天津于桥水库流域景观格局时空演变及其生态水文效应分析

摘要

流域是一个完整的地理单元，流域内景观格局变化对流域的生态水文过程产生深刻影响。土地利用变化是人类活动最直接的一种表现形式，是景观格局变化的表现形式。土地利用变化改变了流域水文循环过程中的地表蒸散发、土壤水分状况和地表植被截留量等，由此对流域水量平衡等生态水文过程产生深刻影响。因此，在分析土地利用变化对径流的影响基础上的景观规划管理，对于流域水资源规划、管理与可持续发展具有重要的意义。于桥水库是引滦入津工程中的重要调蓄水库，同时又是天津市重要的工农用水和饮用水源地。本研究基于于桥水库流域1984-2013年遥感影像，分析流域过去近30年间，典型区域的景观格局时空变化过程。并运用CLUE-S模型，对未来土地利用变化状况进行模拟预测，最后结合SWAT模型，模拟流域历史、未来土地利用变化情景下的水文状况，分析土地利用变化对流域生态水文效应的影响，研究结论主要如下:
　　(1)土地利用变化分析结果显示，1984-2013年间于桥水库流域景观格局变化显著，城镇、园地和草地增加明显，林地、耕地减少显著，林地面积减幅达50％。轨迹分析结果表明，30年来流域土地利用变化面积占整个流域面积的63.11％。其中，人为因素引起的变化轨迹占所有变化轨迹的96.65％，变化类型主要包括耕地-城镇、林地-耕地/园地、林地-草地等的转化，变化轨迹主要分布于北部丘陵与北部平原等地区。景观格局分析结果表明，典型景观类型的变化趋势与整个流域变化趋势基本一致，各景观类型破碎化程度总体是上升趋势，连通性降低，景观多样性呈缓慢上升趋势，景观格局异质性变高。
　　(2) CLUE-S模拟结果显示，到2020年，流域土地利用结构变化明显。总体上，林地、耕地面积继续减少，建设用地、园地面积不断增加。空间上，林地的减少主要集在北部山区，减少的林地主要转化为园地，耕地的减少主要位于遵化市区周围，减少的耕地主要转化为建设用地。
　　(3) SWAT模拟结果表明，模型在于桥水库流域具有良好的适应性。率定期确定系数R2和Nash-Sutcliffe系数分别为0.76、0.73，验证期R2和Nash-Sutcliffe系数分别为0.74、0.72，模型检验结果较好，满足模拟要求。
　　(4)不同土地利用情景下的径流模拟结果显示，在1984-2013年不同土地利用及预测的2020年土地利用情景下，于桥水库流域地表径流量年平均值呈增长趋势，从1984年土地里下的46.50 mm增加到2013年土地利用下的69.80mm，年增长率为0.78％，与2013年相比，2020年土地利用下的径流年平均值增加4.29mm，增幅明显。汛期（7、8月份）不同土地利用下的径流变化趋势与年内径流变化趋势一致，但土地利用变化对地表径流年内影响较汛期显著。
　　(5)相同气象条件，不同土地利用情景下的产水量、实际（潜在）蒸发量以及土壤水含量等水文要素值相差较小，这可能是因为相邻年份间的土地利用变化不是特别显著。而相同土地利用情景，不同气象年份间的水文要素状况差别明显，总降水量对水文要素影响较大，这说明流域产流等水文过程不仅与土地利用状况相关，还受流域年降水能力的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外相关研究综述

1．2．1 流域景观格局变化研究进展

1．2．2 CLUE-S模型研究进展

1．2．3 SWAT模型径流模拟研究进展

1．3 研究内容及技术路线

第二章 研究材料与研究方法

2．1 研究区概况

2．2 土地利用变化分析方法

2．2．1 土地利用变化轨迹分析法

2．2．2 景观格局分析方法

2．3 土地利用变化预测分析

2．3．1 CLUE-S模型结构

2．3．2 CLUE-S模型空间分析

2．3．3 CLUE-S模型精度检验

2．4 SWAT模型结构与基本原理

2．4．1 水文循环的陆面部分

2．4．2 水文循环的水面部分

2．5 基于SWAT-CUP的模型参数率定

2．5．1 模型参数不确定性分析

2．5．2 模型参数敏感性分析

2．5．3 模型参数率定及验证

2．6 数据来源及处理

2．6．1 数据来源

2．6．2 数据处理

第三章 流域典型景观时空演变分析

3．1 土地利用变化结果分析

3．2 流域土地利用变化轨迹分析

3．3 基于变化轨迹的典型区域分析

3．3．1 基于变化轨迹的典型区域选取

3．3．2 流域景观的空间变化特征

3．3．3 流域景观格局的时间变化特征

第四章 基于CLUE-S模型的流域土地利用变化模拟

4．1 土地利用变化模拟

4．1．1 地类图层处理

4．1．2 驱动因子选取

4．1．3 Logistic回归分析

4．1．4 ROC检验

4．1．5 土地利用利用需求

4．1．6 流域土地利用空间格局模拟

4．2 模拟结果分析

4．2．1 模拟结果检验

4．2．2 模拟结果分析

第五章 流域土地利用变化水文效应分析

5．1 SWAT模型数据库的建立

5．1．2 河网提取与子流域划分

5．1．2 土地利用数据库

5．1．3 土壤数据库

5．1．4 坡度定义

5．1．5 水文响应单元的划分

5．1．6 气象数据库的构建

5．2 模拟结果及分析

5．2．1 模型参数敏感性

5．2．2 模型参数不确定性

5．2．3 模型参数率定结果

5．2．4 模拟结果检验

5．3 流域土地利用变化水文效应分析

5．3．1 不同土地利用情景下地表径流变化

5．3．2 不同土地利用情景下水文要素分析

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢