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近35年长江流域土地利用时空变化特征及其径流效应

论文编号:lw201709141855466910 所属栏目:工程硕士论文 发布日期:2018年01月28日 论文作者:无忧论文网
1.  绪论 

1.1  研究背景及意义
水是生命的起源,水是人类赖以生存的基础,是人类社会持续发展的保证[1]。水文循环是自然界物质循环之一,也是地球最重要的循环之一,全球水循环过程影响着全球水量平衡,热量平衡,气候系统的分布格局,进而决定着全球的水量分布格局,因此水循环的变化对全球环境具有重要的影响[2]。近年来受人类活动影响,全球气候和下垫面发生了重要的变化,由此引发的水循环过程改变及对水文过程和水资源量的变化的影响得到了全世界学者的关注。人类活动产生了一系列的水问题,水多,水少,水污染问题日益成为人类,特别是发展中国家面临的一项重要的挑战[3]。 土地利用变化对径流变化的影响也是全球变化的影响的重要内容。自 20 世纪 90 年代国际地圈—生物圈计划(IGBP)和全球环境变化中的人文领域计划(IHDP)计划提出后,土地利用/覆被变化(LUCC, Land-use /cover change)已经成为国际研究的前沿热点领域[4][6]。下垫面的变化主要表现在土地利用的改变,人类基于自身发展的不断对下垫面进行改造,以追求利益的最大化,由此使得原有的下垫面发生巨大的变化,在河流上建立闸坝水库等,也是人类活动影响的范畴。人类活动造成的土地利用变化主要表现在土地利用类型发生变化土地利用变化后下垫面属性发生改变,进而影响到蒸散发过程、植物蒸腾和雨水汇流时间及径流量和泥沙产量,一系列的影响最终使得水文过程发和水循环结果发生改变,因此这方面的相关问题得到了水文学领域的重点关注[7]。
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1.2  国内外相关研究进展
土地利用/覆被变化(LUCC)研究是全球变化研究的重点领域[21][22],人类科技的进步使得人类活动的强度和范围扩大,导致近年来全球环境变化相对活跃,土地利用变化是全球变化研究中的一个重要领域,1992 年联合国制动“21 世纪议程”;1995 年联合提出的国际地圈生物圈计划(IGBP)和全球环境变化人文领域计划(IHDP)引领土地利用/覆被变化成为全球变化研究的热点[23][27]。土地利用是指人类社会对土地的自然属性加以利用,人类为了达到满足自身利益的要求,依据土地的属性特征采用一定的方式对土地进行长期或者短期的开发利用或改造,以达到人类自身的目的和发展,突出了土地具有社会属性。土地覆被则关注的是的自然界本身所有和人工制造的结合体,着重于土地的自然属性。目前土地利用变化研究的核心问题主要是在三个方面:一、研究土地利用变化的状况;二、研究土地利用变化的原因,即土地利用变化的驱动机制;三、土地利用变化模型研究及新技术手段,如 3S 技术等在土地利用变化中的作用。目前国内外在这一领域有不少成就[28][30]。 科技水平的进步改变着土地利用方式同时也促进了人类对土地利用的探索,特别是在提出全球变化研究之后,进一步加强了对土地利用变化驱动的研究[31]。受技术水平的限制,早期的土地利用变化研究的数据来源于人工调查,用这种方式进行数据的收集并做研究,如 1922 年,Suol 等对美国的密执安州进行了早期的土地利用人工统计调查[32];随着科技的发展,3S 技术的出现为土地利用变化研究提供了重要的技术支撑,通过解译卫星影像,从较小范围区域到全国乃至各大洲及全球尺度的范围,从宏观角度分析土地利用变化的驱动机制,如 1981 年以后 Tucker 和 Townshed[33]应用多时相 NOAA/AVHRR(最小分辨率 1km)的植被指数(NDVI)数据进行洲际尺度的土地覆盖研究。在研究土地利用变化内容方面,针对土地利用变化的数量和相互转化进行了研究,并根据研究结果提出了一些用于预测未来土地利用的变化的模型,比较常见的有马尔科夫模型(Markov) [34]、系统动力学模型(SD)[35]灰色预测模型(GM) [36]等等. 
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2.    研究区域概况与研究方法

2.1  长江流域概况

长江流域是我国面积第一大的流域,源头位置在有“世界屋脊”之称的青藏高原的唐古拉山脉各拉丹冬峰西南侧,位置在  N24。27~35°54′,E90°33~122°19′之间,是我国面积最大的流域,横跨我国东部、中部和西部地区的三大经济区,流经 19 个省、自治区、直辖市,总面积 179 万 km2,约占全国总面积的 1/5。由于流域面积大,跨越范围广,流域内的地形地貌比较复杂,各个区域内的海拔差悬殊。包含了几乎所有常见的地形,有极高山、高山、中山、低山、高原、丘陵、平原与盆地等各类不同的地形。整体的地势西高东低,自西向东呈现阶梯状变化,按照形态成因类型与逐级区划原则,自西向东依次为西部高原高山区、中部中山低山区与东部丘陵平原区,依次递减。长江流域多数区域处于亚热带季风气候区,受地形分布的影响,温度的总体的大概分布情况如下:多年平均气温值东南地区高于西北,下游地区温度高于上游地区,江源地区的平均气温最低,  长江流域多年平均年降水量值为 1067mm,由于地域辽阔,地形复杂,加上流域多数地区属于季风气候,年降水量和暴雨在时空分布上很不均匀。流域河流径流多来源于降雨,但大多数的降水以蒸散发的形式流失,因此,蒸发量是长江流域水量均衡的主要要素之一。流域年水面蒸发量达到 922mm,年陆面蒸发量为 541mm,达到年降水量的 51%,平均干旱指数为 0.86。 

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2.2    研究方法 
土地利用转移矩阵是常用的土地利用变化研究工具[100],转移矩阵可以展示土地利用在转移前后面积的变化量,利用土地利用转移矩阵还可以分析不同的土地利用在发生转移后转移的数量和方向,它可以为研究土地利用变化提供丰富的信息,常见的土地利用转移矩阵如表 2-1 所示。表中 Ai代表不同类型的土地利用,Sij中的 S 代表了面积大小值。表中的行元素代表该地区土地利用转移之前的面积,因此表中所有元素之和代表研究区域的面积。表中某一列元素之和代表转移之后某种类型的土地利用面积之和。表中任一元素 Sij表示土地利用转移前后由 i 转为 j 类型土地利用的面积,当 i=j 之时,表示该类型的土地类型没发生变化的部分,通常该值在转移矩阵的对角线上,常见的土地里转移矩阵如表2-1 所示。 
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3.  土地利用时空变化特征 ......... 21 
3.1  土地利用变化特征 ........ 21 
3.2  土地利用转移活跃程度 ....... 27 
3.3  不同类型土地利用变化 ....... 29 
3.4  小结 .... 39 
4.  流域水文模型建立 .......... 41 
4.1  分布式水文模型 ..... 41 
4.2  水文模型建立 ......... 48 
5.  土地利用变化的径流效应 ..... 59
5.1  各站点径流变化 ..... 59
5.2  径流变化分析 ......... 75 
5.3  小结 .... 78 

5.  土地利用变化的径流效应

5.1  各站点径流变化 
为了计算土地利用变化对流域径流的影响,采用如下思路进行分析:将计算好的参数带入到各个子流域中,气象数据不变,依次研究在不同土地利用情形下径流量的影响。将 1980、1990、1995、2000 和 2005 五期的土地利用数据带入模型中,运行模型计算全流域各个站点的 1980~2005 年的日径流,计算五个时期土地利用条件下各自对应的 1980~2005 年的日平均径流、丰水期(6~9 月份)日平均径流、枯水期(10~5 月份)日平均径流,并对比 10%频率的洪水和 90%频率的枯水,对 11 个代表性的观测站点的平均值、枯水期平均值、丰水期平均值及洪水流量和枯水流量进行比较,以此来分析讨论土地利用变化后对径流的影响。直门达站是位于上游干流通天河区的国家级重要水文站,积水面积 13.77 万平方千米,是上游地区重要的监测站点。在五个不同时期的土地利用情形下,该站径流明显发生了变化,直门达站多年日平均径流值和丰水期径流量变化一致,都是地三个时期增加,余下三个时期减少,枯水期平均径流量呈增减交替的变化趋势(图 4.9)。在 1980 年的土地利用情形下,日平均径流量为 474.52 m3/s(表4-4),到 2005 年情形下日平均径流量减少到 465.61  m3/s,土地利用变化后径流量呈减小的趋势变化。丰水期和枯水期平均径流分别由 996.72 m3/s  和 212.63 m3/s 减少到 982.36  m3/s 和 206.45  m3/s,丰、枯季节的径流值也都减少,且枯水期减少幅度相对于丰水期的大。在 1980 年土地利用下,10%频率的洪水量为2216.46 m3/s,经过连续减少,在 1995 年的土地利用下洪水量减少到 2171.88 m3/s,在 2000 和 2005 年的土地利用下洪水值连续增加,2005 年土地利用对应下的洪水值为 2204.14 m3/s,相比 1980 年下的洪水值减少.
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结论 

本文以长江流域 1980~2005 年的五个时期的土地利用数据为基础,研究了近 35