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无定河流域土地利用/森林植被格局演变对侵蚀产沙的影响研究

作　者: 杨永强
导　师: 余新晓
学　校: 北京林业大学
专　业: 地图学与地理信息系统
关键词: 土地利用/森林植被格局演变 SWAT模型降雨侵蚀产沙无定河流域
分类号: S714.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

无定河流域位于黄土高原北部地区毛乌素沙漠南缘，是黄土高原河龙区间一条主要支流。无定河流域暴雨集中，土质疏松，天然植被稀少，自然侵蚀强烈，在不合理的人类活动如陡坡开垦、过度放牧、破坏天然植被的长期影响下，人类活动加速侵蚀十分强烈，导致了严重的水土流失，水土流失面积达2.65万km~2，占全流域面积的87.7％。资料表明，1956年至1969年无定河年输沙量为2.26亿t，约占同期河龙区间来沙量的21％(徐炯心，2004)。黄河中游河龙区间不仅是黄河水的主要来源，而且也是黄河粗泥沙的主要来源区。水土流失是我国西部地区面临的重大生态环境问题，同样，水土流失使得流域内土地退化、地力削弱、河床湖库淤积，对当地人民乃至黄河中下游人民的生活带来重大影响。森林植被具有涵养水源、调节径流、改善水质、保护土壤和水环境的巨大水文作用，因此合理的森林植被生态建设是解决西部水资源水环境问题的重要途径。论文研究的意义就在于改善西部生态环境，减少水土流失，尤其是要深化对森林植被环境效应的认识，从而为西部地区的生态环境建设和可持续发展提供重要的科学依据。论文以黄河一级支流无定河流域为研究对象，应用分布式水文模型SWAT(Soil and WaterAssessment Tool)对该流域的径流、侵蚀产沙状况进行模拟研究，并重点探讨降雨和土地利用／森林植被格局演变对侵蚀产沙的影响。论文基于地理信息系统(GIS)、遥感(RS)技术进行综合分析研究。首先利用1990年和2000年TM影像资料，解译获得无定河流域2期土地利用类型图，以及1980年纸质土地利用图现状图矢量化后，得到间隔10年的3期土地利用类型图，采用转移矩阵分析法对研究区的土地利用格局演变和驱动力进行了分析。其次建立了无定河流域的空间数据库(包括数字高程模型(DEM)、土地利用图、土壤类型图等)和属性数据库(包括降雨、气温、风速、相对温度)。然后根据DEM和水系分布图将整个研究区划分为15个子流域，结合1980～2000年实测水文资料进行了模型参数的敏感度分析以及参数的校准和验证，得出校准期的相对误差为11.57％，相关系数为0.887，确定性效率系数(Ens)为0.886，验证期的相对误差为9.89％，相关系数为0.851，确定性效率系数(Ens)为0.828。结果表明实测流量和模拟流量的线性回归系数和模型的效率系数满足模型模拟的要求，该模型适用于研究流域，实现了分布式水文模型对西部干旱地区径流产沙的水文响应模拟研究。在SWAT模型的模拟基础上，应用GIS的空间分析功能，分析了无定河流域在1980年、1990年和2000年不同时段的径流、泥沙的空间分布特征以及不同土地利用类型对侵蚀产沙的影响。结果表明，降雨和土地利用变化对径流、泥沙产生了较大的影响。年内降雨较多的月份，产生的径流和泥沙量也较大，反之年内降雨量较少的月份，产生的径流和泥沙量也较小。土地利用的变化主要表现在未利用地、耕地面积的减少和林地、草地面积的增加，相应的水文变化是径流、泥沙量的减少。通过SWAT分布式水文模型在无定河流域的建立和应用，充分反映降雨因子和下垫面条件的空间分异性，真实模拟流域的产流产沙过程，不仅有助于深入理解流域的产流与产沙过程，而且还可以用于模拟不同土地利用方式下径流泥沙的响应，为土地利用的径流泥沙响应研究提供了有效的途径。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
前言  10-12
1 国内外研究现状与发展趋势  12-24
  1.1 土地利用/森林植被演变对侵蚀产沙的研究进展  12-18
    1.1.1 土地利用/森林植被变化对产流过程的影响  12-14
    1.1.2 土地利用/森林植被变化对径流量的影响  14-17
    1.1.3 土地利用/森林植被变化对径流产沙的影响  17-18
  1.2 水文模型研究进展  18-23
    1.2.1 水文模型的概念与分类  18-19
    1.2.2 水文模型与RS和GIS的集成  19-21
    1.2.3 国内外有代表性的几种分布式水文模型  21-22
    1.2.4 SWAT模型的研究进展  22-23
  1.3 存在主要问题与发展趋势  23-24
2 无定河流域概况  24-33
  2.1 自然环境状况  24-28
    2.1.1 地理位置及概况  24-25
    2.1.2 地形地貌  25-26
    2.1.3 气象水文  26-27
    2.1.4 森林植被  27
    2.1.5 土壤地质  27-28
  2.2 社会经济概况  28-29
  2.3 土壤侵蚀  29-31
  2.4 水土流失治理情况  31-33
3 研究技术途径  33-38
  3.1 研究内容  33-34
    3.1.1 无定河流域数据库的构建  33
    3.1.2 分布式水文模型的选取及其适用性评价  33
    3.1.3 基于分布式水文模型的水文生态响应分析与预测  33-34
    3.1.4 无定河流域水土保持生态建设措施的减水减沙效益分析  34
  3.2 基础资料的收集与预处理  34-35
    3.2.1 基础数据收集  34-35
    3.2.2 基础数据的预处理  35
  3.3 研究技术路线  35-38
4 无定河流域土地利用/森林植被格局演变及驱动力分析  38-46
  4.1 土地利用类型图的生成  38-39
  4.2 流域土地利用/森林植被动态  39-43
    4.2.1 流域土地利用/森林植被结构  39-40
    4.2.2 流域土地利用/森林植被格局动态变化  40-43
  4.3 驱动力分析  43-46
    4.3.1 自然因素  44
    4.3.2 人为因素  44-46
5 SWAT模型及其基础库的构建  46-72
  5.1 SWAT模型  46-49
    5.1.1 水文(hydrology)  46-47
    5.1.2 气象(Weather)  47-48
    5.1.3 产沙(sedimentation)  48
    5.1.4 作物生长(Crop Growth Model)  48
    5.1.5 养分(Nutrients)  48
    5.1.6 农药/杀虫剂(Pesticides)  48-49
    5.1.7 农业管理因素模拟(Agricultural Management)  49
  5.2 SWAT模型结构  49-58
    5.2.1 水文模型  49-54
    5.2.2 土壤侵蚀模型  54-55
    5.2.3 养分转移模型  55-58
  5.3 SWAT模型基础库的构建和运行  58-68
    5.3.1 研究区DEM的建立  58-60
    5.3.2 土壤数据库建立  60-62
    5.3.3 土地利用属性数据库  62
    5.3.4 气象资料数据库  62-64
    5.3.5 基于DEM的水文参数确定  64-68
    5.3.6 SWAT模型的运行  68
  5.4 模型参数敏感性分析  68-69
  5.5 模型参数的校准与验证  69-72
    5.5.1 模型参数校准与验证方法  69-70
    5.5.2 模型的校准与验证  70-71
    5.5.3 模型参数确定  71-72
6 流域森林植被格局对径流、侵蚀产沙的影响  72-96
  6.1 流域降水、径流、产沙的动态变化  72-77
    6.1.1 测站情况  72
    6.1.2 无定河流域降水动态变化分析  72-75
    6.1.3 无定河流域径流泥沙特征分析  75-77
  6.2 基于SWAT模型的流域森林植被格局演变对侵蚀产沙的模拟与分析  77-88
    6.2.1 1980年流域水文生态响应模拟分析  78-81
    6.2.2 1990年水文响应模拟  81-84
    6.2.3 2000年水文响应模拟  84-86
    6.2.4 三期模拟结果的对比分析  86-88
  6.3 基于SWAT模型的流域森林植被格局演变对侵蚀产沙的预测  88-96
    6.3.1 不同降水条件下的水文模拟  88-91
    6.3.2 不同森林植被覆盖下的水文模拟  91-96
7 水土保持生态建设措施的减水减沙效益分析  96-110
  7.1 无定河流域降雨、径流、产沙模型  96-99
    7.1.1 年径流量(W_a)模型  96-97
    7.1.2 汛期径流量(W_f)模型  97-98
    7.1.3 年产沙量(W_s)模型  98-99
  7.2 无定河流域产流、产沙计算和变化原因分析  99-102
    7.2.1 无定河流域产流、产沙计算  99-100
    7.2.2 水沙变化原因分析  100-102
  7.3 无定河流域水土保持生态建设措施减水减沙效益分析  102-110
    7.3.1 无定河流域水土保持设施面积统计  102-103
    7.3.2 水土保持措施面积与减水、减沙量的关系分析  103-106
    7.3.3 水土保持措施面积的减水、减沙效益回归分析  106-110
8 结论与讨论  110-112
  8.1 结论  110-111
  8.2 讨论  111-112
参考文献  112-120
个人简介  120-121
导师简介  121-122
致谢  122

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