天津于桥水库流域不透水面扩展变化及其对流域氮磷负荷分布的影响

摘要

不透水面是衡量流域城镇化发展状况的一个重要指标，其扩展对流域生态水文过程产生影响。由氮、磷污染物等造成的非点源污染导致流域水质的恶化。城镇化进程的加快，造成流域不透水面逐年增加，从而也严重影响着流域的水环境。因此随着不透水面的不断扩张势必会增加流域的氮磷污染。本文以天津于桥水库流域为例，首先，在ENVI5.1软件支持下，利用遥感影像获取1984-2013年4个时相的不透水面信息，采用修正后的归一化水体指数剔除水体信息，排除水体对不透水面提取精度的影响，运用线性光谱混合分析法生成流域不透水表面指数(ISA)，并对其时空演变格局进行分析。其次基于SCS-CN模型，通过不透水面数据计算出的CN值调入SWAT模型后再进行模拟研究，分析于桥水库流域不透水面扩展对非点源氮磷负荷分布的影响。本文的研究成果可以更好的探索流域水文水质管理模式，其研究成果对整个于桥水库流域的水资源保护具有重要的意义。主要研究结论如下:
　　(1)通过ENVI构建的LSMA模型，通过剔除水体的影响，以及最小噪音变换(MNF)和纯净像元指数(PPI)对混合像元的剔除。模型均方根误差(RMSE)为0.005，像元精度为85.4％，实验结果准确可靠。于桥水库不透水表面指数(ISA)平均值逐年增长，1984-2013年间，流域不透水面覆盖度从低等级覆盖逐渐向高等级覆盖转化。流域内不透水面覆盖度大多集中在1～5级，占流域面积的90％，2013年全流域范围内不透水面面积比1984年增加4.9％。
　　(2)不透水面的景观格局特征为:不透水面覆盖度为中等等级的斑块形状不规则，破碎化程度最高。研究期间，整个流域景观破碎化程度、多样性均逐年增高，说明流域景观连续性逐年降低。不透水面表指数的空间扩展趋势表现为:在城镇中心区域，4个时相的不透水面指数均呈现正的空间自相关，1984年不透水表面伴随着“辐射式”增长，至2013年形成了以城镇区域为中心的聚集。1984-2013年，不透水面面积随路网密度的增长而递增;路网密度等级高的其子流域不透水面增长面积大。
　　(3)用SCS-CN模型构建新方法计算CN值的组成，利用V-I-S原理，将不透水面分量、植被分量(NDVI)和土壤类型线性组合。空间分布图中CN值被分为8组，研究表明CN值大于等于77的土地覆盖对径流的影响显著。2013年全流域CN平均值为65，1984年全流域CN平均值为45，2013年比1984年平均CN值高了20。说明流域内由于不透水面的扩张，导致地表的下渗性能降低，使得流域径流量增加。随着降雨量的升高，不透水面的增加也导致了径流系数逐渐增大，产流能力显著增强。
　　(4) SWAT模拟结果表明:确定系数R2和Nash-Sutcliffe系数分别为0.78和0.77，相对误差为-1.96％，SWAT模型调用说明运用SCS-CN修正后的CN值提高了原有的模型精度，检验结果理想，表明SWAT模型在本流域具有适应性。SWAT模型模拟氮磷在分布表现为研究区中部地区较高，沙河子流域的氮磷负荷最大。不透水面对流域氮磷负荷的影响主要表现在:氮磷输出负荷较高的子流域分布与不透水面指数值(ISA)的分布相吻合;不透水表面通过对地表径流的作用而影响流域氮磷负荷。2004-2013年研究区内氮、磷污染负荷明显大于1984-1994年的氮、磷污染负荷，在遵化市和于桥水库下游子流域最为明显。丰水情境中，2013年总氮负荷量比1984年增多了8.08km/hm2、总磷增多了1.67km/hm2;枯水情境中，2013年总氮负荷量比1984年增多了3.24km/hm2、总磷增多了1.02km/hm2;无论丰水还是枯水情景，总体氮磷负荷随每年不透水面覆盖度的增加而增加。由pearson相关分析可知，流域中上游地区不透水面指数与氮、磷污染负荷的变化趋势关系密切。不透水面对总氮的影响显著大于总磷;丰水年的不透水表面扩展对流域氮磷负荷的影响显著大于枯水年。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外相关研究综述

1．2．1 不透水面遥感提取及应用研究现状

1．2．2 SCS-CN模型应用研究现状

1．2．3 基于SWAT模型的非点源氮磷污染的应用研究现状

1．3 研究内容及技术路线

第二章 研究区概况及实验数据

2．1 研究区域概况

2．2 数据来源

2．3 实验数据处理

2．3．1 遥感影像预处理

2．3．2 SWAT模型数据库的构建

第三章 不透水面信息的提取

3．1 线性光谱混合模型

3．2 端元的选择及确定

3．3 线性光谱分解及不透水面的估算

3．4 线性光谱混合模型的精度检验及其制图

3．4．1 精度检验

3．4．2 研究区各时相不透水面指数制图

第四章 城镇化过程中于桥水库流域不透水面演变格局分析

4．1 于桥水库流域不透水面指数的变化

4．2 于桥水库流域不透水面景观格局特征

4．2．1 景观格局指数的选取

4．2．2 各时相流域景观格局特征分析

4．3 于桥水库流域不透水面的空间扩展趋势

4．3．1 沿城镇区域呈现“辐射式"增长

4．3．2 沿子流域路网呈现“填充式"增长

4．4 社会经济数据与不透水面相关，陛的影响

第五章 基于SWAT模型的不透水面对流域氮磷负荷的影响

5．1 SCS-CN模型

5．1．1 改进后的SCS-CN模型

5．1．2 SCS-CN模型校正

5．2 SWAT模型的参数改进

5．3 模型参数率定与验证

5．3．1 SWAT-CUP自定义参数范围与率定结果

5．3．2 模型适用性评价指标及结果验证

5．4 不透水面对流域非点源氮磷负荷的影响

5．4．1 CN值的空间分布

5．4．2 流域氮磷负荷的空间分布

5．4．3 不透水面对氮磷负荷的影响分析

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 不足与展望

参考文献

致谢