基于SWAT模型的景观格局对地表径流量的影响

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全球变暖、自然灾害频发、水资源短缺等一系列气候变化问题,很大程度上都是人类强烈干扰、改变地表景观结构的结果。径流量及其变化与景观格局存在着长期的相互作用,深刻认识并模拟两者之间的定量关系,不仅可以为流域的水资源可持续利用问题、水环境污染问题及生态环境保护问题的解决提供理论支撑,也为开展流域退耕还林还草及耕地保护工作,合理制定林地植被管理政策提供实践指导。鄱阳湖是中国第一大淡水湖,抚河是其第二大流域。近24年来抚河流域的生态环境保护及退耕还林还草等工程,显著地改变了流域景观格局,必然作用于该流域乃至整个鄱阳湖流域的水文循环。该研究对于认识区域水资源安全也具有重要意义。本文以抚河流域为案例区,基于DEM数据、土地利用数据、土壤数据和气象数据构建SWAT水文模型,并验证和评价SWAT模型在抚河流域的适用性,近而模拟31个子流域1990-1999年、2000-2008年、2009-2013年三个时期的年平均地表径流量。同时应用景观格局分析方法分析抚河流域1990年、2000年、2008年三年景观格局的动态变化特征。最后结合spearman相关分析法,定量分析抚河子流域尺度上景观指标对地表径流量的影响。主要研究结论如下:(1)创建了抚河流域SWAT水文模型,经过率定和验证显示该模型在抚河流域具有高度适用性。本文划分了 31个子流域,模拟了三个时期子流域月平均径流量,并基于SWAT-CUP的SUFI-2算法进行敏感性分析、率定和验证。结果表明,模拟值和实测值拟合度较高,三个时期的R2和Ens分别为0.91、0.86、0.92和0.89、0.8、0.9,可见SWAT分布式水文模型径流量模拟在抚河流域有精度非常高。(2)抚河流域1990-2013年的年降水量和径流量整体呈下降趋势。采用Mann-Kendall非参数检验法、累积距平法等分析抚河流域年径流量变化大致经历三个阶段:1990-1999年径流量上升阶段、2000-2008年径流量下降阶段、2009-2013径流波动变化阶段。降雨与径流显著正相关,说明降雨与径流关系密切,但流域径流量的变率远比降雨量的变率强烈。因此,径流量受气候变化和人类活动两个主要因素影响,且人类活动对抚河流域径流量减少的贡献率增加,甚至成为影响径流的主要因素。(3)1990年、2000年、2008年8种景观类型两个时期在空间上相互转换剧烈,但研究期内处于动态平衡中,耕地减少1062.54 km2,林地扩张701.46 km2,城乡建设用地扩大306.89 km2,湿地面积增加16.36 km2,水域先增加后减少。水田和旱地主要转出为林地、城乡建设用地;水域转出为水田、林地。从景观指数来看,1990到2008年破碎化程度先增后减、整体呈减少趋势,斑块形状越来复杂,连通性先减后增、整体呈增加趋势,水田和草地是抚河流域最破碎的景观,而林地在抚河流域有着较大的优势度,各种类型斑块之间连接度很高。(4)景观水平上,斑块密度PD、香农多样性指数SHDI、香农均衡度指数SHEI与径流量显著正相关,平均斑块面积MPS、面积加权分维数FRAC_AM与径流量显著负相关。从1990-2008景观格局的变化来看,景观破碎化程度减弱、流域斑块形状越来越复杂、斑块分布不均增强,从而增加了降水截流,减少径流量。蔓延度CONTAG与径流量之间负相关,但相关性不显著;斑块数量NP与径流量无显著相关。(5)景观类型水平上,旱地、水田、水域、城乡建设用地斑块所占景观面积比PLAND指数和径流量显著正相关,而林地PLAND、FRAC_AM与径流量显著负相关,林地斑块形状的复杂化则增强了地表对降雨的截留和植物蒸腾作用,使径流量减少。城乡建设用地PLAND、PD和FRAC_AM显著正相关,城市面积扩张、景观破碎化程度加深减少了径流消耗,促进了流域径流量的增多。总体上,景观格局的变化使流域径流量减少。
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