基于数字高程模型的矿区土地利用/覆被变化的水文模拟方法——以太原市西山矿区为例

摘要

煤炭资源的掠夺式开采所导致的矿区土地利用/覆被变化（LUCC）会使矿区地表覆被的截流量、土壤水分状况、地表蒸发以及矿区水资源的供需关系等发生剧变，进而对矿区的生态环境以及经济发展等多方面造成巨大的破坏。数字高程模型(DEM)作为地理信息系统（GIS）的典型数据模型，具备十分强大的空间数据表现能力。DEM的数字地表信息可获取性及可编辑性能够探求矿区水文在时空变化下的规律，为治理人类非理性开发所导致的矿区水资源问题提供重要支持。大多数的分布式水文模型也使用DEM作为基础数据之一。 然而，目前国内对于矿区LUCC所导致的水资源问题没有被深入研究，学者对矿区的水文变化情势认识还不足，相应的预报手段有所缺乏。已有的参照流域对比法、历史反演法、土地利用/覆被情景预测模型法、极端土地利用/覆被法、土地利用/覆被空间配置法等虽然能够为研究区提供一定的水文模拟参考，但是它们对地形变化较大、地势起伏复杂多变的矿区环境支持性较弱，无法为矿区提供详尽的土地利用/覆被优化配置方案。 针对这些问题，本文以太原市西山矿区的DEM数据为基础，依据已有的极端土地利用/覆被法及矿区的环境特点尝试利用极限坡分LUCC水文模拟优化方法为太原市西山矿区水文生态环境的恢复提供支持。实验基于DEM 数据，在利用“蓝线”分形理论提高极限坡分LUCC水文模拟优化方法精度的前提下，对太原市西山矿区的三种极端土地利用/覆被变化情形、2006-2014年时序土地利用/覆被变化情形、极限坡分LUCC水文模拟优化方法下的土地利用/覆被变化情形以及优化方案下的土地利用/覆被变化情形的水文效应进行模拟。 结果表明，依据基于数字高程模型的极限坡分LUCC水文模拟优化方法所设计的矿区土地利用/覆被优化方案的保水性完全高于矿区2006-2014年的时序土地利用/覆被情形及矿区全为耕地、矿区全为草地的极端土地利用/覆被情形的保水性，并且接近保水性最佳但适应性较差的矿区土地利用/覆被全为林地的单一极端土地利用/覆被情形。因此，基于数字高程模型的极限坡分LUCC水文模拟优化方法较已有的极端土地利用/覆被法更加适用于地形变化较大、地势起伏复杂多变的矿区环境，其对矿区水文生态环境的恢复具有突出的效果。

目录

第一个书签之前

摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.1.1选题背景

数字高程模型（DEM）作为地理信息系统中的典型数据模型，其通过对各种空间信息的强大表现及管理能力为多

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究动态

1.3 论文的主要内容与技术流程

1.3.1 论文的主要内容

1.3.2 技术流程

第二章 太原市西山矿区土地利用/覆被变化的分布式水文模拟方法

2.1 数字高程模型

2.2 水文模型

2.2.1 分布式水文模型

2.2.2 分布式水文模型——SWAT模型

（4）SWAT模型的基本原理

（5）SWAT模型与GIS的集成

2.3 研究区概况

2.3.1 太原市西山矿区基本概况

2.3.2 太原市西山矿区的矿区及经济状况

2.3.3 太原市西山矿区流域内的环境问题分析

2.4 太原市西山矿区水文数据库建立

2.4.1 太原市西山矿区DEM的流域水文数据建立

2.4.2 太原市西山矿区土地利用数据库的建立

2.4.3 太原市西山矿区土壤数据库的建立

2.4.4 太原市西山矿区气象数据库的建立

2.5 SWAT水文模拟

2.5.1 导入太原市西山矿区土地利用数据

2.5.2 导入太原市西山矿区土壤数据

2.5.3 太原市西山矿区小流域坡度分级并重分类

2.5.4 太原市西山矿区的HRU定义

2.5.5 导入太原市西山矿区气象数据

2.5.6 太原市西山矿区的SWAT水文模拟

2.6 SWAT模型的太原市西山矿区适应性验证

第三章 极端土地利用/覆被水文模拟方法

3.1 太原市西山矿区时序LUCC的水文效应

3.1.1 太原市西山矿区土地利用/覆被的年度变化分析

3.1.2 太原市西山矿区突变前后的土地利用/覆被状况分析

3.1.3 2006-2014年时序土地利用/覆被变化的矿区LUCC水文模拟

3.2 极端土地利用/覆被情形下矿区LUCC的水文效应

3.2.1 极端土地利用/覆被情形下的矿区LUCC水文模拟

（1）矿区土地利用/覆被全为林地时的矿区LUCC水文模拟

（2）情形二：矿区土地利用/覆被全为耕地时的矿区LUCC水文模拟

（3）情形三：矿区土地利用/覆被全为草地时的矿区LUCC水文模拟

3.2.2 不同极端土地利用/覆被情形的矿区水文效应对比

3.3 极端土地利用/覆被情形下矿区LUCC的水文效应综合分析与评估

第四章 基于数字高程模型的极限坡分LUCC水文模拟优化方法

4.1 基于分形理论的极限坡分LUCC水文模拟优化方法的精度优化

4.1.1 分形理论的定义

4.1.2 分形维数的计算方法

4.1.3 “蓝线”分形理论

4.1.4 基于ArcEngine和SPSS的不同阙值水系分形维数批量提取

4.1.5 推求提高精度的最佳集水阙值

4.2 矿区LUCC水文效应的极限坡分LUCC水文模拟优化方法研究

4.2.3 矿区25°以上耕地变为草地和林地的LUCC水文效应

4.2.4 矿区土地利用/覆被优化策略及其水文效应

4.3 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 论文结论

5.2 论文不足与展望

参 考 文 献

致 谢

攻读硕士研究生学位期间发表学术论文