基于SWAT模型的邕江流域土地利用/覆被变化及其水文效应研究

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土地利用/覆被变化(Land use and cover Change,LUCC)的环境效应研究是当今LUCC研究的热点问题,水文效应是LUCC的重要环境效应之一,深入分析LUCC的驱动机制,建立土地利用/覆被和水文变化之间的联系,是解决区域生态、资源和环境问题的有效手段。本研究以邕江流域为研究区,应用CA_Markov模型预测未来土地利用/覆被,分析2000-2020年间土地利用/覆被变化,模拟不同土地利用/覆被情景下的地表径流,研究地表径流对不同土地利用/覆被情景的响应,提出适合本流域的土地管理措施,以期为该流域的土地利用优化管理和水资源管理提供科学依据。主要结论包括以下几点:(1)就不同土地利用/覆被类型的空间分布而言,耕地大部分集中在高程200m以内的平坡和缓坡区域,2000-2010年耕地的分布呈现出随高程增加趋势;林地在高程200m以上的地区占主导地位,但2000-2010年,高程大于200米的区域林地面积呈缩小趋势;居民点及建设用地呈现明显的逐年增加趋势,且越来越向坡度较小和100-200m高程范围内聚集;湿地和未利用地面积所占比例均较小,年际变化和高程变化均不甚明显;坡向对流域土地利用类型的分布发挥着一定的作用但不起决定性作用。(2)利用MODIS NDVI数据分析流域土地利用/覆被质量变化特征,结果表明,在空间分布上,邕江流域植被覆盖呈现出四周高,中部低的分布特征。在时间变化上,2000-2010年邕江流域植被覆盖区域年均NDVI波动为0.42-0.54,其中2000-2004年植被覆盖区域NDVI波动较大,不存在明显的趋势特征,但2004年以后植被覆盖区域NDVI呈现波动性缓慢增长趋势;在年际波动上,邕江流域92.87%的植被覆盖区域NDVI呈现中低波动,而高波动区域仅占植被覆盖区域总面积的7.13%,植被覆盖状况总体稳定性较好。在变化趋势上,2000-2010年邕江流域地表植被覆盖改善的区域远大于植被退化的区域,其中,改善的区域占植被覆盖区域总面积的56.02%,退化的区域占13.36%,30.62%的区域呈现稳定不变的状态。(3)利用CA_Markov模型模拟流域2010年土地利用/覆被情景,并将模拟结果与该年份实际土地利用状况对比发现, CA_Markov模型能够较好的模拟其变化趋势,数量精度普遍大于85%,空间精度大于80%。2020年土地利用/覆被的模拟结果表明,流域各土地利用面积从大到小顺序依次为:耕地>林地>草地>建设用地>湿地>其他用地。耕地和林地在所有土地利用类型中占主导地位,面积分别为2419.98km2和1969.58km2,两者面积之和占总面积的77.11%,建设用地面积为422.57km2,仅占流域总面积的7.42%,但其空间分布及质量变化对流域水生态环境的影响不可忽视。2010-2020年期间,土地利用类型的转换主要为林地和耕地相互转化、林地和草地的相互转化以及建设用地和耕地、林地之间的相互转化。(4)借助ArcGIS软件构建SWAT模型基础数据库,共将邕江流域划分为144个子流域和1848个水文响应单元,利用SWATCUP软件的GLUE模型分析SWAT模型的参数敏感性,并运用Mann-Kendall趋势分析法研究近30年来气候及径流的变化情况,最终选择1981-1995年作为模型的校正期,选择1996-2010年作为模型的验证期,通过调整模型参数最终取得较好的模拟效果(NS系数=0.522;相关系数R2=0.59)。(5)流域降水与径流变化特征分析结果表明,流域径流量的年内变化主要受降雨等气候条件的影响,一般降雨量较多的月份径流量也相对较大,相关系数高达0.913,故流域月均径流量与降雨量呈强正相关关系,且径流对降雨的响应有一定的滞后性;同样的,年降水量与年径流量表现出明显的正相关关系,年径流量的年际变化较大,最大值约为最小值的2.5倍,且总体呈现波动性下降趋势,年降水量和年径流量的最大值和最小值所在的年份基本吻合;随着流域内NDVI逐年升高,年均流量相应的减少。(6)分别模拟2000/2005/2010年三种土地利用/覆被情景下径流的变化特征,模拟结果显示,10年间流域的径流变化呈逐年减少趋势,这与同时期径流实测数据结果相吻合;为量化流域径流对不同土地利用/覆被情景的响应,建立未来不同的土地利用/覆被情景,并分别研究径流对自然发展(F1)、严重退化(F2)、退耕还林(F3)和封山育林(F4)情景下的响应,结果表明,与目前相比,流域未来径流量总体表现为不同程度的增加趋势。
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