香溪河流域土地利用变化径流效应研究

论文摘要

近年来,土地利用变化在区域尺度上的资源与环境效应得到了广泛关注。土地利用变化的重要环境效应之一是以水文效应出现的。针对特定区域,弄清土地利用变化与水文变化之间的联系,成为区域资源问题、环境问题及生态问题上政策效应分析的重要手段。本研究在长江中上游地区选取了香溪河流域作为研究区域进行研究,研究香溪河流域不同土地利用方式的产流效应,研究土地利用变化对河川径流的影响,研究降雨时空分布、森林植被对降雨的调节作用,对于认识其水土资源特点和产流规律,提高对水资源敏感性、脆弱性研究,据以采取相应防治对策具有重要意义。论文选择使用了分布式水文模型（SWAT）对香溪河流域的径流响应进行模拟研究。基于地理信息系统技术,建立了香溪河流域的空间数据库（包括数字高程模型、土地利用图、土壤类型图等）和属性数据库（包括降雨、气温、风速、相对温度）。根据DEM和水系分布图由模型自动将整个研究区划分为17个子流域,根据子流域内优势土地利用覆被和优势土壤类型,设定土地利用和土壤阈值都为10%,在流域内划分出115个水文响应单元。利用1971～1989年实测水文资料进行了模型参数的校准和验证,年径流校准期和验证期的相关系数分别为0.77和0.83,Nash-Suttcliffe系数分别为0.72和0.67,月径流校准期和验证期的相关系数分别为0.82和0.77,Nash-Suttcliffe系数分别为0.77和0.74,结果表明实测径流和模拟径流的线性回归系数和模型的效率系数满足模型模拟的要求,该模型适用于研究流域。基于SWAT模型的模拟分析结果,以85年为例,对香溪河流域不同土地利用方式对径流的贡献进行了对比分析,得出坡耕地产生的径流深最大,637.5mm,梯田或平原耕地次之,林地最小,为546.99 mm。最大的坡耕地为最小的林地的1.16倍。采用固定一个影响因子,来研究另一个影响因子对径流的影响。论文分析了土地利用变化对径流的影响,模拟结果表明,在相同的降雨条件下,90年代的土地利用方式与80年代的土地利用方式相比,径流量减少。采用情景分析法,分别模拟了不同水文年和不同森林覆盖率条件下的降雨径流关系。结果表明径流量随降雨量的增加而增加,随着森林覆盖率的增加,径流量减少。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 前言
• 1 国内外研究现状与发展趋势
• 1.1 产汇流理论研究进展
• 1.2 土地利用变化对流域水文的影响研究进展
• 1.2.1 土地利用变化对径流过程的影响
• 1.2.2 土地利用变化对径流量的影响
• 1.2.2.1 植被变化对径流量的影响
• 1.2.2.2 农业开发活动对径流量的影响
• 1.2.2.3 城市化过程对径流量的影响
• 1.2.2.4 水土保持措施对径流量的影响
• 1.2.3 土地利用变化水文效应研究方法
• 1.2.3.1 试验流域法
• 1.2.3.2 水文特征参数的时间序列分析法
• 1.2.3.3 水文模型分析法
• 1.3 存在问题及研究展望
• 1.3.1 存在的问题
• 1.3.1.1 研究方法
• 1.3.1.2 研究结论不一致
• 1.3.2 研究展望
• 2 研究流域概况
• 2.1 香溪河流域自然资源概况
• 2.1.1 气候资源
• 2.1.2 土地资源
• 2.1.3 矿产资源
• 2.1.4 水能资源
• 2.1.5 生物资源
• 2.2 土地利用特点
• 2.2.1 土地利用地区差异较大
• 2.2.2 土地利用类型复杂多样
• 2.3 香溪河流域自然资源利用存在的问题
• 2.3.1 自然灾害
• 2.3.2 水土流失
• 2.3.3 土地利用存在的问题
• 2.3.4 工业发展的局限性
• 2.3.5 环境污染
• 3 研究技术途径
• 3.1 研究内容
• 3.2 主要研究方法
• 3.2.1 水文学方法
• 3.2.2 情景分析法
• 3.2.3 水文模型模拟法
• 3.3 技术路线
• 3.3.1 地理信息系统研究方法及软件的应用
• 3.3.1.1 地理信息系统主要功能
• 3.3.1.2 地理信息系统平台选择
• 3.3.2 空间数据库和属性数据库的构建
• 3.3.3 分布式水文模型的选取及其适用性评价
• 3.3.3.1 水文模型的选取
• 3.3.3.2 分布式水文模型的启用
• 3.3.3.3 分布式水文模型的适应性评价
• 3.3.4 基于分布式水文模型的土地利用变化径流效应分析
• 4 SWAT模型的结构与原理
• 4.1 SWAT模型概述
• 4.2 SWAT模型的主要特点
• 4.3 SWAT模型结构
• 4.4 SWAT模型的水文过程原理
• 4.4.1 SWAT水循环的陆面部分模拟
• 4.4.1.1 气候
• 4.4.1.2 水文
• 4.4.1.3 植被
• 4.4.2 SWAT水循环的水面部分模拟
• 4.4.2.1 主河道或河段的汇流
• 4.4.2.2 水库的汇流计算
• 4.4.3 SWAT主要计算公式
• 4.4.3.1 SCS模型
• 4.4.3.2 土壤水计算
• 4.5 SWAT模型参数的敏感度分析
• 4.5.1 模型参数敏感度分析方法
• 4.5.2 径流模拟敏感度分析结果
• 4.6 SWAT模型参数的校准与检验
• 4.6.1 模型的运行过程
• 4.6.2 模型的适应性评价
• 5 研究区基本数据准备
• 5.1 研究流域空间数据库的建立
• 5.1.1 地图投影变换
• 5.1.2 DEM数据及处理
• 5.1.3 土地利用图数据及处理
• 5.1.4 土壤分类数据
• 5.1.5 气象站空间分布结果
• 5.2 研究流域属性数据库的建立
• 5.2.1 土地利用属性数据库
• 5.2.2 土壤属性数据库
• 5.2.3 气象数据的处理及天气发生器的制作
• 5.2.4 水文观测资料
• 6 香溪河流域降雨和土地利用特征分析
• 6.1 研究流域降雨特征分析
• 6.1.1 降雨的年际动态
• 6.1.2 降雨的年内分布规律
• 6.1.3 降雨径流关系分析
• 6.2 香溪河流域土地利用变化特征分析
• 7 香溪河流域降雨径流模拟与验证
• 7.1 流域空间离散化
• 7.1.1 基于DEM的流域河网水系提取
• 7.1.2 流域边界的确定
• 7.1.3 子流域的划分
• 7.1.4 水文响应单元
• 7.2 SWAT模型的运行
• 7.2.1 模型输入参数的赋值
• 7.2.2 模型运行过程中使用方法的选择
• 7.3 SWAT模型的校准与验证
• 8 土地利用变化对流域径流的影响分析
• 8.1 不同土地利用类型的径流量贡献率
• 8.2 两期土地利用类型对流域径流的贡献率对比
• 8.3 土地利用变化对流域径流的影响
• 9 基于SWAT模型的流域径流预测
• 9.1 不同水文年流域径流预测
• 9.1.1 情景建立
• 9.1.2 结果分析
• 9.2 不同森林覆盖率下的水文预测
• 9.2.1 情景建立
• 9.2.2 结果分析
• 10 结论
• 10.1 论文结论
• 10.2 论文创新
• 10.3 不足
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 致谢