基于土地利用格局優(yōu)化的雨洪管理模式研究.pdf

1、雨洪最佳管理方法被提出并用來管理雨洪水，旨在防止洪水對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)的危害，恢復(fù)自然水生態(tài)系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。然而，目前設(shè)計(jì)用來進(jìn)行雨洪管理的最佳管理方法，卻不足以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。究其原因受其設(shè)計(jì)理念以及客觀環(huán)境的限制，雨洪管理模式是基于場所尺度的，尚缺乏對(duì)基于空間異質(zhì)性的流域尺度下的雨洪科學(xué)管理的效果的報(bào)導(dǎo)。當(dāng)前土地利用管理被認(rèn)為可以有效的實(shí)行流域尺度的雨洪管理，其組分和構(gòu)型特征將強(qiáng)有力影響水文的連接度及其控制流域的水文

2、響應(yīng)。流域土地利用管理宜被用于流域尺度管理空間異質(zhì)性單元下的雨洪過程;雖然關(guān)于土地利用格局和水文過程之間關(guān)系的研究大量出現(xiàn)，但往往只關(guān)注于土地利用比例的水文學(xué)效應(yīng)，而缺少諸如格局的破碎化水平、物理連接度等對(duì)其他的土地利用格局特征的水文學(xué)效應(yīng)研究。有鑒于此，本文則將基于這一點(diǎn)來開展相關(guān)的研究。
　　 本研究以中國北京西部的永定河流域被作為研究區(qū)域，研究目標(biāo)是擬建立一個(gè)模型用來分析流域土地利用格局變化的水文學(xué)效應(yīng)和探討其在不同尺度下

3、的差異性。研究方法應(yīng)用有明確物理意義的、全分布式水文模型(GSSHA)來評(píng)價(jià)不同土地利用格局在同一降雨條件下的流域水文輸出;景觀指數(shù)被用來描述土地利用格局特征;多變量多元逐步回歸線性模型被用來建立土地利用格局特征和流域水文輸出之間的關(guān)系，進(jìn)而用來預(yù)測土地利用格局變化下的水文響應(yīng)。然后，在多元逐步回歸分析的基礎(chǔ)上，本研究識(shí)別了不同尺度下、對(duì)流域水文輸出具有顯著貢獻(xiàn)率的敏感景觀指數(shù)，并進(jìn)而探討了相關(guān)的土地利用格局特征，以及從土地利用格局上提

4、出對(duì)于未來土地利用開發(fā)提出的建議。最后，通過敏感性分析探討降雨強(qiáng)度的變化對(duì)于土地利用格局與流域水文響應(yīng)關(guān)系的影響。
　　 結(jié)果顯示，土地利用格局管理在不同降雨強(qiáng)度下都能夠有效的管理流域的雨洪，且在小降雨強(qiáng)度下比大降雨強(qiáng)度下更加有效。在177mm的降雨強(qiáng)度下，每增加一單位的林地LPI值，場次暴雨的峰值流量和徑流總量分別減少3.903 m3/s和165158 m3。本研究通過引入描述土地利用格局特征的相關(guān)變量來加深了關(guān)于土地利用變化

5、的水文效應(yīng)的理解，并顯示了空間尺度變化對(duì)于土地利用格局與水文效應(yīng)之間關(guān)系的重要影響。
　　 在獲取與明確了土地利用格局與流域水文輸出關(guān)系的基礎(chǔ)上，本研究提出了一種土地利用格局優(yōu)化方法來估計(jì)最優(yōu)的土地利用格局來減少城市化對(duì)于流域雨洪系統(tǒng)的負(fù)面影響。該方法利用回歸分析中的回歸模型來估計(jì)土地利用格局變化的水文響應(yīng)，然后該模型與一個(gè)土地利用分配模型在一個(gè)土地利用格局優(yōu)化建模系統(tǒng)LPOP模型下被結(jié)合在一起，目標(biāo)是找到最小化流域出水口峰值流

6、量或徑流總量的最優(yōu)土地利用格局。CLUE-S土地利用變化模型被用來模擬不同開發(fā)強(qiáng)度下的經(jīng)驗(yàn)土地利用格局。優(yōu)化效應(yīng)分析則通過比較同一開發(fā)強(qiáng)度下，經(jīng)驗(yàn)土地利用格局和最優(yōu)土地利用格局下的土地利用格局特征和流域水文輸出來實(shí)現(xiàn)。
　　 土地利用格局特征分析結(jié)果顯示，為了最小化峰值流量，林地斑塊應(yīng)該通過面積離散化的形式表現(xiàn)的更加破碎化以及復(fù)雜的形狀，城市斑塊應(yīng)該更加破碎化，草地斑塊的形狀應(yīng)該更加趨于簡單;為了最小化徑流總量，林地斑塊應(yīng)該通過

7、面積離散化的形式表現(xiàn)的更加破碎化以及復(fù)雜的形狀，農(nóng)田斑塊的面積應(yīng)該更加離散化。水文評(píng)價(jià)的結(jié)果顯示，相對(duì)于流域內(nèi)土地利用開發(fā)位置控制，土地利用組分和構(gòu)型控制也是控制城市化對(duì)于流域雨洪系統(tǒng)負(fù)面影響的有效工具。在以峰值流量最小化為目標(biāo)的土地利用優(yōu)化過程中，2030年優(yōu)化后的土地利用下的場次暴雨峰值流量與1993年土地利用格局下的場次暴雨峰值流量相比，要低3.17％～5.49％，而與2030年優(yōu)化前的土地利用格局和相應(yīng)土地利用開發(fā)強(qiáng)度下的場次暴