, 2001; 陈云明等, 2002)。由
区域生物气候条件决定的宏观分异, 和由黄土地

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貌决定的土壤水分微域分异, 共同构成了黄土高
原土壤水分环境的总格局 (吴钦孝和杨文治 ,
1998; 杨文治和邵明安, 2000), 对植树造林成功
与否起着决定性作用。
2.1 植被恢复影响因素
黄土高原的宏观生物气候条件是影响植树造
林成功与否的首要因素。20世纪80年代末中国科
学院考察队在对黄土高原全面考察基础上, 依据
年平均降水量、生物气温、干燥度和土壤特征等
因素, 对黄土高原植被水平地带性进行了“生物-
气候”区域划分(王义凤, 1991), 成为黄土高原植
树造林的首要依据。
坡向、坡度和坡型是影响微域土壤水分条件
的地貌因素。据研究, 北半球西南坡向最干燥, 东
北坡向最潮湿(Day & Monk, 1974)。相同降雨条件
下, 坡度越大, 坡中部和坡脚部土壤水分越优越
(杨文治和邵明安 , 2000; 潘成忠和上官周平 ,
2004)。凹形坡对水分聚集作用一般较凸型坡强
(蒋定生等, 1987; 潘成忠和上官周平, 2004; 连纲
等, 2006)。
由于生物气候条件从东南向西北逐渐由湿润
型向干旱型过渡, 由坡度、坡向、坡型决定的微
地貌结构对植树造林成功与否越来越重要。能够
满足植树造林水分条件的微地貌, 由半湿润地区
的任意组合方式 , 向干旱地区的东北坡向-低凹
坡这种最能保证水分的组合方式过渡。
2.2 生物-气候带划分及微地貌因素阈值确定
利用黄土高原1980~2000年平均降雨等气候
数据 , 对黄土高原河龙区间进行了生物-气候区
域划分如图1所示。为了表现森林草原带和典型草
原带由于降水量的不断递减导致的微地貌结构组
合对植树造林影响力不断增强的作用, 本文按照
类似空间内插法, 在每个植被带内各划分了16个
子带, 表现这种过渡性。
对造林地坡度上下限的确定, 参考唐克丽等
(1998)的研究结果。受沿坡面流量、流速以及含
沙水流的侵蚀力变化影响, 坡耕地上发生浅沟侵
蚀的临界坡度为15°~20°, 大于25°的坡耕地浅沟
发生频率最高, 而浅沟侵蚀的发生发展是导致侵
蚀量剧增的主要因素。因此25°被倡议为必须禁止
开垦和实现退耕的土地上限坡度。很陡的坡度不
易于人工操作活动, 本文确定45°作为陡坡界线。
因此把25°~45°作为植树造林的坡度面 , 同时将
其之间又划分为若干级别 , 来表现其在不同生
物-气候带和不同坡度对植树造林的影响力。坡
向、坡度和坡型的级别划分见表1。
2.3 植树造林适宜性程度确定
基本可以确定, 在河龙区间的半湿润、植被
区划为暖温性森林带的地区, 造林时基本不受土
壤水分条件影响。而在半湿润-半干旱和干旱地
区, 植被区划上开始显示出草原地带的特征, 造
林时就要受到微地貌对降水重新分配的影响, 对
植树造林的成功与否起着关键作用。
将研究区植树造林在某地的适宜性分为适
宜、次适宜和不适宜三级。适宜区定义为由宏观
生物气候条件确定的森林植被带, 森林草原带由
微地貌确定的环境条件, 如果土壤水分条件很好,
也属于适宜区。次适宜区定义为森林草原植被带
内土壤水分条件次好的地方, 以及典型草原植被





图1 河龙区间生物植被带划分(王义凤, 1991)
Fig. 1 Division of bio-climate zone for the He-
Long region (Wang, 1991)
背景为研究区100 m DEM, 高程311~2 816 m The
background is 100 m DEM with elevation from 311 to
2 816 m

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带和荒漠草原带内土壤水分条件较好的地方。其
他地方定义为不适宜地区。在适宜区内, 植树造林
后覆盖度有望达到90%, 而在次适宜区, 植树造林
后覆盖度可达70%~80% (吴钦孝和杨文治, 1998)。
3 基于DEM和专家经验的植被适宜性制图
植被适宜性制图流程如图2所示。制图过程考
虑了河龙区间土地覆被、土壤等地表物质的分布,
还着重考虑到植被分布的自然过渡性。自然过渡
性体现在由植被带及子带控制的微地貌组合方式
的逐渐变化中。ARCGIS支持下, 植被带图(图1)
和土壤图由矢量数据转化为100 m栅格数据。1997
年土地利用图由30 m分辨率遥感影像解译而来
(张晓萍等, 2007), 重采样为100 m分辨率。
经过适宜区定义、阈值设定以及ARCGIS软
件处理, 生成河龙区间植被适宜性初图。现有林


表1 坡向、坡度和坡型级别划分
Table 1 Classes of aspect, slope and slope profile
坡度 Slope (°) 坡向及方位角(°)*范围
Aspect and its ranging 地面实际坡度
The actual ground slope
100 m DEM生成坡度**
Slope generated from 100 m DEM
坡型
Slope profile
东北向Northeast: 23~67 25 6.99
北向坡North: 338~360; 0~22 28 11.5
西北向Northwest: 293~337 30 13.5
东向East: 68~112 32 15.5
西向West: 248~292 35 18.2
东南向Southeast: 113~157 38 20.5
南向South: 158~202 40 21.5
西南向Southwest: 203~247 45 23.0
凸型坡 Convex slope
(DEM单元格曲率≥0
The curvature of grid equal or
greater than 0)
凹型坡 Concave slope
(DEM单元格曲率<0
The curvature of grid less than 0)
*: 坡向方位 , 由正北方向按水平面顺时针旋转来定义 , 共分360度 , 本文将其分为8个方向 360 clockwise unit degrees were
generated from north. Eight aspects were classified as shown in the table
**: 地面实际坡度和从100 m DEM生成坡度的对应参考了杨勤科研究员的研究成果 Comparison of the actual ground slope and
the slope generated from 100 m DEM for the region was provided from Prof. Qin-Ke Yang


图2 基于DEM 和专家经验的植被适宜性制图流程
Fig. 2 Flowchart of vegetation suitability mapping based on the 100 m DEM and vegetation distribution concepts


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图3 未来植树造林的情景模拟及产水减少分布格局
Fig. 3 Two plantation scenarios in the region and the water reduction spatial distribution
a: 情景模拟1——适宜区Scenario1―plantation in high suitable area b: 情景模拟2——适宜和次适宜区Scenario
2―plantation in high and moderate suitable area c: 情景模拟1中产水减少分布Water reduction estimation for scenario 1
d: 情景模拟2中产水减少分布Water reduction estimation for scenario 2
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地、灌木林地、村庄、水域、沙地等土地利用和
覆被类型, 以及粗骨土和石质土等土壤类型, 受
到土地利用和土壤条件存在条件的影响, 不作为
植树造林区域, 予以去除, 最终生成河龙区间植
被适宜性图(图3a, 3b)。
制图结果比较符合该区植被带的分布特征。
将适宜植树区作为情景模拟1(图3a), 将适宜区和
次适宜区的共同区域作为情景模拟2(图3b)。结果
表明, 情景模拟1中植树造林面积约6.6×103 km2,
占全区面积的5.8%。次适宜区面积约为4.8×103
km2, 占全区面积的4.3%。情景模拟2中植树造林
面积约11.4×103 km2, 占全区面积的10.1%。植树
造林面积增加比重最大的流域位于研究区东南隅
的鄂河流域, 可达流域面积的45.1%。增加比重最
小的流域位于研究区西部和北部, 红河在情景模
拟2中增加比例为0.7%。
4 区域径流响应
4.1 流域水平衡模型及参数应用
多年平均尺度流域水平衡方程为:
P = R+ET (1)
式中, P为多年平均降雨, R为多年平均径流量, ET
为多年平均实际蒸散量, 单位均以mm计。
对蒸散量的估算, 本文采用了Zhang等(2001)
建立的多年平均流域蒸散量估算方程。该方程在
Budyko (1974)、Pike (1964)等区域蒸散量经验模
型基础上 , 考虑了土壤-根系系统对水储存能力
的影响, 引入了一个参数, 方程如下:
( )
0
1
0 0
1 /
1 / /
w E PET P
w E P E P −
⎛ ⎞+ ⋅= ⎜ ⎟⎜ ⎟+ ⋅ +⎝ ⎠
(2)
式中, E0表示流域潜在蒸发量, 单位均以mm计, w
表示无量纲的流域下垫面特征参数。经过与29个
国家257条对比流域实测资料进行最小二乘方拟
合分析, 认为对森林流域w适用值为2.0, 对草地
流域其适用值为0.5。
用河龙区间38个水文站1980~2000年平均径
流深、降水量和潜在蒸发量数据对方程(2)中w值
率定的结果见文献(Zhang et al., 2008)。结果表明,
从东南向西北, 随着下垫面景观由暖温带半湿润
落叶林带次生林景观, 到暖温带半干旱森林草原
景观, 到暖温带半干旱草原植被景观, 适宜参数
值分别为1.61, 0.45, 0.10。采用率定的参数, 区域
估算蒸散量、径流量与水平衡法计算蒸散量、实
测径流量的一致性指标分别达到0.94和0.63。
为能在DEM研究中使用上述研究成果, 首先
对各水文站控制流域依据式(2)计算所得参数值
(η)和控制区内林地面积(f, %)、干燥指数(DI)等指
标进行回归, 如下式(3), 其相关系数达0.75。
η = 2.413 6–1.756 85 (1–f)–0.016 59 (DI)2 (3)
其次, 采用公式(3)计算每个栅格η值, 用γ表示。
建立栅格γ值和3个景观类型适用w值的联系规则,
如表2。通过上述两个步骤将栅格单元表示的气
候、植被因素与式(2)建立关系, 从而估算栅格的
蒸散量和径流量。植被覆盖为林地的栅格, 估算
蒸散量时采用了原模型的推荐值2.0。


表2 流域下垫面优化参数值的选用规则
Table 2 The using criteria of parameter w in the catch-
ments
w η
1.61 0.8 ≤γ
0.45 0.25≤γ < 0.8
0.1 γ < 0.25
w: 公式(2)中流域下垫面特征参数(无量纲), 对应于河龙
区间不同下垫面特征, 可以取表2内不同值(Zhang et al., 2008)
The land cover parameter indicating plant-available water coeffi-
cient in equation (2). Corresponding to the different land cover
characters in the He-Long region, w can take different values
shown in Table 2 (Zhang et al., 2008) γ: 根据公式(3)计算所得
栅格单元所取的下垫面参数值 The calculated value of the
plant-available water coefficient for the individual pixel with 100
m DEM in this paper using equation (3)

估算流域总蒸散量时, 合理性地视其为林地
和非林地蒸散量的面积加权和, 即,
( ) nff ETfETfET −+= 1 (4)
式中 , ET是流域总蒸散量 , f是流域内林地面积
(%), ETf是由相应林地的w(2.0)计算的林地蒸散
量, ETnf是由相应于非林地的w(1.61、0.45、0.10)
计算的蒸散量。ETnf代表了林地覆被之外利用类
型的综合蒸散量。最后, 将(4)式计算出的流域总
蒸散量带入式(1)计算流域径流量。
4.2 区域径流响应估算
在降雨和蒸发在未来变化不大的假设前提
下 , 采用区域1980~2000年平均降雨量和蒸发数
据, 估算了研究区及主要支流在情景模拟1中径流
的变化量。整个过程以栅格为单元进行判断和估
算(100 m)。流程如图4所示。类似地, 可以得到情

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景模拟2和现有林地条件下的产流量, 采用同样方
法估算现有利用条件下的产水量, 最后依次求出
植树造林不同情景模拟下的产流变化量。单元格
计算结果用面积加权法累加到流域或研究区上。
基于上述研究方法和思路, 河龙区间现有林
地和土地覆被条件下, 产水量是33.8 mm (38.07×
108 m3)。据由黄河干流头道拐和龙门两水文站
1980~2000 年 间 实 测 径 流 估 算 , 河 龙 区 间
1980~2000年实测多年平均产流量约为36.0 mm
(40.59×108 m3)。估算误差约为6.2%, 达到了一定
精度。
受树体本身生长及其强烈蒸腾作用的影响 ,
植树越多, 区域产水量越少。河龙区间适宜植树
区造林后(即情景模拟1), 全区产水约为31.9 mm
(35.95×108 m3), 减少水量约为1.9 mm (2.12×108
m3), 减少约5.6% (图3c); 适宜植树区和次适宜植
树区造林后 (即情景模拟2), 全区产水约为30.7
mm (34.58×108 m3), 减少水量约为3.1 mm (3.49×
108 m3), 减少约9.2% (图3d)。
从东南向西北, 由于降水量由高到低, 植树
造林的适宜性也由高到低, 造林后产水的减少量,
相应地表现出由东南向西北减少的分布格局。区
域减水量局部达到48 mm, 分布于研究区的东南,
研究区西北部由于生物气候条件的限制, 适宜植
树面积十分有限, 减水也有限(图3c, 3d)。
按照面积加权累计法, 估算出河龙区间各主
要流域在植树造林后的产水变化量。最大减水量
为位于研究区域东南部的鄂河流域, 产水的减少





图4 利用现状和情景模拟1下估算产流流程
Fig. 4 Flowchart of streamflow generation under the current land use and scenario 1
P: 降雨量Precipitation E0: 蒸发力The potential evaportranspiration w: 相应河龙区间不同土地覆盖特征的下垫面参数The pa-
rameter corresponding to the different land covers in He-Long region γ: 100 m DEM每个栅格单元相应的下垫面参数The calculated
parameter value in corresponds with individual pixel with 100 m DEM in this paper



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比例达到36.0%, 与相距200 km同纬度的西峰对
比流域研究结果 32%十分类似 (Huang et al.,
2003)。情景模拟1中由于西北很多流域不适宜大
面积植树造林, 其减水量为0。情景模拟2中, 西北
大多流域非常有限的局部地区适宜造林, 其减水
比例也十分有限, 大多在6%以下。
5 结 语
文章首先分析了黄河中游植树造林的适宜
性, 并基于河龙区间100 m DEM和专家经验进行
了区域植被适宜性制图 , 采用该区1980~2000年
间多年平均降水和蒸发数据, 借助于参数率定后
的流域水平衡模型, 估算了不同植树造林情景模
拟中区域径流的减少量, 并分析其空间分布。
结果表明, 除现有林地分布和考虑农业发展
等条件后, 黄河中游河龙区间植树造林的适宜区
面积约为6.6×103 km2, 约占总面积的5.8%。次适
宜区面积约为4.8×103 km2, 约占4.3%。
研究区现有土地覆被条件下产水约33.8 mm
(38.07×108 m3)。适宜区种树后(情景1), 全区产水
31.9 mm (35.95×108 m3), 水量减少2.12×108 m3,
约5.6%。适宜区和次适宜区均植树后(情景2), 全
区 产 水 30.7 mm (34.58×108 m3), 水 量 减 少
3.49×108 m3, 约9.2%。
空间分布格局表明 , 河龙区间东南部流域 ,
适宜植树面积占流域面积比例最大 , 达45.1%,
西北部流域, 适宜植树面积比例最小, 为0~0.7%
(情景1和2)。植树后区域局部减水最大达48 mm。
相应于造林面积的分布, 东南部流域减水比例最
大为36.0%, 西北部流域减水比例最大为0.4% (情
景2)。
多年平均流域蒸散量模型下垫面参数的不
同, 综合体现了河龙区间景观覆被、地形地貌、
土壤、水文地质条件对流域产流的影响。由于本
文的估算采用了1980~2000年均气候数据 , 其模
拟结果虽与对比流域分析结果类似, 仍有待于在
以后的相关研究中得到证实。
参 考 文 献
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责任编委: 刘世荣 责任编辑: 李 敏