巢湖流域土地利用/覆被变化的水文效应研究

土地利用/覆被变化的水文效应导致水资源量变化,显著影响流域生态和社会经济发展。利用DEM、土壤数据库、三期土地利用数据及流域周边六个国家基本气象站1964-2000年气象、流域出口断面裕溪闸水文站1964-1989年水文资料,依托德国PIK研究所HBV-D模型建立巢湖流域降水径流关系,分析流域土地覆被变化对径流量影响：①利用HBV-D模型模拟流域降水径流关系,率定后系统相对误差控制在3%左右,纳希效率系数达约83%,适合巢湖流域土地利用/覆被变化水文效应研究;②分析得出单位面积的农业用地、居民用地和水域影响径流深大小分别为-0.134469、0.074908和-0.0015244,即巢湖流域农业用地对径流影响程度要高于居民用地且为负,农业用地减少将增加径流量,居民用地增长利于径流量增加,水域对径流量影响相对较小。     

土地利用变化及流域尺度大小对水文类型分区的影响

以海河流域为研究对象,根据1956-2005 年的年降雨量和水面蒸发资料以及DEM、土地利用和土壤的遥感资料,采用地理信息系统和多元统计分析的方法,划分一定单元流域,对海河流域进行水文类型分区划分,并讨论了土地利用转移变化及单元流域尺度大小对水文类型分区的影响。结果表明,不同土地利用情况下水文类型分区的结果是不同的,土地利用的变化会直接或间接影响流域水文类型分区的空间分布,土地利用变化越大,水文类型分区的转移变化也越大。单元流域尺度较小时,水文类型分区分布较为离散,反之,单元流域尺度较大时,水文类型分区的分布则较为连续。当单元流域平均面积变化小于150 km²时,分区分布虽然有一定的变化,但总体来看分区结果相对比较稳定,当单元流域平均面积变化较大,并达到250km²以上时,分区结果会发生较大变化。     

无常规水文监测高寒湿地纳帕海水量波动模拟分析

论文以无常规水文监测高寒湿地纳帕海为例,基于流域产汇流的时滞效应,建立了湿地区气候因子(日累计降水量)与水文因子(湿地明水量)之间的经验关联模型,以模拟湿地水文情势的波动。研究首先通过对1990-2011 年不同时相的48 期纳帕海湿地Landsat TM/ETM+遥感数据进行解译,提取明水景观变化信息;再利用研究区1988-2011 年逐日降水数据经过统计计算后生成的不同时间步长日累计降水量与48 期明水面积序列进行回归分析,筛选出最佳时间步长日累计降水量并获得其与明水面积之间的经验关联模型;进而借助纳帕海湿地明水面积与明水量之间的经验方程建立湿地明水量-最佳日累计降水量关联模型。模拟结果表明:8-9 月是纳帕海湿地的主汛期,9 月多年平均明水量可达866.11×10⁴ m³;干、湿季明水量差异较大,干季平均明水量为95.91×10⁴ m³。上述模拟结果能够与遥感影像解译所获取的信息和实地调查信息保持基本一致,说明此模型能够较好地模拟研究区水文情势波动,为无监测高寒湿地水文情势研究提供了一种新的思路,同时也为该地区湿地洪灾防范提供了数据基础和方法指导。     

基于WARMF模型的杭埠-丰乐河流域水文模拟研究

研究了WARMF模型在杭埠-丰乐河流域(巢湖流域最大支流)的水文模拟适应性能并进行了流域水文系统分析.利用AVSWAT2000模型将流域划分为37个子流域,利用流域地貌-土壤分布对应关系、土壤剖面结构、地下水位埋深等条件,确定了子流域的平面分组与剖面土层结构,较大程度上降低了流域模型参数校准的难度与不确定性.利用2000～2003年的水文观测数据,在参数灵敏度分析基础上,对模型水文参数进行了校准与检验.结果表明,WARMF在研究区具有较好的适应性能.WARMF模型与AVSWAT2000模型的水文模拟结果对比表明,WARMF模型具有更好的日拟合性能.基于模型的模拟结果,在空间尺度上定量分析了流域从降水开始到入湖的水循环过程,在时间尺度上分析了年内降雨、径流的分布及其对应关系.流域概化、模型的校准与检验以及流域水文时空变化的系统分析方法等对流域水文、环境的模拟研究与系统分析具有探索意义.     

三峡水库运行对洞庭湖北部地区水资源开发利用的影响

依据实测原型水文序列,在辨析三峡水库运行与四水流域水利工程运行对江湖水文关系演变特征影响的基础上,重点剖析了三峡水库运行对洞庭湖北部地区水资源开发利用的影响。结果表明:①在江湖水文关系演变过程中,三峡水库运行对洞庭湖水情演变的影响要大于四水水利工程运行的影响;②洞庭湖区水资源比三峡水库运行前(1951—2002年)类似来水情景下减少了185.60×10⁸ m³;③三峡水库蓄水调度运行期,枯水年、丰水年9月15日至10月31日荆南三口入湖平均径流依次减少67.99×10⁸、23.14×10⁸ m³,补水运行期枯水年、丰水年1—3月三口入湖平均径流依次减少4.93×10⁸、11.51×10⁸ m³;④三峡水库运行对洞庭湖区水资源开发利用影响的地区是澧县、安乡县、沅江市、南县、华容县等县市,影响时间为每年10—12月或1—3月,影响的后果是因季节性和工程性缺水造成该区平均每年经济损失约57 359×10⁴元。     

输入数据精度与准确性对SWAT模型模拟的影响

以潮河流域为研究区域,利用潮河流域1990~2013年监测数据,构建SWAT模型,在模型结构和参数不改变的情况下,探究输入数据精度（DEM分辨率）与准确性（降水插值）对径流和总氮模拟结果影响.结果显示：DEM分辨率变化（30~300m）对径流及总氮模拟效果不同,对径流模拟影响不明显,纳什系数（ENS）和R²可达到0.87以上;对总氮模拟结果影响较大,分辨率越精细,模拟效果越好.不同水文年,DEM分辨率变化对总氮负荷模拟表现不同.丰水年对总氮负荷影响较大,负荷量差异较为明显,枯水年影响相对较小;不同DEM分辨率下,年均（1993~2002年）总氮负荷强度空间分布相似,高负荷区均位于潮河中游,潮河上游及下游的负荷强度相对较低.不同降水输入数据站点分布、站网密度和准确性不同,流域内降水空间分布差异显著.总体上,基于站点较少的气象站插值数据与雨量站实测降水数据,径流和总氮模拟效果较为接近;基于SWAT官方雨量站插值数据,径流和总氮模拟效果较差.不同降水数据输入情景下,模拟的总氮负荷强度模拟的空间分布差异明显;降水量分布较高的区域,负荷量也较高;不同水文年下,不同降水输入对总氮负荷模拟表现不同.丰水年和枯水年,基于气象站插值数据的总氮模拟结果与基于雨量站实测数据的模拟结果较为接近,而基于SWAT官方雨量站插值的模拟误差较大;平水年,基于SWAT官方雨量站插值的模拟结果较气象站插值数据的模拟结果更好.该研究可为流域开展模型构建提供科学参考和借鉴.     

流域水资源保护补偿博弈分析及蚁群算法解

协调好流域上下游间的收益问题,使上下游和谐发展,实现全流域收益最优,是目前我国流域水资源保护补偿研究和实践中的重点。论文从博弈论的角度研究流域水资源保护补偿中上下游间的行为和收益问题,建立了行政调节的流域水资源保护补偿博弈模型,利用蚁群算法实现模型最优求解。将该模型应用于晋江流域,结果表明：当上游的安溪县、德化县、永春县以及南安市（上游部分）提供给下游的水量分别为0.87×10⁸、0.75×10⁸、0.85×10⁸和0.76×10⁸ m³时,分别可获得0.925×10⁸、0.673×10⁸、0.949×10⁸和1.019×10⁸元的经济补偿,同时下游地区获得48.765×10⁸元的效益,此时流域总收益最大。上游地区合理供水可大幅提升全流域的收益,下游给上游合理补偿能够协调上下游关系,促进上下游的和谐发展。     

1986—2015年青藏高原哈拉湖湖泊动态对气候变化的响应

湖泊是气候变化的敏感指示器,研究其动态变化对揭示全球气候变化具有重要意义。以哈拉湖流域为研究区,基于3S技术提取流域内湖泊面积、形状等信息,揭示近30年哈拉湖流域湖泊动态变化特征,并探讨其对气候变化的响应。结果表明：1986—2015年间,哈拉湖流域湖泊面积变化呈“V”型,其动态变化大致可分为两个阶段：波动下降阶段（1986—2001年）和波动上升阶段（2001—2015年）。其中1986—2001年湖泊面积由593.68 km²减少到584.83 km²（减少8.85 km²）;2001—2015年由584.83 km²增加到614.31 km²（增加29.48 km²）。对湖泊面积变化量与冰川面积变化量及同期遥感数据阶段各气候要素相关分析发现,湖泊面积变化量与阶段降水量呈正相关,且相关显著性水平在0.01以上,进而降水量是湖泊动态变化的主导因素。     

北方干旱化和土地利用变化对泾河流域径流的影响

论文以在黄土高原上发育,流经中国北方干旱、半干旱地区的黄河二级支流--泾河为研究对象,基于20世纪八九十年代的土地利用影像资料,以及泾河流域1970~2002年的气候、水文资料,采用美国农业部开发的分布式流域水文模型SWAT,分析了20世纪80~90年代泾河流域的降雨量和径流量的变化。从80到90年代,流域年降雨量呈逐年递减趋势,80年代多年平均月降雨量明显大于90年代多年平均月降雨量,尤其在7~9月,平均降雨量明显减少。受气候干旱化和土地利用/覆被变化的共同作用,80~90年代,流域多年平均年径流减少了8.92m³s^-1。为了区分气候变化和土地利用变化对流域径流的影响,采取分别固定气候因子与土地利用/覆被变化因子的方法,将模拟情景输入模型,定量区分气候和土地利用/覆被变化对流域径流的影响方式和程度。结果表明,气候干旱化趋势使流域多年平均年径流减少28.08m³s^-1,为气候、土地利用/覆被变化共同影响径流变化量的314.80%;土地利用/覆被变化使流域多年平均年径流增加26.57m³s^-1,为气候、土地利用/覆被变化共同影响径流变化量的297.87%。     

山西省永定河流域林草植被生态需水研究

以山西永定河流域及周边17 个气象站点1957—2000 年的气象资料为依据,在GIS支持下,从时空角度定量分析了山西永定河流域林草植被生态需水及其在不同植被类型、流域不同地区及植被生长期内的分配。研究结果表明: 山西永定河流域植被建设最小生态需水量为1 628.5×10⁶ m³,对应的盈余水量为653.5×10⁶ m³,适宜生态需水量为2 709.5×10⁶ m³,对应的生态缺水量为427.5×10⁶ m³;降雨总体上能满足相应面积草、灌、乔植被生长期最小生态需水及草地适宜生态需水,基本满足灌木植被的适宜生态需水,不能满足乔木植被适宜生态需水;生态缺水较多的区域主要是大同、怀仁和左云等地,缺水时段集中在4—6 月。关键词:生态需水;林草植被;GIS;山西永定河流域     

降雨时间分辨率对SWAT水文模拟的影响

分别基于13个雨量站的日降雨量和小时降雨量,在率水流域建立SWAT（Soil and Water Assessment Tool）水文模型,对基于不同降雨时间分辨率的SWAT模型进行独立的参数率定和验证,在此基础上分析降雨时间分辨率对率水流域SWAT模拟性能的影响.结果表明,降雨输入的时间分辨率对率水流域SWAT模型的水文模拟性能有显著影响.小时降雨输入SWAT模型的纳什系数（NSE）和决定系数（R²）在率定期分别为0.89、0.90,在验证期分别为0.86、0.88,均显著高于日降雨输入SWAT模型对应的模型评价统计量值.究其原因,小时降雨输入SWAT模型对于峰值流量的模拟要明显优于日降雨输入SWAT模型.建议应在不同气候与自然环境条件的流域内开展类似的降雨时间分辨率对水文模型模拟性能的影响研究.     

降雨时间分辨率对SWAT水文模拟的影响

分别基于13个雨量站的日降雨量和小时降雨量,在率水流域建立SWAT（Soil and Water Assessment Tool）水文模型,对基于不同降雨时间分辨率的SWAT模型进行独立的参数率定和验证,在此基础上分析降雨时间分辨率对率水流域SWAT模拟性能的影响.结果表明,降雨输入的时间分辨率对率水流域SWAT模型的水文模拟性能有显著影响.小时降雨输入SWAT模型的纳什系数（NSE）和决定系数（R²）在率定期分别为0.89、0.90,在验证期分别为0.86、0.88,均显著高于日降雨输入SWAT模型对应的模型评价统计量值.究其原因,小时降雨输入SWAT模型对于峰值流量的模拟要明显优于日降雨输入SWAT模型.建议应在不同气候与自然环境条件的流域内开展类似的降雨时间分辨率对水文模型模拟性能的影响研究.     

基于FLUS模型的湖北省生态空间多情景模拟预测

改革开放以来,中国经济在飞速发展的同时,生态环境问题日益严峻。为保障国家和地区的生态安全,对未来生态空间进行模拟预测十分必要。在长江大保护和长江经济带绿色发展背景下,以湖北省为研究区,利用FLUS模型基于湖北省2010年、2015年土地利用数据及包含自然和人文因素的15种驱动因子数据,对2035年的湖北省生态空间进行模拟预测。结果表明：利用2010年土地利用现状模拟出的2015年湖北省土地利用变化情况,总体精度达到0.976,Kappa系数达到0.961,模拟精度较高。设置的生产空间优先、生活空间优先、生态空间优先以及综合空间优化4种不同情景,基本满足未来湖北省不同发展导向的需求。从地貌单元角度来看,在不同情景下,湖北省生态空间主要分布于湖北省边陲四大山区,中部江汉平原生态空间零星分布。从数量规模上来看,不同情景下各个用地类型数量规模差异较为明显,生产空间优先情景下耕地面积增加1216 km²,生活空间优先情景下城镇用地规模增加5959 km²,生态空间优先情景下生态空间用地增长722 km²,综合空间优化情景下生态空间用地规模变化更趋于平缓。从生态空间变化分布来看,四大山区的生态空间变化不大,但中部江汉平原生态空间变化较为明显,其中从行政区划上来看,变化范围主要分布于武汉城市圈、襄阳市、宜昌市中西部地区及随州市中部地区。总而言之,FLUS模型对于湖北省生态空间模拟的适用性较好,多情景模拟结果可为湖北省未来国土空间规划及未来生态空间管控提供多角度、多方向的政策决策参考。     

广西西江沿岸后备适宜建设用地潜力及空间分布

测算和评价后备适宜建设用地潜力是区域工业化和城镇化发展的重要基础工作之一。论文在建立后备适宜建设用地潜力多要素分步式算法及技术流程的基础上,借助GIS 空间分析技术,利用1：5 万DEM数据、1：10 万土地利用图、县级行政区划图和各类保护区分布图,测算和评价了广西西江沿岸20 km 范围内及沿江主要城市周边后备适宜建设用地的数量、等级和空间分布特征。研究结果表明：广西西江沿岸20 km范围内后备适宜建设用地面积为1 962.64 km²,占土地总面积的比重为4.82%;来宾和柳州接壤的柳江东岸存在一个后备适宜建设用地富集区域,具有成片集中开发利用的前景。南宁和柳州2 市城区周边的后备适宜建设用地数量较为丰富,具备进一步规模性开发和建设的用地条件;百色、崇左、来宾、贵港和梧州5 市城区周边的后备适宜建设用地潜力相对较为有限,未来建成区规模的拓展应适当控制。     

塔里木河干流生态闸洪水漫溢过程分布式水文模拟——以灿木里克生态闸为例

随着人类活动对塔里木河流域水-生态环境的干扰范围不断扩大,闸、堰及堤防等水利工程在流域水资源管理与调控中的作用也日益增强。生态放水是塔里木河特有的一种水资源调配和生态恢复手段,其运行机制需要以生态控制区域水资源运移及空间分布为依据。论文选取塔里木河中游灿木里克生态闸为研究区,利用区域气象、水文及高分辨率地形数据,实现了生态洪水漫溢过程的分布式水文模拟,并通过统计回归分析得到淹没时间与淹没面积、生态放水量与淹没面积之间的定量关系。结果表明,将GIS与现代水文学相结合,建立塔里木河干流小尺度分布式水文模型,模拟生态闸的洪水漫溢过程是可行的;模拟结果与实测淹没范围在空间分布和面积上都实现了较好的拟合,为合理调配生态区域内水资源及制定科学的生态闸运行机制提供了理论基础。     

综合生态安全格局构建与城市扩张模拟的城市增长边界划定——以天水市规划区（2015—2030年）为例

传统的城市增长边界划定方法,一般仅考虑生态安全格局,并未考虑在现有客观条件下的城市扩张趋势,划定结果具有一定的主观性;或仅对城市的扩张进行模拟,忽略了城市的生态安全问题。针对上述问题,论文通过耦合城市综合生态安全格局与基于CA_Markov模型的城市扩张模拟结果,提出了一种新的城市增长边界划定方法:首先,合理选取因子构建研究区的综合生态安全格局,利用禁建区对综合生态安全格局的结果进行修正,获得研究区的刚性增长边界;其次,合理选取城市扩张驱动因子,通过CA_Markov模型预测城市扩张边界;最后,综合考虑刚性增长边界、模拟获得的城市扩张边界及近期城市拓展方案等,获得最终的城市增长边界。并以天水市规划区（2015—2030）为案例,对方法的科学性进行了说明。结果表明,论文划定的城市增长边界内总面积370.56 km²,占规划区总面积的7.7%。此方法能够有效解决城市增长与生态保护之间的矛盾,对河谷型城市等建设用地匮乏、生态环境脆弱城市的增长边界划定具有良好的应用价值,也可为其他类型城市的城市增长边界划定提供参考。