论文摘要
雨洪最佳管理方法被提出并用来管理雨洪水,旨在防止洪水对人民生命财产的危害,恢复自然水生态系统功能,实现城乡社会经济可持续发展。然而,目前设计用来进行雨洪管理的最佳管理方法,却不足以实现这一目标。究其原因受其设计理念以及客观环境的限制,雨洪管理模式是基于场所尺度的,尚缺乏对基于空间异质性的流域尺度下的雨洪科学管理的效果的报导。当前土地利用管理被认为可以有效的实行流域尺度的雨洪管理,其组分和构型特征将强有力影响水文的连接度及其控制流域的水文响应。流域土地利用管理宜被用于流域尺度管理空间异质性单元下的雨洪过程；虽然关于土地利用格局和水文过程之间关系的研究大量出现,但往往只关注于土地利用比例的水文学效应,而缺少诸如格局的破碎化水平、物理连接度等对其他的土地利用格局特征的水文学效应研究。有鉴于此,本文则将基于这一点来开展相关的研究。本研究以中国北京西部的永定河流域被作为研究区域,研究目标是拟建立一个模型用来分析流域土地利用格局变化的水文学效应和探讨其在不同尺度下的差异性。研究方法应用有明确物理意义的、全分布式水文模型（GSSHA）来评价不同土地利用格局在同一降雨条件下的流域水文输出；景观指数被用来描述土地利用格局特征；多变量多元逐步回归线性模型被用来建立土地利用格局特征和流域水文输出之间的关系,进而用来预测土地利用格局变化下的水文响应。然后,在多元逐步回归分析的基础上,本研究识别了不同尺度下、对流域水文输出具有显著贡献率的敏感景观指数,并进而探讨了相关的土地利用格局特征,以及从土地利用格局上提出对于未来土地利用开发提出的建议。最后,通过敏感性分析探讨降雨强度的变化对于土地利用格局与流域水文响应关系的影响。结果显示,土地利用格局管理在不同降雨强度下都能够有效的管理流域的雨洪,且在小降雨强度下比大降雨强度下更加有效。在177mmm的降雨强度下,每增加一单位的林地LPI值,场次暴雨的峰值流量和径流总量分别减少3.903m3/s和165158m3。本研究通过引入描述土地利用格局特征的相关变量来加深了关于土地利用变化的水文效应的理解,并显示了空间尺度变化对于土地利用格局与水文效应之间关系的重要影响。在获取与明确了土地利用格局与流域水文输出关系的基础上,本研究提出了一种土地利用格局优化方法来估计最优的土地利用格局来减少城市化对于流域雨洪系统的负面影响。该方法利用回归分析中的回归模型来估计土地利用格局变化的水文响应,然后该模型与一个土地利用分配模型在一个土地利用格局优化建模系统LPOP模型下被结合在一起,目标是找到最小化流域出水口峰值流量或径流总量的最优土地利用格局。CLUE-S土地利用变化模型被用来模拟不同开发强度下的经验土地利用格局。优化效应分析则通过比较同一开发强度下,经验土地利用格局和最优土地利用格局下的土地利用格局特征和流域水文输出来实现。土地利用格局特征分析结果显示,为了最小化峰值流量,林地斑块应该通过面积离散化的形式表现的更加破碎化以及复杂的形状,城市斑块应该更加破碎化,草地斑块的形状应该更加趋于简单；为了最小化径流总量,林地斑块应该通过面积离散化的形式表现的更加破碎化以及复杂的形状,农田斑块的面积应该更加离散化。水文评价的结果显示,相对于流域内土地利用开发位置控制,土地利用组分和构型控制也是控制城市化对于流域雨洪系统负面影响的有效工具。在以峰值流量最小化为目标的土地利用优化过程中,2030年优化后的土地利用下的场次暴雨峰值流量与1993年土地利用格局下的场次暴雨峰值流量相比,要低3.17%-5.49%,而与2030年优化前的土地利用格局和相应土地利用开发强度下的场次暴雨峰值流量相比,要低12.17%-23.94%。最后,土地利用开发总量对于土地利用格局优化的影响,宜通过比较不同开发强度下的最优土地利用格局下的流域水文输出来实现,结果显示,此法可以减少城市化对于流域雨洪系统的负面影响,30%的流域土地应该被保留作为林地,城市用地开发不应该超过流域总面积的50%,农田开发不应超过流域总面积的55%。