基于SWAT模型的白馬河流域土地利用-覆被變化的水文效應(yīng)研究.pdf

1、作為全球環(huán)境變化研究的重要立足點和切入點,土地利用/覆被變化不僅是人地相互作用過程的最終體現(xiàn),也是地球表層系統(tǒng)變化最明顯的景觀標志.其中,土地利用/覆被變化的流域水文效應(yīng)研究是當前全球變化和水文學研究的關(guān)鍵問題之一.長時段內(nèi),氣候變化是影響流域水文過程的主要原因之一;而較短時段內(nèi),人口增長、經(jīng)濟水平提高、城市化以及改革開放政策等驅(qū)動的流域土地利用/覆被變化,必然會對流域水文過程產(chǎn)生較大影響,進而影響流域水量平衡并引發(fā)水土流失、土地退化等

2、生態(tài)環(huán)境問題.因此,開展土地利用/覆被變化的水文效應(yīng)研究在促進流域水資源的合理開發(fā)與管理、保證流域水土資源的可持續(xù)利用等方面,均具有重要的意義.
　　20世紀70年代以來,分布式水文模型在流域水文過程的模擬研究方面應(yīng)用較廣.其中,由美國農(nóng)業(yè)部(USDA)農(nóng)業(yè)研究中心于1994年開發(fā)的SWAT模型(Soil and Water Assessment Tool),以水量平衡為基本原理,因具有較為簡單且適用性強、可實現(xiàn)長期連續(xù)時間模型、

3、降低了空間差異、水文模擬精度較高等優(yōu)點,在流域土地利用/覆被變化的水文效應(yīng)研究方面應(yīng)用較廣.
　　本文選擇山東省南四湖流域的重要子流域——白馬河流域為研究區(qū)域,基于3S技術(shù)平臺,對收集到的1987年、1997年和2007年TM影像進行人工交互目視解譯,得到20多年來的3期土地利用/覆被情景,并利用CA-Markov模型預測流域2017年的土地利用/覆被情景;在此基礎(chǔ)上,建立流域SWAT模型,模擬并計算不同土地利用類型對流域產(chǎn)流的貢

4、獻系數(shù);并通過流域氣候和徑流年際變化突變點的確定,模擬并計算不同氣候和土地利用類型對流域產(chǎn)流影響的貢獻率,以期為流域水資源管理以及水土保持措施的制定提供依據(jù).
　　本文的主要研究結(jié)論如下:
　　(1)1987-2007年流域內(nèi)主要的土地利用類型是耕地、居民點及建設(shè)用地、有林地、灌木林地和疏林地,其次是草地、水域和未利用地.高程、坡度和坡向這三大地形因子對流域的土地利用/覆被格局均有一定影響,但對耕地、有林地、灌木林地和疏林地

5、的影響更為顯著.其中,耕地主要分布在陽坡,且隨高程增加和坡度增大,分布面積呈上升趨勢;居民點及建設(shè)用地與高程和坡度的關(guān)系與耕地的類似,但受坡度的制約較小;有林地、灌木林地和疏林地是高程250m以上、陡坡和險坡以及半陰坡地區(qū)的優(yōu)勢土地利用類型.相比之下,三大地形因子對草地、水域和未利用地的影響則不甚明顯.
　　(2)運用CA-Markov模型對流域未來土地利用/覆被的情景進行預測.結(jié)果表明,2017年流域土地利用類型仍以耕地、居民點

6、及建設(shè)用地、灌木林地和疏林地、有林地為主,2007-2017年,居民點及建設(shè)用地、灌木林地和疏林地面積有所增加,耕地和有林地面積則持續(xù)減少.
　　(3)在ArcGIS9.3軟件的支持下,建立流域SWAT模型;選擇流域1991-1995年的實測徑流數(shù)據(jù),運用SWATCUP軟件對SWAT模型進行校正,通過不斷調(diào)整敏感性參數(shù),達到較好的校正效果(NS系數(shù)=0.77;相關(guān)系數(shù)R2=0.79);選擇1986-1990年和1996-2000年

7、2個時段的實測徑流數(shù)據(jù)進行模型的驗證,其NS系數(shù)和相關(guān)系數(shù)R2也均達到了乙級標準,說明SWAT模型在白馬河流域是適用的.
　　(4)保持1986-2000年的氣候輸入不變,分別模擬1987年、1997年和2007年土地利用/覆被情景下的徑流量,結(jié)果表明,20年來流域的徑流量逐漸減小;為更清晰的反映不同土地利用/覆被對流域徑流量的影響,建立4種未來的土地利用/覆被情景:2017年預測情景(F1)、退耕還林情景(F2)、土地嚴重退化情

8、景(F3)、封山育林情景(F4),并對其影響下的徑流量進行分析,結(jié)果表明,相比于2007年的情景,從F1→F4,流域徑流量呈不同程度的增加趨勢.根據(jù)不同的土地利用/覆被情景,建立多目標決策函數(shù),計算流域4種主要的土地利用類型對徑流量的貢獻系數(shù),得到的有林地、灌木林地和疏林地、居民點及建設(shè)用地的貢獻系數(shù)均為正值,說明三者均有促進產(chǎn)流的作用,而有林地對流域產(chǎn)流的貢獻最大;耕地的貢獻系數(shù)為負,說明耕地具有抑制徑流產(chǎn)生的作用.
　　(5)