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土地利用/覆被变化(LUCC)及其影响是目前环境研究的热点和前沿问题。城市化进程中土地利用/覆被变化直接影响到流域降雨入渗、产流和蒸散等各个方面,进而引起径流的时空改变。深圳是我国沿海地区快速城市化的典型和代表,本文以深圳市宝安区为对象,研究了快速城市化地区土地利用/覆被变化的水文效应,探讨了资料不完备地区模拟LUCC水文效应的方法,研究结果可为该地区今后土地利用的合理开发及规划提供支持,也为类似地区的相关研究提供借鉴和参考。
本文利用水文模型法,重点考虑土地利用/覆被变化对各水文子过程的影响,修正了基于GIS网格的简单水平衡模型,建立了考虑土地利用/覆被变化的水平衡模型,分析了模型变量和参数的含义及确定方法,重点讨论它们与土地利用/覆被变化的关联。
采用季相一致的1990、1995、1999、2003、2007年五个时段的TM卫星影像解译出研究区的土地利用/覆被,土地利用类型划分为林地、园地、耕地、草地、建设用地、水域和裸地7类。分析了研究区近20年来土地利用/覆被变化的面积、开发程度、转移与动态度、空间格局等状况,结果表明,宝安区1990~2007年土地利用最明显的变化是城市建设用地的迅速扩张和植被面积的减小:土地利用开发程度逐年增大;景观多样性程度总体呈降低趋势:主要土地利用转移类型为:裸地、耕地、草地、水域转变为建设用地,林地、草地、耕地转化为园地。
根据宝安区土地利用、气候、水文特点,建立了研究区的考虑土地利用/覆被变化的水平衡模型,利用区内铁岗水库实测的水文气象数据和流域的土地利用情况,采用优化的方法率定了各土地利用类型的水文模型参数组合。经实际数据验证,所建模型具有较高的精度和可靠性,可应用于研究区的土地利用/覆被变化的水文效应模拟研究。
利用建立的研究区模型模拟了1990~2000年实际的土地利用/覆被变化的水文效应。结果表明,近10年来宝安区的径流年内分配不均匀度和降雨产流的强度都呈增大趋势,主导因素为降雨的变化。随着城市化的不断加剧,土地利用/覆被变化对区域水文的影响程度不断增强。1994~1997年的土地利用/覆被变化使年径流量和径流系数增大0.2%~1%,径流年内分配不均匀度减小1.2%~3%;1998~2000年的土地利用/覆被变化使年径流量和径流系数增大4%~5%,径流年内分配不均匀度减小3.3%~4.4%。
采用2007年的土地利用和典型年的气象资料,对比模拟了宝安区三大流域和各个小流域的水文效应。结果表明,植被覆盖率低的流域其年径流深和径流系数大,大小顺序为西部流域>观澜河流域>茅洲河流域,径流年内分配不均匀系数大小顺序为观澜河流域>茅洲河流域>西部流域;西部流域的土地利用开发程度最高,建设用地比例最大,植被覆盖率低,其降雨径流系数最大,降雨产流的调蓄能力最低,发生洪水的危险性最大。在宝安区的99个小流域中,年径流系数大于0.8的流域基本都在生态控制线范围外,有相对较高的建设用地或水域面积比例:年径流系数小于0.5的流域都在基本生态控制范围内,有较大的植被覆盖率。
应用建立的模型在典型气象年条件下对茅洲河流域进行了情景模拟研究,探讨历史反演、极端土地利用、土地利用空间配置及不同透水性情景下流域的土地利用/覆被变化水文效应。主要结论:(1)1990年的土地利用条件可将1998年的年径流深减小4%,径流年内分配不均匀度增大5.3%;2007年的土地利用/覆被条件可使1998年的年径流深增大14.9%,径流年内分配不均匀度减小2.6%。(2)若保持基本生态控制线内土地利用不变,仅改变基本生态控制范围外的土地利用类型,流域年径流深的可能变化范围为448.5~917.3mm,年径流系数的可能变化范围为0.29~0.59,年内分配不均匀系数的可能变化范围为0.98~1.22。(3)如果基本生态控制范围外的其它地类各有20%转变成建设用地,则会使流域的径流深增大2.3%;如果流域内20%的耕地转变成林地,对径流深的影响不大;如果现有裸地面积分别有20%转变为林地、园地、耕地、草地,则能使径流深减小4.2%。(4)建设用地透水性增加10%可使径流深减小6.2%;各类植被透水性增加10%可使径流深增大2%;在改变相同幅度的透水性的情况下,建设用地对流域产流的影响程度高于植被。(5)总的来说,如果流域的土地利用开发程度高、建设用地面比例高、植被覆盖度小、透水性差,则其年径流深大,径流的年内分配越均匀。