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《山东师范大学》 2012年
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基于SWAT模型的白马河流域土地利用/覆被变化的水文效应研究

王学  
【摘要】:作为全球环境变化研究的重要立足点和切入点,土地利用/覆被变化不仅是人地相互作用过程的最终体现,也是地球表层系统变化最明显的景观标志。其中,土地利用/覆被变化的流域水文效应研究是当前全球变化和水文学研究的关键问题之一。长时段内,气候变化是影响流域水文过程的主要原因之一;而较短时段内,人口增长、经济水平提高、城市化以及改革开放政策等驱动的流域土地利用/覆被变化,必然会对流域水文过程产生较大影响,进而影响流域水量平衡并引发水土流失、土地退化等生态环境问题。因此,开展土地利用/覆被变化的水文效应研究在促进流域水资源的合理开发与管理、保证流域水土资源的可持续利用等方面,均具有重要的意义。 20世纪70年代以来,分布式水文模型在流域水文过程的模拟研究方面应用较广。其中,由美国农业部(USDA)农业研究中心于1994年开发的SWAT模型(Soil and Water Assessment Tool),以水量平衡为基本原理,因具有较为简单且适用性强、可实现长期连续时间模型、降低了空间差异、水文模拟精度较高等优点,在流域土地利用/覆被变化的水文效应研究方面应用较广。 本文选择山东省南四湖流域的重要子流域——白马河流域为研究区域,基于3S技术平台,对收集到的1987年、1997年和2007年TM影像进行人工交互目视解译,得到20多年来的3期土地利用/覆被情景,并利用CA-Markov模型预测流域2017年的土地利用/覆被情景;在此基础上,建立流域SWAT模型,模拟并计算不同土地利用类型对流域产流的贡献系数;并通过流域气候和径流年际变化突变点的确定,模拟并计算不同气候和土地利用类型对流域产流影响的贡献率,以期为流域水资源管理以及水土保持措施的制定提供依据。 本文的主要研究结论如下: (1)1987-2007年流域内主要的土地利用类型是耕地、居民点及建设用地、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、坡度和坡向这三大地形因子对流域的土地利用/覆被格局均有一定影响,但对耕地、有林地、灌木林地和疏林地的影响更为显著。其中,耕地主要分布在阳坡,且随高程增加和坡度增大,分布面积呈上升趋势;居民点及建设用地与高程和坡度的关系与耕地的类似,但受坡度的制约较小;有林地、灌木林地和疏林地是高程250m以上、陡坡和险坡以及半阴坡地区的优势土地利用类型。相比之下,三大地形因子对草地、水域和未利用地的影响则不甚明显。 (2)运用CA-Markov模型对流域未来土地利用/覆被的情景进行预测。结果表明,2017年流域土地利用类型仍以耕地、居民点及建设用地、灌木林地和疏林地、有林地为主,2007-2017年,居民点及建设用地、灌木林地和疏林地面积有所增加,耕地和有林地面积则持续减少。 (3)在ArcGIS9.3软件的支持下,建立流域SWAT模型;选择流域1991-1995年的实测径流数据,运用SWATCUP软件对SWAT模型进行校正,通过不断调整敏感性参数,达到较好的校正效果(NS系数=0.77;相关系数R2=0.79);选择1986-1990年和1996-2000年2个时段的实测径流数据进行模型的验证,其NS系数和相关系数R2也均达到了乙级标准,说明SWAT模型在白马河流域是适用的。 (4)保持1986-2000年的气候输入不变,分别模拟1987年、1997年和2007年土地利用/覆被情景下的径流量,结果表明,20年来流域的径流量逐渐减小;为更清晰的反映不同土地利用/覆被对流域径流量的影响,建立4种未来的土地利用/覆被情景:2017年预测情景(F1)、退耕还林情景(F2)、土地严重退化情景(F3)、封山育林情景(F4),并对其影响下的径流量进行分析,结果表明,相比于2007年的情景,从F1→F4,流域径流量呈不同程度的增加趋势。根据不同的土地利用/覆被情景,建立多目标决策函数,计算流域4种主要的土地利用类型对径流量的贡献系数,得到的有林地、灌木林地和疏林地、居民点及建设用地的贡献系数均为正值,说明三者均有促进产流的作用,而有林地对流域产流的贡献最大;耕地的贡献系数为负,说明耕地具有抑制径流产生的作用。 (5)建立不同气候和不同土地利用/覆被情景下的SWAT模型,模拟并计算气候变化和土地利用/覆被变化对径流量变化的贡献率,分别为42.85%和56.97%,说明气候和土地利用/覆被为影响流域径流量变化的主要因素。其中,土地利用/覆被变化的贡献略大,而气候变化的贡献相比略小。
【学位授予单位】:山东师范大学
【学位级别】:B
【学位授予年份】:2012
【分类号】:F301.2;P334.92

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【引证文献】
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