三江平原典型流域土地覆被变化对水资源的影响研究

摘要

水资源和土地资源作为自然地理系统的重要组成因子，彼此互相联系、互相渗透、互相制约，水资源利用合理与否直接影响到土地资源的生产效率，尤其是土地利用/覆被变化极大地影响着流（区）域的水文循环各环节。地处东北黑土带的三江平原是我国重要的商品粮生产基地，也是保障黑龙江省千亿斤粮食发展战略目标与我国粮食安全的关键所在。由于追求经济效益导致的盲目垦荒，三江平原存在土地利用模式与水资源不协调、水资源过度开发导致水生态环境退化两方面问题。土地利用/覆被变化对三江平原地区水文过程的影响成为目前一项新的研究课题。红兴隆垦区位于三江平原核心区，宝清站以上流域处于该垦区的腹地，随着农业现代化、城镇化步伐的加快，研究红兴隆垦区土地利用/覆被变化对水资源的影响，寻求适合流域生态需水的土地利用模式，不仅可为区域水土资源的合理利用提供决策依据，更能为当地的生态建设、经济持续发展提供有力支持，并为发展黑土区的水土地资源优势、减轻水旱灾害等提供借鉴和参考。
　　本研究从土地利用/覆被变化及其驱动力分析着手，利用《黑龙江省统计年鉴》1996-2011年的统计资料，通过灰色关联分析方法，分析了在五种土地利用/覆被模式（耕地、林地、牧草地、水域面积、建筑用地）变化驱动因子中的影响因素。结果表明:对于各类土地利用模式的主要驱动因子为经济因素和人口因素。红兴隆垦区是以农业为主要生产模式的地区，追求经济效益提高的主要途径是粮食总产量的提高、土地利用模式中有效灌溉面积的扩增以及水资源开采利用量的加大，这些因素都会导致该地区土地利用模式发生变化。同时工业、第三产业的发展，人口的增长，也必定对自然环境以及土地利用/覆被情况有着不同程度的影响。
　　为研究土地覆被变化对水资源的影响，应用气象、降水、DEM、NDVI和土地覆被等多源数据，引入S-W模型和SAC模型建立了蒸散发模块及产流模块，耦合汇流模块和积雪融雪模块构建了栅格分布式水文模型，能够最大限度利用我国现有的日步长降水量、流量及常规气象数据。采用蒙特卡罗法及参数似然散点图等对模型及其参数的不确定性进行了分析，探讨了构建的水文模型参数的不确定性，有助于了解模型结构是否合理，也有利于更好地完成参数的率定工作;率定参数后的模型在模拟位于寒区的宝清河流域日流量过程中，率定期和验证期的确定性系数平均值为0.7329，较好地再现了该流域1997～2001年逐日的流量过程，表明构建的栅格分布式水文模型在该流域具有较好的适用性。
　　通过设定不同土地利用/覆被变化情景，定量分析了土地利用/覆被变化对径流的影响。以垦区内的挠力河水系宝清站以上流域为例，考虑流域内土地覆被空间分布、各种覆被所占流域面积比例以及国家退耕还林还草政策等多方面因素，以流域的IGBP土地覆被作为现状对照情景，设置了多种土地覆被变化情景，利用构建的栅格分布式水文模型模拟了不同情景下的流域流量日过程。研究结果表明，退耕还草、还林均会引起年径流量的增大，增幅在在3.09％～44.85％之间，且退耕还草对流量的影响更大。
　　为评估河流生态系统健康情况，采用R2CROSS法获得的河流生态流量作为相关河流的生态用水阈值，可以更好的保护河流生态系统，为了维持河流生态系统的健康稳定提供了流量参考标准。对比利用改进后R2CROSS法与Tennant法（30％流量）对红兴隆垦区内部5条河流生态用水量进行计算的计算结果，得出Tennant法采用30％平均流量作为相关河流生态流量是合理的，采用改进后R2CROSS法计算河流生态流量时，如果没有相关资料，可以采用Tennant法30％历史平均流量作为河流生态用水阈值。利用栅格分布式水文模型对不同土地覆被变化情景下的模拟数据，推求了宝清站枯水期流量，结果表明模拟情景1，即坡度超过15°的耕地还草后的平均流量，与该区域的生态需水量最接近，说明此模拟的情景模式适宜该地区的生态发展。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状及分析

1．2．1 土地利用／覆被变化下水文效应

1．2．2 生态需水研究

1．3 研究目的

1．4 论文创新或特色之处

1．4．1 模型构建与应用具有区域特色

1．4．2 模型校核采用了新方法

1．4．3 模拟了顺应流域生态需水的土地覆被演替方案

1．5 研究内容及技术路线

1．5．1 研究内容

1．5．2 技术路线

2 研究区域概况

2．1 研究区域概况

2．1．1 自然概况

2．1．2 地形地貌

2．2 水文气象条件

2．2．1 降水与蒸发

2．2．2 泥沙

2．2．3 水温与冰情

2．3 自然资源概况

2．3．1 土壤资源

2．3．2 矿产资源

2．3．3 草地资源

2．4 社会经济状况

2．4．1 历史沿革

2．4．2 人口数量

2．5 水资源开发利用情况

2．5．1 地表水与地下水资源量

2．5．2 开发利用情况

2．6 水土资源开发利用存在的问题

3 土地利用／覆被时空变化及其驱动力分析

3．1 土地利用／变化研究概述

3．1．1 土地利用／覆被的概念

3．1．2 影响土地利用／覆被的因素

3．2 土地利用／覆被变化的环境效应

3．2．1 环境效应的基础理论

3．2．2 区域气候与土地利用变化

3．2．3 水资源发展态势与土地利用变化

3．2．4 社会经济与土地利用变化

3．3 土地利用／覆被现状变化分析

3．3．1 土地利用／覆被数量的变化特征

3．3．2 土地利用／覆被的结构变化特征

3．4 土地利用／覆被变化的驱动力及驱动因子选取

3．4．3 选取驱动因子

3．5 土地利用／覆被变化的驱动力分析

3．5．1 耕地面积变化的关联度分析

3．5．2 林地面积变化的关联度分析

3．5．4 水域面积变化的关联度分析

3．5．5 建筑用地面积变化的关联度分析

3．6 本章小结

4 基于土地利用／覆被变化的栅格分布式水文模型

4．1 土地利用／覆被变化对水文水资源的影响

4．1．1 对流域蒸散发的影响

4．1．2 对流域产汇流过程的影响

4．1．3 对洪涝灾害的影响

4．2 主要土地覆被类型对地表产流量的影响分析

4．2．1 林地变化对地表产流的影响

4．2．2 草地变化对地表产流的影响

4．2．3 耕地变化对地表产流的影响

4．2．4 居民用地变化对地表产流的影响

4．2．5 水土保持的水文效应

4．3 土地利用／覆被变化的水文水资源效应研究方法

4．3．1 试验流域法

4．3．2 时间序列分析法

4．3．3 水文模型法

4．3．4 综合法

4．3．5 适用于中国北方干旱、半干旱地区的新型水文模型

4．4 寒区栅格分布式水文模型的建立

4．4．1 模型结构

4．4．2 模型参数推求

4．4．3 土壤数据划分

4．5 本章小结

5 宝清流域流量过程对土地覆被变化的响应研究

5．1 研究区典型流域概况

5．2 基础数据的建立

5．2．1 遥感数据

5．2．2 气象与水文数据

5．3 模型及其参数的不确定性分析

5．3．1 模型的不确定性分析

5．3．2 模型参数的不确定性分析

5．4 模型参数的率定

5．5 模型在流量对土地覆被变化响应中的应用

5．6 适宜于流域水资源发展的土地利用／覆被方式

5．7 本章小结

6 红兴隆垦区生态需水研究

6．1 生态需水概念

6．2 区域生态需水类型

6．3 生态用(需)水计算方法

6．3．1 河道外生态用水计算方法

6．3．2 河道生态需水计算方法

6．4 红兴隆垦区生态用(需)水计算分析

6．4．1 河道外生态用水

6．4．2 河道生态需水

6．5 适用于生态需(用)水量的土地利用／覆被方式

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 存在的不足

7．3 研究展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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