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石羊河典型流域土地利用/覆被变化的水文生态响应研究

作　者: 王多尧
导　师: 孙保平
学　校: 北京林业大学
专　业: 水土保持与荒漠化防治
关键词: 石羊河上游景观类型径流SWAT模型土地利用/森林覆被
分类号: S715.3
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

河西地区是我国著名的商品粮基地之一,石羊河流域是河西地区农业经济较为发达的区域,也是我国西北干旱区生态极为脆弱的地带,区域内生态类型多样,但是由于独特的地理环境和气候以及人类发展过程的不合理开发的逐步影响,生态环境十分脆弱,区域内地下水位下降、土地沙化、盐渍化加重、植被退化等一系列生态环境问题,土地利用变化明显。石羊河上游水源涵养林是流域内主要的水源补给区,维系着石羊河流域的生态、经济发展的战略安全,对中、下游地区的水土保持与荒漠化防治起着举足轻重的作用。因此,深入研究石羊河上游地区土地利用/森林覆被变化的水文生态响应的研究对揭示石羊河流域森林覆被变化与流域内径流的关系和区域内生态建设具有重要价值。为了进一步研究西北地区森林景观格局的变化与径流的相互关系和调控作用,本论文选择石羊河上游的中部4条河,黄羊河、杂木河、金塔河、西营河四个为研究对象,位于武威城附近汇成石羊河干流流入红崖山水库后进入民勤盆地,构成“六河”水系。应用以1999-2009年Landsat/TM的为数据源,在桌面GIS支持下利用Fragstats软件解译出研究区各景观类型,通过六个水系流域土地利用变化和降水径流变化的趋势分析,阐述土地利用/森林覆被变化和降水变化对径流过程的影响,并利用分布式水文模型SWAT模拟分析流域不同土地利用/森林覆被变化的径流变化情况,以期为石羊河上游林区森林植被建设和水资源调控提供理论依据。主要研究成果如下：(1)研究时段内石羊河上游域呈草地增加,灌木林先增后减小,针叶林、灌木林和水域面积减少的趋势；石羊河上游流域草地、农田、居民地和裸岩增加,林地和河滩地减少的趋势；在6种土地利用类型中草地所占面积最大(草地、林地、耕地、冰川与积雪、寒漠),占整个流域面积的67%以上,灌木林有明显的增加趋势,冰川与永久积雪、草地和乔木林有所减少,农田和水域增幅都在一个百分点以内,土地利用类型转化没有呈现明显的规律性。草地的变化率是最小的,为3.46%。其次为水域、森林、冰雪、灌木、农田,最大的是裸地,其中变化率达到282.64%,草地景观的稳定性最高,裸地的变化最大,是上游景观类型中最不稳定的,从斑块的格局变化来分析：裸地的景观稳定性最高,草地次之,其次,以次为灌木、冰雪、水域、森林、农田。土地利用空间转移特征为：冰川与永久积雪→裸岩、草原→耕地、灌木→草地、水域→灌木、水域→草地、水域→农田、河滩地→居民地。(2)1999-2009年石羊河上游流域出山径流量在的波动中总体呈现微弱减少趋势,就四条河流的平均情况而言,1999、2000、2001、2002年为雨水枯水期,2003、2004、2005、2006为丰水期,但到2007年以来2008-2009年径流量逐渐减少。1999-2009年以来,降水整体呈明显上升趋势,降水变化倾向率为K=-0.298,自2003中期以来,降水量增加趋势非常明显。潜在的蒸发量也在波动中呈增加趋势,变化倾向率为K=-0.2026。石羊河上游流域径流量对气候变化响应明显,降水量的变化是影响径流量变化的主要因素：全球气候变暖,导致气温升高,石羊河上游流域高寒区域冰川与冰雪融水对出山径流量具有一定稳定作用。(3) SWAT模型在石羊河上游流域的模拟高海拔山区的径流量较为准确。对率定后模拟结果进行评价得出的径流量整体相关关系数较高,整体系数高于0.80,模拟效果良好,表明SWAT模型能够比较准确的模拟高海拔山区的径流量,具有很好的实用性。(4)黄羊河流域降水量、潜在蒸发量和径流量在时间上分布不均,降雨、蒸发主要集中在7、8月份,径流在7月达到峰值。降雨对径流以及气温对潜在蒸发量都有很大的影响,气温直接影响潜在蒸发量的大小；高蒸发区主要集中在北部浅山地区,该区域太阳辐射强,降雨量少、植物覆被率低等因素有关；流域内产流量主要受降雨影响,在空间分布上与降雨分布一致。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACTS  6-9
目录  9-12
引言  12-15
1 研究的背景与内容  15-22
  1.1 研究背景  15-16
    1.1.1 LUCC及森林景观格局与生态水文的关系由来  15
    1.1.2 研究的目的与意义  15-16
  1.2 森林景观格局与生态水文的关系研究进展  16-22
    1.2.1 国外研究概述  16-17
    1.2.2 国内LUCC研究概述  17-18
    1.2.3 森林景观格局与生态水文研究的现状  18
    1.2.4 土地利用/森林覆被变化的水文效应研究  18-19
    1.2.5 石羊河上游土地利用/森林覆被变化的水文效应研究  19-20
    1.2.6 我国森林景观格局与生态水文研究存在的问题  20-22
2 研究区的概况  22-27
  2.1 石羊河上游所处位置  22
  2.2 地质地貌  22-23
  2.3 气候特征  23
  2.4 水文特征  23-24
  2.5 土壤特征  24-26
  2.6 植被特征  26
  2.7 社会经济特征  26-27
3 典型流域景观格局/生态水文研究的内容、思路和方法  27-34
  3.1 研究的内容  27
  3.2 研究思路和方法  27-28
  3.3 技术路线  28-29
  3.4 数据收集  29-30
    3.4.1 流域的气象数据  29
    3.4.2 水文数据  29-30
  3.5 研究方法  30-33
    3.5.1 水文气象数据趋势性分析和突变点检验  30-32
    3.5.2 统计参数计算  32-33
  3.6 模型模拟方法  33-34
4 流域景观格局变化研究  34-53
  4.1 流域的景观类型与组分的划分  34-35
    4.1.1 流域的景观类型划分  34
    4.1.2 景观组分的划分  34-35
  4.2 上游流域土地利用/森林覆被动态演变分析  35-40
    4.2.1 上游流域土地利用/森林覆被类型的构成  35-38
    4.2.2 流域土地利用/森林覆被变化分析模型  38-39
    4.2.3 不同海拔下土地利用/森林覆被类型的分布特征  39-40
  4.3 流域景观格局分析  40-51
    4.3.1 景观指数的选取  41
    4.3.2 景观级别上的景观的格局动态变化分析  41-43
    4.3.3 斑块类型级别上的景观格局动态变化分析  43-51
  4.4 小结  51-53
5 上游流域的水文情势变化分析  53-69
  5.1 流域降水变化特征  53-58
    5.1.1 降水量的年际变化  53-56
    5.1.2 降水量的年内变化  56-57
    5.1.3 降水变化的趋势性检验  57-58
  5.2 流域径流变化特征  58-63
    5.2.1 径流的年际变化  59-61
    5.2.2 径流的年内变化  61-62
    5.2.3 径流变化的趋势性检验  62-63
  5.3 流域降水与径流的关系  63-66
    5.3.1 降水与径流的年际变化  63-65
    5.3.2 降水与径流的年内变化  65-66
  5.4 土地利用变化对径流的影响  66-68
    5.4.1 石羊河上游流域多年径流和径流深的变化  67
    5.4.2 上游流域森林覆被率对径流的影响  67-68
  5.5 小结  68-69
6 基于分布式水文模型SWAT的典型流域的径流模拟  69-86
  6.1 典型流域的研究区概况  69-70
  6.2 黄羊河流域的景观与生态水文的情势分析  70-73
    6.2.1 黄羊河流域的景观分析  70-71
    6.2.2 黄羊河流域气候特征  71
    6.2.3 黄羊河流域生态水文的年际变化特征  71-72
    6.2.4 黄羊河流域月径流变化特征  72
    6.2.5 植被状况  72-73
  6.3 SWAT模型的原理与结构  73-80
    6.3.1 SWAT模型的原理  74-75
    6.3.2 SWAT模型结构  75-76
    6.3.3 SWAT模型的使用手册  76
    6.3.4 SWAT模型的水文演算  76-78
    6.3.5 基于地理信息系统建立的流域DEM  78-79
    6.3.6 土壤数据库  79-80
  6.4 模拟结果评价分析  80-81
  6.5 上游流域水资源的分布特征分析  81-85
    6.5.1 黄羊河流域水资源的时间特征分布  81-84
    6.5.2 上游流域水资源空间分布特征  84-85
  6.6 小结  85-86
7 流域不同土地利用/森林覆被变化的水文情景模拟  86-97
  7.1 黄羊河流域土地利用/森林覆被变化的情景设置  86-87
  7.2 流域不同土地利用结构的水文响应  87-93
  7.3 气候变化下的水文响应研究  93-95
    7.3.1 气候变化对水文过程的影响  93
    7.3.2 气候变化的情景设计  93-94
    7.3.3 模拟结果分析  94-95
  7.4 小结  95-97
8 结论与展望  97-100
  8.1 结论  97-98
  8.2 本论文的特色及创新点  98
  8.3 讨论与展望  98-100
参考文献  100-107
个人简介  107-108
导师简介  108-110
致谢  110

石羊河典型流域土地利用/覆被变化的水文生态响应研究

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