绿水资源对流域土地利用与气候变化的响应:以堵河流域为例

摘要

生态水文学中水资源可分为两类:蓝水和绿水，蓝水指存储在河流湖泊中的水资源，绿水是指降水通过植被蒸散返回大气圈的“看不见的水”。作为粮食生产的主要依赖水源，绿水的研究对于干旱、半干旱地区的水安全和粮食安全至关重要，对于解决的水资源短缺问题有着很深远的意义。目前，水资源评估一般停留在蓝水的评估，即传统意义上的液态水，而忽略了气态水，即绿水的评估。将绿水的概念引入水资源评估，有利于更全面地评估水资源，为解决水资源短缺提供有力依据。
　　 本文以丹江口水库支流—堵河流域上游为研究区域，收集到地形、土地利用、土壤、降雨、气温等数据。基于校正的SWAT模型，对堵河流域进行水文过程模拟，结合GIS空间分析，分析绿水资源演变，多角度评估堵河流域绿水资源，分析土地利用与气候变化对堵河流域绿水资源分布的影响。得到以下结论:
　　 (1)SWAT模型在堵河流域的适用性分析
　　 在基础资料收集、预处理、数据库制备的基础上，运用SWAT模型在堵河流域进行模拟运行。通过DEM地形分析，提取流域水系，并对流域进行离散化，确定最佳划分水平，将子流域阈值设为4000ha，将水文响应单元阈值设为土地利用2％，土壤2％，最终将流域划分为107个子流域及674个水文响应单元。加载土地利用、土壤及气候数据，完成模型的试运行。
　　 为提高模型的适用性和精确度，对模型进行参数敏感性分析，以便更有针对性的进行参数率定。得出ALPHABF、CN2、ESCO等10个参数对径流的影响显著，CH_COV、CH_EROD等5个参数对泥沙的影响显著。
　　 基于参数敏感性分析的结果，对产生显著影响的参数进行校准。选取1965-1970年为预热阶段，1971-1980年为校准阶段，1981-1990年为验证阶段。将校准与验证结果与评价标准相比较，得到径流在校准期效率系数ENS为0.88、相对误差Re为0.02、决定系数R2为0.94，验证期分别为0.87、0.1、0.92;泥沙在校准期效率系数ENS为0.67、相对误差Re为0.29、决定系数R2为0.84，验证期分别为0.64、0.37、0.81，径流泥沙校准和验证均符合评价标准，说明模型在堵河流域具有可适用性。
　　 (2)土地利用变化对绿水的影响
　　 对研究区四期土地利用进行分析，从面积、速率、结构三个方面多角度分析研究区土地利用变化规律，得出:从1978年至2007年间，林地变化幅度最大，共增加475.3km2，其中1978-1999年间林地持续减少到6232.1km2，1999年后增加608.8km2，耕地1978-1999年增加到1217.6km2，1999年实行退耕还林还草后，耕地面积迅速减少到522.2km2，林地、灌丛、草地面积均有所增加。
　　 建立不同土地利用情景，并分别模拟研究区在不同土地利用情景下绿水流与绿水资源总量的变化，得到随着林地面积的增大，耕地的减少，绿水流与绿水资源总量呈增加的趋势，绿水流量由1978年的371mm增加到2007年469.6mm，绿水资源量由376mm增加到474mm。林地的蒸散发量大于耕地。林地的蒸散量最大，同时引起径流的减小，因此堵河流域应以植树造林为生态修复的主要措施。
　　 (3)气候变化条件下的绿水分布
　　 在未来几十年中，随着二氧化碳浓度增加，研究区气温大约升高2-4℃，而降雨随着区域的变化呈现不同的变化趋势。
　　 基于全球气候变化的总趋势，结合我国未来气候变化的预测，建立不同气候情景，并分别对研究区进行模拟，得出:随气温的升高和降雨的增加，绿水流与绿水资源总量呈现正相关趋势，绿水流与绿水总量增加量最大的情况出现在气温增加4℃，降水增加20％的情景下，此时的绿水流量比初始情景下增加88.1mm，绿水资源总量比初始情景下增加88.2mm。且变化率随降雨的增加要大于随气温的增加。同一温度下绿水流与绿水资源总量随降雨量的增减而变化更明显。
　　 (4)绿水资源的时空分布规律
　　 以子流域为模拟尺度，分别以时间和空间两种角度，分析绿水的分布特点。2001-2010年堵河流域绿水资源站总降水的50.5％，是水资源的主要组成部分，而绿水资源中绿水流占87.6％，说明水资源中大部分以蒸散发的形式耗散，其中包括人们难以利用的无效蒸发。绿水年内分布与降雨量趋势大致相同，主要蒸散集中在夏季，夏季绿水总量占全年的53.1％，绿水储存的年内分布较均匀。按子流域尺度分析绿水的空间分布，绿水流与绿水总量的分布与降雨变化基本相同，呈现南高北低的趋势，绿水储存整体趋势为北部高于南部。

目录

声明

论文说明

摘要

1．绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 水资源评价研究进展

1．2．2 绿水资源量评价研究进展

1．3 SWAT模型概述

1．3．1 SWAT模型的结构

1．3．2 SWAT模型的特点

1．4 研究内容及技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究技术路线

2 研究区概况

2．1 研究区自然概况

2．1．1 地理位置

2．1．2 地形地貌

2．1．3 气候条件

2．1．4 土壤条件

2．1．5 水文状况

2．1．6 植被状况

2．2 社会经济概况

3 SWAT模型在堵河流域的应用

3．1 基础数据的收集与数据库建立

3．1．1 DEM数据

3．1．2 土地利用数据

3．1．3 土壤数据

3．1．4 气象数据

3．1．5 水文数据

3．2 SWAT模型的模拟运行

3．2．1 子流域的分割

3．2．2 水文响应单元(HRU)的划分

3．2．3 气象数据的写入

3．2．4 模型缺省数据的建立

3．2．5 模拟方法的选择

3．3 SWAT模型的校准和检验

3．3．1 参数的敏感性分析

3．3．2 参数的率定

3．3．3 模型校正的评价标准

3．3．4 模型校准、检验的结果

4 土地利用／覆盖变化下的绿水评估

4．1 堵河流域土地利用／覆盖变化

4．1．1 土地利用类型面积的变化

4．1．2 土地利用类型速率的变化

4．1．3 土地利用结构的变化

4．2 不同土地利用情景下绿水的评估

4．2．1 不同土地利用／覆盖变化情景的构建

4．2．2 不同土地利用／覆盖情景下绿水的分布特点

5 气候变化条件下的绿水评估

5．1 不同气候变化情景的建立

5．2 不同气候情景下绿水的变化

6 堵河流域绿水资源时空分布规律

6．1 绿水资源时间分布特点

6．1．1 绿水的年际分布

6．1．2 绿水的年内分布

6．2 绿水资源空间分布特点

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 不足与展望

7．2．1 存在问题与不足

7．2．2 展望

参考文献

致谢