（水文学及水资源专业论文）海河流域下垫面变化情况及趋势分析.pdf

中文摘要 土地利用土地覆被变化是陆地生态系统和全球环境变化对全球气候变化及 人类活动最重要的响应之。在几十年甚至百年尺度上，人类活动产生的环境变 化在强度上甚至超过自然因素引起的环境变化，成为主要因素。土地利用土地 覆被变化改变了地表蒸发、土壤水分状况及地表覆被的截留量，从而使流域产汇 流量与过程发生改变，对流域水文过程、水量平衡产生了十分重要的影响。因此， 研究土地利用变化对径流的影响，对于流域水资源规划、管理与可持续发展具有 重要的意义。受到水资源开发及人类活动的综合影响，近年来海河流域下垫面条 件发生了显著变化，对径流及洪水过程产生了明显影响。因此需要详细对比分析 不同时期海河流域下垫面土地利用条件的变化。 本研究首先利用1 9 8 0 年和2 0 0 0 年两期土地利用类型图，在遥感和g i s 技术 支持下，对海河流域土地利用现状特征及2 0 年间的土地利用动态变化进行了全 面的分析，揭示了海河流域2 0 年来揭示了该地区各类土地利用数量变化的幅度、 速度和区域差异以及土地利用变化的时空过程。研究表明，海河流域土地资源丰 富，利用类型多样，目前以耕地为主，林业用地其次，土地利用具有明显的区域 差异性，局部地区有土地退化现象。在地利用动态分析中，利用土地利用动态 度模型、土地利用程度模型以及马尔柯夫转移矩阵模型等指标，分析了土地利用 的数量变化、空间格局变化、利用程度变化及土地利用各类型之间的相互转化状 况。发现2 0 年来海河流域耕地、林地、草地、未利用地面积增加，而建设用地、 水域面积减少；土地利用变化的主要方向是向耕地转化；区域土地利用程度有所 提高。 关键词：下垫面：土地利用；变化；遥感；海河流域 a b s t r a c t t h ec h a n g eo fl a n d u e sa n dc o v e ri so n eo ft h em o s ti m o p r t a n ti n f l u e n c e sw h i c h t h et e n e s t r i a le c o s y s t e ma n dg l o b a le n v i r o n m e n t a lc h a n g ea c t o n t h e g l o b a lc l i m a t o l o g i c c h a n g ea n dm a l l sa c t i v i t y d u r i n gt h ed e c a d e sa n de v e nac e n t u r y , r o a n sa c t i v i t y c a u s i n g t h ee n v i r o n m e n t a lc h a n g ei sm o r ea n dm o r ev i s i b l et h a nt h en a t u r a l f a c t o r s ，a n db e c o m e st h em a i nf a c t o rg r a d u a l l y t h ec h a n g eo fl a n d u s ea n dc o v e ra l t e r s t h es u r f a c ee v a p o r a t i o n ，t h es t a t u so ft h es o i lh u m i d i t ya n dt h er e t e n t i o nq u a l i t yo f l a n d c o v e r , s ot h a ti tc h a n g e st h ev o l u m ea n dt h ep r o c e s so ft h ec a t c h m e n t sf l o o d ，i t p l a y sa ni m p o r i a n tr o l e i nt h ec o u r s eo fc a t c h m e n t sf l o o da n dw a t e rb a l a n c e t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ha b o u tt h ei m p a c to fl u c co nr u n o f fy i e l di so fg r e a tm e a n i n g f o rw a t e rr e s o u r c e sp l a n n i n g ，m a n a g e m e n ta n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t i nr e c e n t y e a r s ，髓ar e s u l to ft h ew a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o na n dh u m a na c t i v i t i e s ，t h el a n du s e a n dl a n dc o v e ri nh a i h eb a s i nc h a n g eal o t ，w h i c hr e s u l t si nt h er u n o f fa n df l o o d v o l u m ed e c r e a s e 。s oi ti sn e c e s s a r yt oc o m p a r ea n da n a l y z et h ec h a n g eo fl a n du s e t h i sd i s s e r t a t i o nc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y s e sa n dr e s e a r e h e st h eu s eo fh a i h e l a n d sp r e s e n ts i t u a t i o na n df e a t u r e sa sw e l la st h ec h a n g eo fl a n du s ei nr e c e n tt w o d e c a d e sb yu s i n gt h ei m a g eo fl a n du s et y p ei n19 8 0a n d2 0 0 0 ，a l s ob y m a k i n gu s eo f r e m o t es e n c ea n dg i st e c h n o l o g y ；i tr e v e a l st h er a n g e ，s p e e d ，r e g i o n a ld i f f e r e n c e s ，嬲 w e l la st h er e g u l a r i t i e so fc h a n g e a b l et i m ea n ds p a c eo fl a n du s ei nr e c e n tt w e n t y y e a r s t h i sr e s e a r c hs h o w st h a th a i h eb a s i ni sr i c hi nl a n dr e s o u r c e sa n dh a sv a r i o u s l a n dt y p e s a tp r e s e n t ，t h ea r a b l el a n dp l a y sam a i nr o l ei nt h i sd i s t r i c t ，t h es e c a n di s f o r e s t l a n d a tt h es a m et i m e ，t h er e g i o n a ld i f f e r e n c e so fl a n du s ei se v i d e n ta n dt h e l a n dd e s e r t a l i z e ss e r i o u s l y i nt h ed y n a m i ca n a l y s i so fl a n du s e ，t h i st h e s i ss t u d i e st h e q u a n t i t ya n dc h a n g eo fl a n du s e ，t h ec h a n g eo fs p a c e ss t r u c t u r ea n du t i l i z a t i o ne x t e n t a n dt h em u t u a l - t r a n s f e ro fl a n dd i v e r s i t yb yu s i n gt h ed y n a m i ca n dd e g r e em o d e l so f 1 a n d u s e ，m a r k o vt r a n s f e r r i n gm a t r i xm o d e la n dt h ed i v e r s i f i e da n ds i g n i f i c a n t i n d e x t h er e s e a r c hf m d st h a tt h ea r e ao fc u i t i v a t i o n ，t h ef o r e s t ，g r a s sa n du n u s e dl a n d h a sb e e ni n c r e a s e d ，c o n s t r u c t i o na n dw a t e r a r e ai sb e i n gd e c r e a s e di nr e c e n tt w e n t y y e a r s ，t h ec h a n g eo fl a n du s ec l i n e st ot h et r a n s f e ro fc u i t i v a t i o na n dt h ee x t e n to f r e g i o n a ll a n du s eh a sb e e nal i a l ei m p r o v e d k e y w o r d s ：u n d e r l y i n g ，l a n du s e ，c h a n g e ，r e m o t es e n s i n g ，h a i h e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞苤鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：球匆沭 签字日期：山哆年乡月争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：良彩林l 导师签名： 沏 签字r 期：加年岁月争r 签字日期：p 嵋年c 1 月s 开 第一章绪论 第一章绪论弟一早骚下匕 本章介绍了论文的研究背景、依据及意义，概述了土地利用覆被变化研究方 法发展及研究成果，为论文的研究方法及预期成果定位。 1 1 本文的研究背景、依据意义 1 1 1 研究背景 海河流域由于地下水的过量开采，造成地下水位大幅度下降，土壤非饱和代 增厚，降雨更多地补充土壤水消耗，使地表掺水能力下降；加上山区水土保持和 梯田建设，造成植被覆盖度提高和蓄水能力加强，土地利用覆被变化已经对径流 及洪水产生了重大的影响。流域大规模的下垫面变化发生在“6 3 8 ”大洪水之后， 在山区修建了大型水库1 0 余座，中型水库7 0 余座，小型水库1 4 0 0 余座，控制 了山区流域面积的8 5 以上。开发大小灌渠2 0 余条，灌溉面积增加；以造林、 种草、封山育林等措施为主的山区水土流失治理工作使林草覆盖率提高了 2 0 4 0 e 1 1 。这些以工程为主的人类活动对社会发展经济建设发挥了重要作用， 但同时对陆地水循环也产生了很大影响。特别是进入九十年代以来，海河流域产 流量较五、六十年代显著减少，并且洪水次数、洪峰量级也均有不同程度地减少 或降低，对流域生态环境和水资源利用等方面产生了直接影响。因此需要对比分 析不同时期下垫面条件变化的特点，以便日后探讨l u c c 对海河流域径流的影响 程度。 研究土地利用变化对流域径流过程的影响，获取土地利用等流域下垫面数据 以及水文、气象数据是研究的基础。 土地利用所引起的地表景观格局的变化是引起地表各种地理过程变化的主 要原因，亦是区域环境演变的重要组成部分，其中土地利用对自然灾害的影响是 这一过程的一种突出表现。洪涝灾害是受土地利用影响较大的灾种之一，土地利 用的变化作为洪涝灾害的主要孕灾环境之，严重影响着洪涝灾害的致灾过程。 二十世纪以来，全球洪涝灾害的频率远远高于以往任何时期，由人类活动引 起的土地利用覆被变化是重要的原因之土地利用覆被变化，影响雨水的截 留、下渗、蒸发等水文要素及其产汇流过程，并进而影响流域出口断面的流量过 程，加大流域洪涝灾害发生的频率和强度。 第一章绪论 1 1 2 选题依据及研究意义 土地是人类赖以生存与发展的重要资源和物质保障，在“人口一资源一环境 一发展( p r e d ) ”复合系统中，土地资源处于基础地位。土地利用反映了人类与自 然界相互影响与交互作用最直接和最密切的关系，人类利用土地在发展经济和创 造物质财富的同时，也对自然资源结构及其生态环境产生巨大的影响【2 】。及时、 准确地掌握土地利用现状和变化规律，直接关系到区域社会经济的持续发展。利 用遥感信息，结合地理信息系统技术进行区域土地利用动态监测，掌握土地利用 变化的数量，时空模式及变化趋势，探讨土地利用变化的驱动机制，可以快速、 准确、经济地获取土地利用动态变化信息，科学管理土地利用的时空数据，而且 为土地管理部门制订土地利用总体规划，合理利用和开发土地资源提供可靠依 据，为实现区域可持续发展战略提供决策支持。 土地利用土地覆被变化是陆地生态系统和全球环境变化对全球气候变化及 人类活动最重要的响应之一。在几十年甚至百年尺度上，由自然因素引起的环境 变化幅度相对较小，而人类活动产生的环境变化，在强度上甚至超过了自然因素 引起的环境变化，成为主要因素。i g b p 的土地研究指出【3 】，l u c c 影响了陆地生 态系统的生物多样性、生物种类的丰度和组成、初级生产力等；影响了全球生物 地球化学循环、水分循环、能量交换、土壤质量和大气中温室气体的含量，改变 了区域大气化学性质及过程，对局地、区域及全球气候环境都产生了广泛而深远 的影响。因此，土地利用土地覆被变化研究成为了全球环境研究的热点和前沿 问题，备受瞩目。 本文选择海河流域作为研究区，对此区域进行深入研究，以便较清楚的认识 该区域的l u c c 变化过程。通过研究该区域内土地利用覆被变化情况，为进一步 在其他区域的研究提供借鉴的方法。因此，分析流域的土地利用覆被变化情况， 可以为海河流域土地利用规划、管理和生态恢复提供依据，并为开展流域综合规 划修编和水资源综合规划提供参考。 1 2 国内外研究动态 土地利用土地覆盖的研究历史可以追溯到上百年以前，各国从生产经营活 动的需要出发，进行的有关土地利用类型以及植被覆盖类型的调查、分类及制图 等，对于土地利用土地覆盖的现状进行较为全面的认识，其成果是各种各样的 土地利用类型图、植被覆盖类型图等，对各国的经济建设、资源开发等起到了很 大的促进作用。随着计算机科学的发展，遥感技术与g i s 技术的日新月异，土地 2 第一章绪论 利用土地覆盖的研究技术手段得到了很大的发展，对土地利用土地覆盖研究的 进一步快速发展起到了极大的推动作用。特别是遥感可以在大范围、短时间内获 得高精度的数据，而且节省人力物力，对研究l u c c 起到极大的推动作用，也为 全球变化研究注入了新的活力。 9 0 年代以来，由于认识到土地利用土地覆盖变化在全球变化与可持续发展 研究中的重要地位，也认识到全球变化与可持续发展研究涉及到自然与人文的诸 多领域，需要加强自然科学与社会科学的合作，而土地利用土地覆盖变化过程 中自然与人文过程联系最为紧密，因而，作为一个研究切入点，许多全球变化的 研究者都将土地利用土地覆盖变化作为重点研究内容【4 】。自1 9 9 0 年起，隶属于 国际科学联合会( i c s u ) 的“国际地圈生物圈计划”( i g b p ) 和隶属于国际社会科学 联合会( i s s c ) 的“全球环境变化人文计划”( h d p ) 积极筹划全球性综合研究计划， 于1 9 9 5 年共同拟定并发表了土地利用土地覆盖变化科学研究计划，将其列 为核心研究计划【5 】。这之后，一些参与全球变化研究的国际组织和国家纷纷启动 了自己的土地利用与土地覆盖变化研究计划。其中，联合国环境署( u n e p ) 于1 9 9 4 年启动了“土地覆被评价和模拟”( l c a m ) 项目；美国全球变化委员会( u s s g c r ) 将土地覆被变化与气候变化、季节性和年际气候波动及臭氧层耗损列为影响地球 生命支撑系统的全球四大环境变化之一；美国国家研究委员会( n r c ) 的全球变化 委员会提出了一个全球土地利用与土地覆被变化研究框架；国际应用系统分析研 究所( i i a s a ) 于1 9 9 5 年启动了“欧洲和北亚土地利用与土地覆被变化模型”项目， 旨在分析1 9 0 0 年到1 9 9 0 年间区域的土地利用土地覆被变化的空间特征、时间 动态和环境效应，并预测该区未来5 0 年土地利用土地覆被变化趋势，为制定相 关对策服务；日本国立科学院全球环境研究中心提出了“为全球环境保护的土地 利用研究”( l u g e c ) 项目。除此之外，有关研究人员就土地利用与土地覆被变化 问题出版了颇有影响的专著。其中，代表性的有：“由人类活动所改变的地球： 过去3 0 0 多年以来生物圈的全球与区域变化”( t u r n e r 等，1 9 9 0 ) 、“土地利用与 土地覆被变化一全球性透视”( m e y e r 等，1 9 9 4 ) 等【6 】。目前更多的国际组织和国 家都启动了各自的土地利用变化研究项目，并取得了一系列成果。 1 9 7 0 年以前基本数据都是从历史调查和统计资料中获取的，有时结合有关 的地形图、土地利用图等，也有少量是利用航空遥感资料来取得有关数据【3 6 1 。近 几十年以来，随着计算机技术的飞速发展、遥感技术和地理信息系统技术在土地 利用变化调查中得到了广泛应用。i v e r s o n 利用g i s 对美国伊里诺斯州土地利用 现状和此前1 6 0 年的土地利用进行比较，分析该区土地利用的变化类型【7 】；b o e m e r 等对俄亥俄州中部地区4 6 年间十地利用和土地覆被变化的研究【8 】；s k i n n e r 对流 域林地空间变化的研究【9 1 。此外，p a u l 1 0 。1 1 、a n t h o n y 1 2 13 1 、f e n g t y a n 1 4 1 、 3 第一一章绪论 l n b r o s i o 【l5 1 、g o d e r t 0 6 等学者也进行了大量的相关研究，提出了自己的看法。 我国土地利用土地覆盖研究较早，不过最初主要集中于分类、分区以及开 发、管理等方面。近二十年来，随着我同经济的快速发展，人们的生活水平与生 活方式发生了极大变化，对国土资源需求量以及环境的压力都在增加，使得我国 的土地利用与土地覆盖都发生了深刻变化，其对环境的影响也已跨出了国界，成 为全球变化研究的重要组成部分( 史培军2 0 0 0 ) 。同时，随着国际上有关l u c c 研 究大量开展，我国学者紧跟国际研究动态，开展了一些对土地利用变化的监测与 驱动力方面的研究。在利用遥感影像对土地利用土地覆盖变化的监测分析、土 地利用土地覆盖变化研究数据库的构建、土地利用土地覆盖变化对农业生态系 统及全球变化的影响、土地利用土地覆盖变化驱动力研究以及土地利用土地覆 盖变化建模等方面，己经完成了多项研究任务并取得了不少成果【4 1 弗】。 我国近期开展土地利用变化研究开始于2 0 世纪5 0 年代，截至7 0 年代，这 一时期土地利用研究的特点是：( 1 ) 结合大规模的区域自然资源综合考察而开展 的、具有特定目的的区域土地利用调查研究；( 2 ) 在研究方法上，多属定性的、 经验性研究，尚缺乏系统的理论性总纠。7 1 。7 0 年代后期至8 0 年代后期，我国土 地利用调查研究进入一个转折阶段，其计划性得到了加强，研究内容全面而丰富， 遥感、计算机技术得以广泛应用。在此期间，中国科学院地理所组织开展了全国 性的土地利用现状调查研究工作，完成了各省区l ：5 0 万和全国1 ：1 0 0 万的土 地利用现状图集的编制及说明书的编写。并以此为基础，在1 9 9 4 年出版了由 吴传钧主编的中国土地利用一书，系统、全面地论述了我国土地利用研究的 理论、方法与特点。 2 0 世纪9 0 年代以来，土地利用土地覆盖上的研究进入了广泛而深入的阶 段，取得了一系列的成果。其中有代表性的研究成果有；葛全胜【1 8 】根据民国时期 的文献记载以及1 9 4 9 年以后的普查、调查与统计资料，分析2 0 世纪以来中国土 地利用变化状况；王秀兰对内蒙古1 0 年之间耕地的时空变化进行了研究，并预 测了耕地的变化趋势【19 】；赵淑清等【2 0 2 1 1 依据遥感影像进行了洪湖和洞庭湖地区 的土地利用土地覆盖时空格局研究，指出不同时期土地覆盖类型之间的相互转 化，并利用平均斑块大小、斑块数量、平均斑块大小三个指标从景观生态学角度 分析了土地利用土地覆盖变化对景观的影响；王思远等【2 2 】结合g i s 技术，分析 了不同生态背景下的我国土地利用、土地覆盖特征的空间分布：安超等【2 3 】以北京 市基本农田保护信息管理系统建设的前期调研为基础，介绍了g i s 在我国的土地 利用变化研究方面的应用情况及国内外g i s 软件的性能比较；赵庚星等【2 4 】在g i s 技术支持下，通过对垦利县1 9 9 1 和1 9 9 5 年土地利用现状图的叠加分析提取各地 类转化信息，以马尔柯夫链模型模拟了垦利县土地利用格局的变化；田光进等【2 5 】 4 第一章绪论 利用1 9 8 6 ，1 9 9 6 和2 0 0 0 年三期t m 遥感图像，得到海口市1 9 8 6 - 1 9 9 6 和1 9 9 6 - 2 0 0 1 年地变化情况及土地利用转移矩阵；史培军掣2 6 】以深圳特区作为经济高速发 展，土地利用快速变化的典型地区，使用t m 遥感数据、土地利用图和社会经济 统计数据研究了深圳的土地利用履盖变化过程，包括土地利用覆盖变化的遥感定 量研究，土地利用覆盖变化转移矩阵的研究，土地利用的扩展以及变化的驱动力 研究，使用细胞自动机模型模拟了1 9 8 0 - 1 9 9 4 年间深圳的土地利用变化并预溯了 2 0 0 0 年的土地利用情况；李仁东等【2 7 】结合r s 和g i s 技术建立了湖北省近1 0 年 来两个不同时期的同比例尺十地利用动态变化数据库，并对变化的时空特征进行 了分析；龙花楼等f 2 s 】基于2 0 世纪8 0 ，9 0 年代中期和2 0 0 0 年三期土地利用数据， 对安徽省土地利用变化及其驱动力的分析研究。 1 3 海河流域概况 1 3 1 自然地理 海河流域位于东经1 1 2 0 1 2 0 0 ，北纬3 5 0 - 4 3 。之间，东临渤海，南界黄河，西 靠云中、太岳山，北依蒙古高原，流域内太行山、燕山将华北平原环抱其中。流 域总面积3 1 8 万k m 2 ，其中山丘和高原面积1 8 9 万k m 2 ，占6 0 ；平原面积1 2 9 万k m 2 ，占4 0 。本流域属温带大陆性季风气候，是我国干旱和湿润气候的过渡 带。年平均气温在1 5 。c 1 4 c 之( 二) 地址地貌间且由北向南递减。滦河、潮白河、 永定河山区的北部属中温带半干旱气候区；永定河山区的西南部、滹沱河山区、 漳河山区属暖温带半干旱气候区；其它地区属暖温带亚湿润气候区。气候总的特 征是“四季分明，降水量少、年内分配集中、年际变化大”。行政区跨八省、直 辖市、自治区，包括北京、天津两市的全部，河北省的绝大部分，山西省东半部， 山东、河南两省的北部以及内蒙古自治区和辽宁省的各一小部分。 1 3 2 地质地貌 流域内地貌类型多样，北有燕山。西北有军都山，西有五台山、太行山，这 些山脉环抱着东部华北平原。燕山、太行山等山区，海拔1 0 0 3 0 0 0 m ，地形起 伏较大，相对高差5 0 0 - - 2 0 0 0 m ，主要为基岩裸露的山地，其次为第四纪松散物 质覆盖的盆地。海河平原区山前洪积冲积平原、中部湖积冲积平原和滨海海积冲 积三角洲平原组成。海拔l o o m 以下，除个别地方有基岩除露外，绝大部分为第 四纪松散物质覆盖。山地与平原近于直接交接，丘陵过渡区甚短。平原地势自北、 西、南三个方向呈扇形向渤海湾倾斜。海岸线长9 2 2 6 k m ，其中河北省4 2 1 o k m ， 5 第一章绪论 天津市1 5 5 2 k m ，山东省3 4 6 4 k m 。 海河流域山区地下水分为岩溶水、裂隙水、孔隙水三类。岩溶水赋存于奥陶 纪、寒武纪、震旦系的溶洞和裂隙中，以大泉形式排出，如神头泉、辛安泉、娘 子官泉、百泉、黑龙洞泉等。裂隙水存在于非酸性岩类的裂隙、孔隙和构造破碎 带中，含水性能差距很大。孔隙水主要赋存于山间盆地第四纪松散地层中，如大 同、蔚( 县) 阳( 高) 、张( 家口) 宜( 化) 、逐( 鹿) 怀( 来) 、天( 镇) 阳( 高) ， 忻( 州) 定( 襄) 、长治等山间盆地。由于地下水过量开采，一些大泉的出水量 已明显减少，一些泉在枯水年份断流。 海河流域平原地下水资源相对丰富。第四纪含水岩组中浅层和深层地下水系 统面积分别为1 2 5 万k i 1 2 和8 6 万k m 2 。浅层地下水底界埋深一般在4 0 - - - , 6 0 m 。 按地层成因和水文地质特性，分为山前冲积洪积平原、中东部冲积湖积平原和滨 海冲积海积平原三个水文地质分区。山前冲积洪积平原区分布在北京、石家庄、 邢台、安阳等地，面积4 3 万k m 2 ，位于太行山、燕山山前洪积冲积扇顶部，浅 层地下水含水组赋水性强，含水层岩性以卵石、卵砾石、粗砂、中砂为主，地层 中无连续隔水层，补给条件好，水质好，为全淡区。中东部冲积湖积平原区分布 在天津市北部、河北省中部地区，面积6 8 万k m 2 ，位于太行山、燕山以前冲积 扇及冲积平原上部，该区浅层含水层赋水性中等，含水层岩性以粗中石、细中砂、 细粉砂为主，补给条件较好，存在少量微咸水区。滨海冲积海积平原区分布在天 津市南部、河北省东部、山东省北部等地区，面积1 4 万k m 2 ，位于冲积平原中 下部，该区浅层含水组赋水性弱，含水层岩性以粉细砂和裂隙粘土为主，地下水 赋存条件差，浅层地下水绝大对数为咸水，只有零星浅层淡水分布。 由于对浅层地下水与深层地下水的混合开采，海河流域山前平原浅层地下水 系统现状实际上已延伸到1 2 0 - 1 5 0 m 。深层地下水系统在山前平原包括第1 i i 汗水 岩组和第含水岩组，顶界深度为8 0 1 5 0 m ，底界为第四系底板，深度一般为 1 4 0 - - - 3 5 0 m 。中东部平原咸水体以下的深层地下淡水。包括第1 i 含水岩组下部和 第1 i i 含水岩组，顶界深度一般为1 2 0 - 1 6 0 m ，地界深度一般为2 7 0 - - 3 6 0 。第 含水组底界深度3 5 0 5 5 0 m 。 1 3 3 气候 海河流域属于温带半湿润、班干旱大陆性季风气候区，冬季盛行北风和西北 风，夏季多东南风，春季干旱多风沙。按1 9 5 6 - - 1 9 9 8 年降水系列，全流域多年 平均降水量5 3 9 m m ，是我国东部沿海降水最少的地区。降水时空分布呈明显的 地带性、季节性和年际差距。夏季暴雨集中，冬春雨雪稀少，具有春旱、秋涝， 晚秋又旱的特点。年降水还存在连丰或连枯的变化规律。流域年平均气温在1 5 6 第一辛绪论 1 4 c ，年，f 均相对湿度5 0 7 0 ，年平均无霜期1 5 0 - - 2 2 0 天年、r 均h 照时 数2 5 0 0 3 5 0 0 h 。年平均陆面蒸发量4 7 0 r n r n 水面蒸发量1 1 0 0 m m ，年内四季分 明，寒暖适中。日照充足适直许多植物生长。 1 3 4 水系 海河流域包括海河、滦河和徒骇马颊河三大水系。其中，海河水系是串要水 系，由北系的蓟运河、潮臼w 、北运河、水定河和南系的人清河、子牙河、漳卫 南运河组成。滦河水系包括滦河及冀东沿海诸河，位于流域的东北部。徒骇马颊 河水系位于流域的最南韶，为单独入海的平原排涝河流 匿1 1 辩河水系图 第一章绪论 1 3 5 社会经济 流域内共有2 个直辖市，6 个省( 区) ，下辖6 4 个地区级行政区划单位( 北 京、天津市共3 6 个区、县都按地区级统计) ，2 6 8 个县级行政区划单位。1 9 9 8 年 总人口为1 2 2 1 1 万人，其中农业人口8 8 6 4 万人，城镇人口3 3 6 5 万人，总耕地面 积1 6 5 亿亩，有效灌溉面积1 0 9 2 0 万亩。工农业总产值1 5 5 3 7 亿元，其中：农 业总产值1 7 8 8 亿元，工业总产值1 3 7 4 9 亿元，国内生产总值9 6 7 4 亿元。本流域 煤、石油、天然气、铁矿等资源丰富，已探明的矿产资源9 0 多种，是我国矿产 资源种类较为齐全的地区，其中煤碳储量占全国4 5 。海河流域拥有京广、京九、 京哈、京沪、京包、津浦、京原等国家骨干铁路。公路四通八达，客、货运量相 当可观。沿渤海岸有秦皇岛、塘沽、黄骅等港口，泊位1 0 9 个，吞吐能力1 4 亿 吨。北京是全国的空运中心，天津为国际机场，石家庄、秦皇岛、刑台、长治等 城市均有机场。 1 4 主要研究内容及技术路线 本论文将主要研究海河流域土地利用变化情况及其趋势。因而首先就要确定 研究区在研究时段内土地利用是如何变化的。只有明确土地利用变化的方向及趋 势，才能对其所产生的影响进行研究。2 0 世纪9 0 年代以来，土地利用和土地覆 盖变化的研究中，时间动态模拟与空间格局分析和地理信息系统开始紧密结合， 而且遥感数据也得到广泛应用，g i s ，r s 技术成为l u c c 研究的强有力的工具。 首先收集海河流域数字高程模型加e m ( 1 ：2 5 0 0 0 0 ) 和1 9 8 0 年以及2 0 0 0 年两 个时期土地利用专题图等方面图形数据。利用上述资料，运用转移矩阵法，对从 1 9 8 0 年到2 0 0 0 年土地利用结构变化、土地利用空间变化、土地利用变化速率、 土地利用程度变化进行了动态分析。本文研究技术路线见图1 2 。 第一章绪论 图1 2技术路线图 9 第二章流域下垫面状况的识别方法 第二章流域下垫面状况的识别方法 在已有实际土地利用调查资料的情况下，可采用流域土地利用覆被变化的 历史统计资料进行流域下垫面变化情况的识别与分析。而对于上世纪8 0 年代以 后，主要采用卫星遥感数据，在a r c g i s 软件支持下，以1 ：1 0 0 0 0 0 地形图为依 据，对遥感数据进行图像处理，利用有关国家土地资源分类标准，结合海河流域 土地利用特点，将流域分为旱地、水田、林地、灌木林、草地、水域、滩地、城 乡、工矿和居民用地以及未利用土地9 类。并利用土地利用程度综合指数和土地 利用动态度等指标来揭示土地利用变化的基本特征和空间变化格局，给出流域代 表时相的土地利用覆被变化情况。 对所研究的典型流域阜平流域、紫荆关流域等，由于缺乏实际土地利用调查 资料，对其流域土地利用覆被变化将主要根据卫星遥感数据进行识别与分析。 为了确定卫星遥感数据进行识别结果的精度，先以保定市及保定市管辖各县市调 查土地利用资料为标准，通过遥感图提取的土地利用面积与实际调查资料进行对 比，对卫星遥感数据的识别精度问题进行了分析。 2 1 影响径流变化的下垫面因素 水文下垫面是多种因素的综合体，影响径流特征的下垫面因素主要有地质条 件( 包括岩性，地层结构，地质构造等) 、地貌( 包括绝对高程、地面坡度、相对高 程等) 、植被覆盖( 覆盖率，植被种类等) 。其中，土地利用、土壤类型和前期土壤 湿润程度等流域下垫面因素是影响流域降雨一径流关系的重要因素。 2 1 1 地质和土壤因素对径流影响 流域的土壤、岩石性质和地质构造决定着流域的下渗、蒸发和地下最大蓄水 量。如地质构造可能形成有利的地下蓄水构造( 如蓄水盆地) 。较发育的断层、节 理、裂隙，增加入渗，减少地面径流。透水性好的土壤、岩石将有很大一部分降 雨渗入地下，变成地下水。透水性差的土壤、岩石下渗率小，产生地表径流多。 如沙土下渗率大、蒸发小，沙土地区形成的地表径流小，地下径流大。 1 0 第二章流域下垫面状况的识别方法 2 1 2 地貌对径流影响 水流在重力作用下产生流动，坡度越大，重力作用越强，水沿坡面向下流动 的速度越快。因此，坡度越大，坡面积水量越少，对径流的贡献越多，坡面由于 微地形的存在滞蓄水分的能力随坡面的陡峻而削弱。 坡度对地表汇流的影响为：汇流历时越短，退水流量越小，说明退水越快。 根据以往的研究成果，当坡度在某一数值以上时，汇流历时保持常数值，退水流 量变化也不大，基本保持稳定。因此，地面坡度对地表汇流的影响是有限度的。 在某一数值以下时，随着坡度的变化，汇流历时和退水流量变化剧烈。 2 1 3 土地利用变化对径流的影响 土地利用通过影响下渗、蒸散发等水文过程而影响径流的时间和空间变化。 影响水文过程的主要土地利用变化包括林地变化、农业变化、湿地变化、道路建 设与城市化。土地利用变化使流域径流系数发生变化，其中早地、水田、有林地 和草地的变化对流域径流的影响较大。 ( 1 ) 森林变化的影响 森林具有调节气候、涵养水源、保持水土和防风固沙等作用，森林对水文水 循环有着十分重要的影响，主要表现在两个方面：森林可以调节年径流的分配， 增加旱季径流流量，减少汛期流量；森林可以削弱洪峰流量，推迟洪水的产汇 流时间。 森林通过茂密枝叶形成的林冠和林地积聚的枯枝落叶层，截流和拦蓄一部分 降水量；它发达的根系使入渗能力比荒地大，增加了地下径流，使枯季径流增加， 汛期径流减少，改变了河流径流的年内分配。可见森林具有良好的持蓄水能力， 可以起到削减洪峰、延缓洪水起涨过程、增加基流等调节作用。据有关部门观测， 森林土壤的根系空间达h 深时，每公顷森林可贮水5 0 0 一- - 2 0 0 0 m 3 ，被人们喻称 为“绿色水库”。但是，森林对拦洪削峰的作用是有条件的，受到很多因素的影 响。林冠截流量的大小与降雨强度、历时、风力、树种等有关。林地上枯枝落叶 层能截留一定的降水量，截留能力与树种及枯枝落叶层的厚度有关。 ( 2 ) 建设用地变化的影响 由于经济高速发展，导致城市人口高度集中，建筑物密集，绿地和透水面积 减少，因此，随着城市的兴建和发展，城市气候和下垫面条件均发生明显的变化。 城市人口、建筑物以及工商企业的高度密集，使得城市化地区产生了独特的气候 特征，城市气候的热岛效应、城市地区雨岛效应明显反映出来。通常城市的降雨 量比四周的郊区农村大，汛期的雷暴雨量也增多。由于城市的发展，大面积的天 第二章流域下垫面状况的识别方法 然植被和农业耕地被住宅、街道、公共设施、商业用地及厂房等建筑物代替，下 垫面的滞水性、渗透性、降雨径流关系等均发生明显的变化。城市区降雨后，截 留填洼，下渗的损失量很小，加之城市道路、边沟以及下水道系统的完善，使城 市集水区天然调蓄能力减弱，汇流速度明显加快，径流系数也明显增大，城市化 所及地区的产汇流过程发生显著变化。结果导致雨洪径流及洪峰流量增大，峰现 时间提前，行洪历时缩短，洪水总量增加，洪水过程线比相似的农村地区明显变 得峰高坡陡。 ( 3 ) 耕地变化的影响 耕地能增加土壤的下渗量，由于汛期是水稻的生长季节，水稻的生长需要吸 收消耗部分水分，所以，这些地区水田面积的增加，往往能降低汛期的径流量， 从而削弱洪峰流量。但当洪水水量超过一定的限度时，水田密度越高，洪水淹没 的农田面积就越大，农民损失越重，洪水的致灾程度也就越高。在干旱和半干旱 地区，农作物的生长往往需要通过灌溉来实现，大面积的灌溉实践在一定程度上 增加了地表大气中的水分，提高空气的湿度，有助于降雨的形成。 ( 4 ) 草地变化的影响 草地同林地一样，能有效地提高土壤的涵水能力和减缓雨水对地表土的冲 刷，有利于水库、江河的水源供应，减少地表的水土流失，提高湖泊的蓄水能力。 草地对调节周边气温变幅、降水频率，降低各种灾害性天气的危害也具有十分明 显的效果。不适当的管理和过度放牧将引起植被的减少和土壤板结，使得地下水 供应减少，也会使汛期产水量增加，汇流速度加快，洪灾灾情加重。 ( 5 ) 水利工程 水利工程主要包括水库、分洪工程、堤防及河道整治工程等。水利工程对洪 水影响是很明显的，水库利用自身的调蓄作用和控制能力，可以对设计标准下的 入库洪水有计划地进行调节控制，降低出库洪峰流量，拦蓄会导致下游成灾的部 分水量，错开下游的洪水高峰，使下游防洪保护区的河道水位或流量，保持在河 道保证水位或安全泄量以下，以保障其下游保护区的防洪安全。对于中小型水库， 由于防洪标准相对较低，当发生超标准洪水而垮坝时可能会给下游带来负面影 响。 堤防工程就是沿河、渠、湖、海岸边或行洪区、分洪区、围垦区的边缘修筑 的挡水建筑物。与天然情况相比，由于堤防的约束，限制了洪水的流路和范围， 大量洪水归槽，使得河道内水深加大，水流流速加快，从而改变洪水的特性。河 道整治工程主要是通过增加河道的比降、扩大河槽的过水断面、裁弯取直、清除 河道内的阻水障碍物等措施，改变行洪环境，达到稳定河槽、改善河流边界条件 和水流流态、加大天然河道的下泄能力等目的。 1 2 第二章流域下垫面状况的识别方法 ( 6 ) 其他因素 洪水生成环境是一个非常复杂的环境，除了以上影响因素以外，流域内耕地 面积的变化、耕作方式的改变、湖泊的围垦、河道的自然冲淤和滩区人为设障等 都会不同程度地对洪水产生影响。 2 2 下垫面分类及提取 2 2 1 下垫面分类 利用有关国家土地资源分类标准，结合海河流域土地利用特点，将流域土地 利用进行重现分类，分为早地、水田、林地、灌木林、草地、水域、滩地、城乡 工矿居民用地以及未利用土地9 类。具体分类见表2 1 。 2 2 2 下垫面提取 在紫荆关、阜平等小流域，由于没有相应水资源分区图，故采用s w a t 模型 确定流域边界并提取其下垫面情况。 s w a t 模型需要的数据比较多，所以，在运行a v s w a t 以前，需要准备必要的 地图和数据库文件，以生成s w a t 模型输入数据集。 a v s w a t 所需的基本图件为d e m 图、土地利用图等。a v s w a t 所需要的g i s 数 据可以通过a r c v i e w 和a r c g i s 等软件处理现有的数据得到。 a v s w a t 所需要的专题地图可以在任一投影下生成( 对于所有专题地图，其 地图投影必须相同) ，并对地图投影的类型及其投影参数设置识别。在本文中所 有的g i s 数据转换到同一坐标系下，坐标系相关参数如下： 投影：c u s t o ma l b e r se q u a l a r e ac o n i c 椭球体：k r a s o v s k y 中央经线：东经1 1 0 0 标准纬线l ：北纬2 5 0 纬线 标准纬线2 ：北纬4 7 0 纬线 东偏移：4 0 0 0 0 0 0 ( m ) 北偏移：0 ( m ) 第二牵流域下垫面状况的识别方法 表2 - 1海河流域土地利用现状统计表单位：l a n l 2 原分类k m 2 重分类面积 水田8 6 1 6 水田 8 6 1 6 早地 2 8 6 9 0 1 6 旱地2 8 6 9 0 1 6 有林地2 6 6 8 6 疏林地1 6 6 8 6 林地2 8 6 9 0 1 6 其他林地5 8 2 8 灌木林1 2 2 4 1 5 灌木林 1 2 2 4 1 5 高覆盖度草地 1 0 3 6 5 2 中覆盖度草地 2 1 0 4 0 3 草地 3 5 4 9 2 7 低覆盖度草地 4 0 8 7 2 城镇用地5 7 5 9 3 农村居民点 l l l 7 2 5 建筑用地1 8 7 6 0 2 其他建设用地 1 8 2 8 4 河渠 5 6 湖泊3 5 水库坑塘 4 2 1 4 5 水域 5 1 8 4 5 滩涂 6 滩地 6 0 4 0 1 滩地6 0 4 0 1 沙地 o 盐碱地5 2 沼泽地1 0 9 2 7 裸上地 4 9 2 未利用 3 5 2 7 9 裸岩石砾地 0 其他 1 8 6 6 1 a r c i n f o a r c v i e wg r i d 文件一数字高程模型( d e m ) 界面允许d e m 使用整数或者实数来表示高程值，地图分辨率和高程的单位 不要求一致，例如，地图分辨率可以是米，而高程则可以是英尺。地图分辨率必 须用以下单位定义：米、千米、英尺、码、十进制数；而高程则可以用以下单位 定义：米、厘米、码、英尺、英寸。数字高程模型( d e m ) 是地表单元上的高 程集合，高程是地理