延河流域景观格局与水文过程耦合分析

【摘要】本研究以水土保持的典型实验区延河流域为对象,探讨延河流域退耕还林(草)政策实施前后土地利用/覆被变化的特征,试图将自然环境条件与土地利用/覆被变化以及历史发展过程相互联系,评价延河流域景观格局变化对水文过程的影响,对流域景观格局与水文过程的研究具有重要的科学价值和现实意义。本文应用遥感技术和地理信息系统技术,结合实地调研和数学统计方法,首先分析退耕还林(草)政策实施前后,延河流域土地利用/覆被变化(LUCC)状况。并通过元胞自动机—马尔科夫链(CA-Markov)空间动力学模型模拟预测其变化趋势；而后借助SWAT分布式水文模型,分析和模拟预测延河流域的水文过程；在此基础上,尝试定义内涵包括地形、土壤和土地利用/覆盖变化(LUCC)信息的景观单元,通过景观格局指数方法定量描述延河流域在地形和土壤类型复杂多变的情况下,土地利用变化引起的景观格局变化对生态水文过程,特别是土壤侵蚀过程的影响,并构建与土壤侵蚀过程密切相关的综合性景观格局指数,反映区域景观格局变化与土壤侵蚀过程的耦合关系。主要结论如下：(1)延河流域土地利用变化：耕地不断减少,生态用地不断增长。1990-2010年,延河流域土地利用呈现出牧草地、灌丛林、有林地不断增长、耕地不断缩减的态势。牧草地较其它土地类型比例是最大的,属于延河流域的优势景观类型。根据CA-Markov模型预测,到2020年延河流域林、灌、草地总面积将达到66.63%,耕地占14.53%,牧草地减小了10.59%,园地增长105.35%,建设用地增长89.68%。上述变化与延河流域经济社会发展趋势基本符合。(2)延河流域水文过程：延河流域降水量、径流量和输沙量时空变化有规律性。依据历史文献资料生成“延河流域历史记载旱涝灾害时间序列图”,得知延河流域历史上旱涝灾害相间发生,旱灾危害较大。近60年的降水量、径流量、输沙量时间序列变化相似,三者实测数据之间的相关性显著,但降水量与输沙量的相关性较弱,降水量、径流深和输沙量的变异系数依次增大。通过延河流域6h雨量点IDW插值图分析,径流量与降雨强度空间变化特征相似呈现由中部向东西两边依次递减；然而产沙量空间分布特征与降水强度和径流量的空间分布特征很不同,呈现由南向北,由东向西递减的趋势。(3)延河流域SWAT分布式水文模型的构建和应用：利用SWAT模型对延河流域土地利用/覆被变化的水文效应进行模拟分析,得出随着林、灌、草地面积的增长有助于延河径流量增加,而泥沙量将会大幅度减小的结论。(4)本文尝试将水文响应单元(HRU)作为基本景观单元来研究景观格局：由土地利用类型、土壤类型、地形特征等几个要素共同构成水文响应单元(HRU)的空间异质性。用景观指数方法研究水文响应单元(HRU)的空间格局特征。在景观水平上,通过主成分因子分析选取DCAD、GYRATE_SD、COHESION、SHEI、TCA、PAFRAC.IJI等7个景观指数。并从幅度和粒度两个方面进行景观尺度分析,判断适宜粒度为80m。耦合分析延河各子流域的景观指数与年径流深、年产沙量关系,结果7个所选景观指数与径流量的相关系数很小,全部不能通过显著性检验。但除了TCA和IJI外其它五个景观指数与产沙量之间有显著相关性,相关系数绝对值介于0.3-0.5之间。(5)尝试构建Slope-HRU景观指数：延河流域各子流域的Slope-HRU景观指数与年产沙量耦合关系明确,相关系数为-0.6,呈显著负相关。根据水土流失“源-汇”景观格局理论构建的Slope-HRU景观指数,在一定程度上反映了景观格局与水土流失过程的相互关系。通过对延河流域41个子流域的Slope-HRU景观指数R值空间分布特征分析,结果表明：在子流域尺度上,Slope-HRU景观指数和年产沙量存在明显的区域分异规律。而且Slope-HRU景观指数R值空间变异情况与年产沙量的空间变化规律相反,即R值由东南向西北递增,年产沙量由东南向西北递减。(6)论文创新点：①本文尝试将水文响应单元(HRU)作为基本景观单元来研究景观格局,由土地利用类型、土壤类型和地形特征等几个要素共同构成水文响应单元(HRU)的空间异质性。用景观指数方法研究水文响应单元(HRU)的空间格局特征。②根据水土流失“源-汇”景观格局理论,尝试构建Slope-HRU景观指数,反映景观格局与水土流失过程的相互关系。
【作者】周自翔；
【导师】黄春长；
【作者基本信息】陕西师范大学，自然地理学，2014，博士
【关键词】延河流域；景观格局；水文过程；水文响应单元；景观指数；

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