（水文学及水资源专业论文）流域土地利用变化对径流影响问题的研究.pdf

摘要 土地利用 覆被的改变 l u c c 对流域水资源的形成 转化以及时空配置具 有显著影响 人类不合理的土地利用方式 使土地利用 覆被格局在流域尺度上 发生了显著变化 在一定程度上影响了地区径流和洪水过程 径流变化是水文循 环研究中的敏感因素 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 因此需要对比分析不同土地利用条件下径流的变化 探讨l u c c 对海河 流域径流的影响程度 1 本文选择大清河水系紫荆关流域作为研究区 运用分布式水文模型s w a t s o i la n dw a t e r a s s e s s m e n tt 0 0 1 进行该区域的径流模拟 在地理信息系统的支 持下 获得紫荆关地区的数字高程模型和土壤类型分布图 在遥感和g i s 的辅助 下 提取了2 0 世纪8 0 年代前和2 0 世纪9 0 年代后的土地利用数据 将所有g i s 数据的投影和坐标系参数统一 得到模型所需要的专题地图 2 使用a r c v i e w 下的a v s w a t 扩展模块进行基于d e m 的子流域分割 把 紫荆关划分成2 个子流域 使用2 0 世纪9 0 年代后的土地利用数据为模型的土 地覆被输入数据 结合1 9 8 4 1 9 9 6 年的实测气象资料和同期紫荆关水文站的水文 资料对s w a t 模型的参数进行了率定和验证 结果表明实测径流量和模拟的径流 量的相关系数和n a s h s u t t c l i f f e 系数均满足要求 模型可以应用于该区域 3 对比2 0 世纪8 0 年代前的土地利用数据和2 0 世纪9 0 年代后的土地利用 数据发现 研究区林地和灌木林面积在9 0 年代后是减少的 耕地 草地 建设 用地都是增加的 分别利用两期的土地利用数据进行1 9 8 4 1 9 9 6 年1 3 年的径流 模拟 对比模拟的径流结果 分析研究区内土地利用变化对水文响应产生的影响 主要分析在降雨和气候不变的情况下 该区域土地利用变化引起的总径流量的变 化情况 研究结果表明 土地利用的变化影响了该区域的径流量 总体趋势是使 径流量减少 且5 6 7 月份径流减少量较其他月份大 关键词 土地利用变化 s w a t 模型 径流模拟 径流变化 a bs t r a c t l a n d u s ea n dl a n d c o v e rc h a n g eh a v eas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ef o r mo fw a t e r r e s o u r c e sa sw e l la ss p a c e t i m ec o n f i g u r a t i o n u n r e a s o n a b l el a n d u s ew i l lr e s u l ti n c h a n g e so nl a n d u s ea n dl a n d c o v e ri nt h eb a s i ns c a l e w h i c ha f f e c t e dt h ef l o o d p r o c e s s e st oa c e r t a i ne x t e n t r u n o f fc h a n g ei sas e n s i t i v ef a c t o ro fh y d r o l o g i c a lc y c l 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 a sar 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 t i s n e c e s s a r yt oc o m p a r ea n da n a l y z er u n o f fc h a n g eu n d e r d i f f e r e n tl a n du s e 1 i nt h i sa r t i c l e z i j i n g g u a nb a s i no fd a q i n gr i v e rs y s t e mw a ss e l e c t e d t h e p h y s i c a l l y b a s e dd i s t r i b u t e ds w a tm o d e lw a sa p p l i e dt ot h er u n o f fs i m u l a t i o no f t h i s b a s i n w i t ht h es u p p o r to fg e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m d e ma n dt h es o i l c l a s s i f i c a t i o ni m a g ew e r eo b t a i n e d t h er e m o t es e n s i n ga n dg i sh e l pu st og e tt h el a n d u s ed a t ao f19 8 0 sa n d19 9 0 s t ou n i f ya l lt h ep r o j e c t i o na n dc o o r d i n a t ep a r a m e t e r so f t h eg i sd a t at og e tt h et h e m a t i cm a p s 2 21s u b w a t e r s h e d sh a v e b e e nd e l i n e a t e df r o mt h ed e mb yu s i n gt h e w a t e r s h e da u t o m a t i cd e l i n e a t i o nt o o li nt h ea v s w a te x t e n t i o n so ft h ea r c v i e w t h e l a n du s ed a t ai nt h el9 9 0 sw a si n p u ti n t ot h em o d e l a n dr u n o f fd a t ao fz i j i n g g u a n s t a t i o nf r o m19 8 4 19 9 6w e r eu s e dt oc a l i b r a t ea n dv a l i d a t et h em o d e lp a r a m e t e r s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r es a t i s f a c t o r y a n dt h er e s u l t ss h o wt h a ts w a tm o d e lc o u l d b es u c c e s s f u l l yu s e dt os i m u l a t et h er u n o f fi nt h i sa r e a 3 c o m p a r i n gt h el a n d c o v e rs t a t u si n 1 9 8 0 sa n d1 9 9 0 s t h ea r e a so ft h e w o o d l a n d sa r ed e c r e a s i n g b u tt h ea r e a so ft h ea r a b l el a n d t h eg r a s s l a n da n dt h e c o n s t r u c t i o nl a n da r ea l l e x p a n d i n g 1 1 1 i sp a p e ra d o p t e dt w ol a n d c o v e rs t a t u s i n 19 8 0 sa n d19 9 0 sa n ds i m u l a t e dt h er u n o f ff r o ml9 8 4 19 9 6 c o m p a r e dw i t ht h e r e s u l t ss i m u l a t e db yt h et w ol a n d u s es t a t u s i ti ss h o w nt h a tt h er u n o f fi si n f l u e n c e db y t h ec h a n g e so ft h el a n d u s e a n dt h eg e n e r a lt r e n do fr u n o f fi sd e c r e a s e d r u n o f fi n m a y j u n e j u l yr e d u c e dm u c hm o r et h a no t h e rm o n t h s k e yw o r d s l u c c s w a t r u n o f f s i m u l a t i o n r u n o f fc h a n g 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 也不包含为获得苤盗盘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 王醌武 签字同期 沙o g 年6 月1 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 鑫鲞盘鲎 有关保留 使用学位论文的规定 特授权墨鲞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 王吼厶 导师签名 一 饧伞 j 签字同期 油口8 年6 月b 同 签字同期 7 回譬年6 月 r 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 土地利用 覆被变化 l u c c l a n d u s ea n dl a n d c o v e rc h a n g e 是 国际地圈 与生物圈计划 i g b p 与 全球变化的人文领域计划 i h d p 的核心研究计划 之一 是全球变化研究的热点与前沿问趔1 l u c c 变化对水文过程的影响主要表现在对水文循环过程和水量水质变化 方面 l u c c 改变了水文循环过程中的地表蒸散发 土壤水分状况和地表植被的 截留量等 由此对流域水量平衡 主要表现在径流量 产生影响 土地利用 覆被的改变对流域水资源的形成 转化以及时空配置也具有显著 影响 人类不合理的土地利用方式 使土地利用 覆被格局在流域尺度上发生了 显著变化 在一定程度上影响了地区径流和洪水过程 造成了水土流失 土地退 化 水资源短缺等多种生态环境问题 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 海河流域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 一4 0 1 2 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下垫面条件下径流的变化 探 讨l u c c 对海河流域径流的影响程度 流域水文模型的发展为分析土地利用 覆被变化的水文效应提供了一个有效 的手段 流域水文模拟法基于对水文现象的认识 分析其成因及各要素之间的关 系 以数学方法建立水文模型来模拟流域水文变化过程 利用土地利用 覆被变 化前的资料率定模型中的参数 再对率定的参数进行检验 然后用率定的模型来 模拟变化后自然状况下的径流过程 并与实测资料进行对比 以此来鉴别土地利 用 覆被变化对径流过程的影响 本文选择大清河水系紫荆关地区作为研究区 对此区域进行深入研究 以便 第一章绪论 较清楚的认识该区域的水文过程 通过研究该区域内土地利用 覆被变化对径流 的影响 为进一步在其他区域的研究提供借鉴的方法 因此 分析大清河水系流 域的土地利用 覆被变化对径流的影响 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 水文模型概况 1 2 1 流域水文模型 水文模型是水文学发展到一定阶段的产物 就是用一种特定的表达方式来概 化一定的水文系统 用来仿真水文事件 揭示复杂的水文现象实质 所有水文模 型是水文分析的一种工具 它用数学语言或物理模型对现实水文系统进行刻划或 比拟 并在一定条件下对水文变量的变化进行模拟和预报 水文模型严格满足流域水量平衡原理 将流域概化成一个系统 该系统根据 输入条件求解输出结果 其实质是对流域上发生的水文过程进行模拟计算 降雨 到达地面之前 部分被树冠截流 在降落到地面的雨水中一部分由于蒸发而损失 一部分下渗到地下 以串流和基流的形式汇集到河道中 剩下的部分在满足地面 填洼后 以坡面流的形式汇聚到河道中 进入河网汇流过程 水文模型为模拟该 过程的数学物理模型 在水文模型中 系统输入一般为降雨 融雪 水质 泥沙 过程以及流域的蒸散发能力 系统的输出是流域出口断面的流量过程和流域实际 蒸散发i3 1 流域水文模型的研究始于2 0 世纪5 0 年代 在这之前 水文模拟及水文分析 计算多是针对某一水文环节进行 随着计算机技术的发展 人们开始把水文循环 作为一个整体 在大的空间尺度上进行系统的研究 并在5 0 年代后期提出了流 域水文模型的概念 在7 0 年代到8 0 年代中期 由于国际水文十年和网际水文计 划的相继实施 流域水文模型的研究取得了重大突破 开始注重流域水循环的系 统性 考虑了流域的滞蓄能力 截留损失等要素 对不同的径流成分划分更具体 一些比较著名的模型 如美国的斯坦福 s t a n f o r d 流域水文模型和萨克拉门托 s a c r a m e n t o 模型 日本的水箱 t a n k 模型 s h e 模型以及我国的新安江模 型等都形成于这一时期 8 0 年代后期至今 全世界范围内流域水文模型的研究 进展缓慢 主要是利用伴随先进的计算机技术出现的地理信息系统 数字化高程 模型等对原有流域水文模型作一些修改和完善 如m i k es h e 模型等 但理论 上并无大的突破 流域水文模型按照模型结构分为 黑箱模型 确定性模型 概念性模型 黑箱模型认为模型的输入一输出间有不含任何物理意义的转换函数 这种模 2 第一章绪论 型在输入一输出间建立一种统计关系 主要包括 单位过程线模型 频率分析 回归分析 实时预报等 当然也包括神经网络模型 模型在数据区范围内效果很 好 因为它将数据之间隐含的物理意义用统计关系表达出来了 但是用于外延预 报 则该物理基础消失了 变成了纯数学表达 所以效果较差 确定性模型基于 复杂的物理理论 对数据量和计算时间有较大的要求 但是由于这种模型完全基 于物理原理 所以它可以根据水文系统的变化对水文变量进行预测 模型对初值 是极为敏感的 概念性模型是介于确定性模型和经验黑箱型模型之间的一种类 型 这种模型含有较少的变量 每个变量代表一种水文过程 模型的每个单元包 含一个非线性水库 常见的这类模型有 i e m 4 h b v s m d 等 这类模型应该 属于 灰箱型 模型 目前大部分分布式水文模型属于这一类 1 2 2 基于g i s 的分布式水文模型 分布式水文模型具有物理机制 能较好地描述流域内部水文循环的时空变化 过程 建立在数字高程模型的基础上 能及时模拟人类活动和下垫面因素变化对 流域水文循环过程的影响 模型具有严格的物理基础是指模型是严格按照人们所 理解的流域水文过程建立起来的 它考虑了各部分流域特征参数在空间上的变 化 按照流域各处的地形 植被 土壤 土地利用 降水等的不同 将流域划分 为若干个水文模拟单元 在每个单元上用一组参数反映该部分的流域特征 基于d e m 的分布式水文模型是现代水文学同高科技 如计算机技术 3 s 技术等 相结合的产物 具有以下特色 1 具有物理基础 描述水文循环的 时空变化过程 2 由于其分布式特点 能够与g c m 嵌套 研究自然变化和 气候变化对水文循环的影响 3 能及时地模拟出人类活动或下垫面因素的变 化对流域水文循环过程的影响f 4 j 3 s 技术的引进 为水文科学注入了新的血液 目前水文模拟技术趋向于 将水文模型与地理信息系统 g i s 集成 以便充分利用g i s 在数据管理 空间 分析及可视性方面的功能 而数字高程模型 d e m 是构成g i s 的基础数据 利用d e m 可以提取流域的许多重要水文特征参数 如坡度 坡向 水沙运移方 向 汇流网络 流域边界线等 因此 基于d e m 的分布式水文模型是现代水文 模拟技术发展的必然趋势 也代表了水文模型的最新发展方向 5 第一章绪论 1 3 土地利用变化水文效应的研究进展及方法 1 3 1 研究进展 l u c c 改变了地表植被的截留量 土壤水分的入渗能力和地表蒸发等因素 进而影响着流域的水文情势和产汇流机制 改变了流域洪涝灾害发生的频率和强 度 6 1 径流能够反映整个流域的生态状况 也能用于预测未来土地利用 覆被潜在 变化对水文水资源的影响 7 j 因此目前l u c c 水文效应的研究主要侧重于对径流 影响的研究 其中年径流量和洪水过程的变化是反映径流变化的重要方面心j 土 地利用 覆被变化的水文响应研究中 森林水文效应倍受关注 特别是造林和毁 林对水文的影响研究 森林用地的减少将会导致平均径流量的增加似乎己得到科 学的证实 许多流域的研究表明 森林用地转换为耕地 旱作物 牧草地 会 导致河川径流增加 暴雨流量 洪峰流量增加 洪水位上升到达洪峰值的时间减 少 洪峰速率增大 尽管有这些研究 关于森林以及其转化为其他用地 如耕地 的影响方面仍然是争议的焦点 在干旱季节水流的影响方面存在着截然相反的观 点和证据 多数流域研究表明干旱季节从森林流出的水比从其他类型土地流出的 水量小 然而在半干旱地区的研究却有着相反的结论1 9 s a h i n 等采用模糊线性回归分析法对不同国家1 4 5 个试验流域 森林砍伐和 造林的水文效应进行了研究 结果表明 植被覆盖度减少1 0 针叶林产水量将 增加2 0 2 5 m m 左右 热带雨林年均流量将增加1 0 m m 然而桉树林的产水量仅 增加6 m m 相反 植被覆盖度增加1 0 灌木造林将使产水量减少5 m m 落叶 阔叶林将使产水量减少1 7 1 9 m m 如果植被全部被砍伐 针叶林年均流量将增 加2 0 1 3 3 0 m m 热带雨林将增加2 1 3 m m 桉树林增加1 7 8 m m 落叶阔叶林增加 1 6 9 2 0 1 m m 灌木林增加9 2 m m f l o v a nd e rw e e r t 对印尼爪哇西部c i t a r u m 流域 面积为4 1 3 3 k m 2 1 9 2 2 1 9 2 9 年和1 9 7 9 1 9 8 6 年期间年均径流量的变化进行了研究 两个时期年均降雨量基本 相等 但后一时期的年均径流量比前一时期增加了11 分析其原因发现 后一 时期林地面积减少 而居住地面积达到7 从而导致径流量大幅增加 l c o s t a 等对托坎廷斯河流域 面积7 6 7 10 4 k m 2 土地利用变化的水文效应 进行了分析 结果表明 农业用地的增加 降低了入渗和蒸发 从而增加了年均 流量 1 2 l a h m e r 等 1 3 和k l o c k i n g 等人 1 4 的研究表明 耕地转化为草地 干旱的草场 或草甸草地 对于大中尺度流域及其子流域的水文行为均未引起明显变化 原因 在于气候温和的自然条件下这几种土地利用模式相似 水文行为只有在多山的河 源区才有表现 干涸的河谷转化为自然湿地 蒸散发量的增加导致流域夏季流量 4 第一章绪论 减少 国内关于土地利用与径流关系的研究起步较晚 始于2 0 世纪6 0 年代 主要 也集中在森林对地表径流影响的研究上 围绕森林是否增加径流量展开 1 5 石培礼等 l6 对我国森林植被变化水文效应文献的综合分析表明 不同地区森 林植被变化对径流的影响幅度相差较大 叶宝莹等 1 7 1 以泥鳅河和科洛河流域为例 分析了土地利用 土地覆被变化与河流径流量的关系 认为科洛河流域耕地和林 地面积的减少增加了地表径流 流域土地覆被变化与流域径流量的关系复杂 并 非单一的覆被类型变化起主导作用 而是各种变化耦合作用影响了河流径流 其 中影响最为显著的是沼泽湿地的变化 郝芳华 陈利群等 18 对黄河下游支流洛河 上游卢氏水文站以上流域的产流模拟表明 森林的存在增加了径流量 平水年土 地利用变化对产流量影响最小 降雨量的增大能弱化下垫面对产流量的影响 邓 慧平等i 坶j 对梭磨河流域的日径流过程模拟表明 随着流域有林地面积和冠层最大 截流量的增加 地表径流 地表以下径流 总径流均减少 张晓明掣2 0 认为随着 森林植被覆盖率的增加 流域雨季径流量 径流深和径流系数减少 无林流域比 森林流域的雨季径流深和径流系数高5 2 0 倍 少林流域比多林流域的雨季径流 深和径流系数高2 7 2 9 倍 葛怡等 2 l 对上海市区的研究表明 城市化的发展极 大的增加了径流系数 对于土地覆被变化对径流的影响国内还有比较多的研究成 果1 2 2 2 4 1 1 3 2 研究方法 土地覆被变化的水文效应的研究方法有多种 试验流域法 特征变量时间序 列法 水文模型法和综合法 1 试验流域的方法包括平行流域法 单独流域法 控制流域法 和多数 并列流域法等 平行流域法 选择除植被条件外 其它水文条件大致相同的几个 相邻流域 对水文情势及各种径流特征值进行比较 单独流域法 将同一流域原 始状态和试验后状态下的径流量进行对比研究 控制流域法 采用相同的方法对 条件相似的相邻流域进行平行水文观测 一定时期后 将其中一个流域保持原状 控制流域 对其它流域进行短期或连续的试验处理 处理流域 然后根据处 理前和处理后控制流域与处理流域水文情势的变化 分析l u c c 的水文效应 多数并列流域法 在同一地区尽可能地选择自然条件不同的多个流域进行同样的 水文观测 用获得的水文资料进行回归分析 方差分析 主因子分析等来研究 l u c c 对水文过程的影响 但这些方法有其局限性 试验流域研究通常在小流 域进行 研究周期长 可对比性差 2 特征变量时间序列法是选择较长时段上反映l u c c 水文效应的特征参 第一章绪论 数 尽量剔除其他因素的作用 从特征参数的演化趋势上 评估l u c c 的水文 效应 2 5 3 自1 9 7 0 年以来 土地利用 覆被变化的水文效应研究由传统的统计分 析方法转向水文模型方法 o n s t a d 和j a m i e s o n 2 6 于1 9 7 0 年最先尝试运用水文模 型预测土地利用变化对径流的影响 水文模型法不仅能考虑流域综合因素对水文 过程的影响 而且可以灵活的调整气候或土地利用 覆被方面的个别或多个参数 从而有效地研究气候变化或l u c c 的水文效应 2 7 1 水文模型的选择依赖于获取 资料的详细程度 时间和经费的限制 更重要的是取决于资料的可用性 集总式 模型结构简单 操作方便 应用较少的参数 但通常将流域作为一个整体 难以 反映流域特征参数的时空差异 分布式水文模型 特征参数的物理意义比较明确 能描述流域内水文循环的时空变化过程但模型包含参数较多 需要进行调试 率 定和检验 如果受资料的限制 其模拟结果并不比集总式模型好 2 引 此外 模型 参数和输入数据较多 往往导致模型比较复杂 可能造成模拟结果误差较大 2 9 g i s 和r s 在l u c c 和水文循环领域的应用为水文模型提供了新的研究思路和技 术方法 如a r c e g m o s w a t d p h m r s 等 国内学者也以水文模型为研究方法对不同地区展开研究 其中 穆兴民 李 靖p u j 等通过建立降水一径流统计模型分析了人工草 林及梯田 淤坝等对流域径 流量的变化 陈军锋 张吲2 2 等利用总集式水文模型定量区分了土地覆被变化对 水文的影响 邓慧平纠1 9 利用半分布式的地形指数模型对梭磨河流域的日径流过 程模拟 分析了有林地对径流的影响 陈军锋掣3 1 应用s w a t 模型模拟长江上 游梭磨河流域不同土地覆被情景下的多年降水径流关系 定量的评估了梭磨河流 域的土地覆被变化对径流 蒸发和洪峰流量的影响 1 4 大清河流域概况 1 4 1 地理位置 大清河系位于海河流域的中部 西起太行山区 东至渤海湾 北界永定河 南临子牙河 流域面积4 3 0 6 0 k m 2 其中山区占4 3 平原占5 7 总人口2 3 2 5 万人 有耕地2 6 4 0 万亩 流经山西 河北 北京和天津四省 市 河北省境内 又涉及沧州 石家庄 保定 廊坊4 个市 1 4 2 地质地貌 大清河流域属华北台地的一部分 流域内地层出露较全 太古界阜平群以中 6 第一章绪论 深变质及混合岩化的各类花岗片麻岩为主 是本流域分布范围最广 面积最大的 岩类之一 从流域西南界的河北省灵寿县起 向东北方向延伸至境界 面积达 6 1 2 5 k m 2 占山区总面积的3 2 3 大清河流域地势由西北向东南倾斜 地貌分山区和平原两大类 山区按高程 及地貌又分为中山区 低山区及丘陵三类 西部为中山区 海拔高程一般在1 0 0 m 以上 北起沫水县宋各庄 易县紫荆关 沫源县走马释 南到阜平县岔河以西 包括涞源县全部 沫水 易县 满城 顺平 唐县 阜平的西部深山区 总面积 6 7 9 0 5k m 2 占全市总面积的3 0 7 该区最高山峰为阜平县歪头山 海拔2 2 8 6 m 中山区山体切割强烈 山势高峻 河谷深切 支脉发育 并嵌有小型盆地和断裂 谷地 涞源盆地 阜平盆地 东团堡盆地 走马盆地均位于该区 中山区东南部 是低山区和丘陵区 呈条带形 北起沫水 南至阜平 包括沫水 易县 徐水 满城 顺平 唐县 曲阳 阜平的一部或大部地区 总面积4 1 9 7 6 k m 2 占总面 积的1 8 9 8 低山区坡缓谷宽 陆地发育 有黄土覆盖 海拔高程除狼牙山为 1 1 0 5 m 外 一般在5 0 至1 0 0 m 之间 丘陵区海拔一般在l o o m 至5 0 m 之间 地 形低缓起伏 向东南渐坡展为平原 并有孤山圆丘突出地面 平原区系由大小不 等的冲积扇构成 其地形宛如蝶状 自北 西 南三个方向 向东部白洋淀倾斜 按其成因分山前洪积平原 冲积平原及洼淀区三部分 京广铁路两侧炎山前洪积 平原 约占总面积的2 6 主要由拒马河 易水 漕河 龙泉河 唐河 消河出 山口后洪积物堆积而成 水力切割 冲沟发育 一般在海拔3 0 l o o m 之间 地 面坡降为1 至4 冲积平原系河流冲积扇前部相连接而成 河流交叉处多分 布有大小不等的洼地 上部主要是近代河流冲积层 下部为倾状冲积层 地势平 坦 海拔在1 0 3 0 m 之间 地面坡降小于1 该区含市区全部 雄县 高阳 博野 蠡县的一部分 约占全市总面积的2 1 洼淀区位于平原东部 为白洋淀 和周边低洼易涝区 海拔7 1 0 m 含安新全部 高阳 清苑部分地区 约为总面 积的3 3 1 4 3 气候 大清河属于中温带半湿润气候亚区 春季干旱多风 夏季炎热多雨 秋季气 候凉爽 冬季寒冷少雪 四季分明 无霜期约2 0 0 天 气温自西北向东南递增 年均气温差距较大 平原为1 2 7 c 山区为7 4 1 月平均气温 平原为 5 山区为 1 2 7 月平均气温 平原为2 7 山区为2 2 极端最低气温 2 6 8 最高气温4 3 3 年日照时数较多 为2 6 0 0 2 9 0 0 小时 多年平均降雨5 0 0 7 0 0 m m 受海洋及地形影响 降雨量年际变化大 多雨 年和少雨年最大差6 4 倍 降雨量年内分配也不均匀 冬春两季很少降雨 多以 第一章绪论 暴雨形式集中降于7 8 月份 故经常出现连年洪后涝 连年干旱或先早后涝 旱 涝交替等情况 本水系流域面积占海河流域总面积的15 但按大水年份3 0 天 最大洪量统计 来水量却占总来水量的4 4 这说明本水系洪水在海河洪水中具 有举足轻重的地位 紫荆关一带年降水量7 5 0 m m 左右 是河北省降水量最多的地区之一 山区 气候比较湿润 仅有一些山间盆地如涞源盆地气候比较干燥 气象灾害主要是大 风 冰雹 霜冻 盆地多旱少涝 1 4 4 水系 大清河水系上游分为南 北两支 北支为白沟河水系 主要支流有南 北拒 马河 小清河 琉璃河 中易水 北易水等 白沟河与南拒马河在白沟镇汇合后 始称大清河 北支洪水经新盖房分洪道汇入东淀 拒马河源出涞源县西部 凤凰 山东南麓 海拔2 0 8 6m 东流折向南流 流域地势西北高 东南低 河道曲折 河槽宽浅 中 上游山地丘陵区支流发育 南支为赵王河水系 主要支流有瀑河 漕河 府河 唐河 潴龙河等 各河 均汇入白洋淀 南支洪水经白洋淀调蓄后 由赵王新渠入东淀 东淀以下分别经 独流减河和海河干流入海 东淀 文安洼 贾口洼为大清河中游洼淀 汛期用于 缓洪蓄洪 减轻下游洪水威胁 图1 一l 大清河水系图 独流减河位于天津市区南侧 河道从第六埠开始经天津市西青 静海 大港 等三个区县至海口防潮闸 全长6 7 k m 其左堤是保卫天津市防洪安全的南部防 线 第一章绪论 1 4 5 植被和土壤 大清河流域内土壤主要是褐土 尤其是山地棕褐土分布较广 其次是山地棕 壤 山地淋溶褐土 山地粗骨土 黄土丘陵及河谷盆地为褐土 草甸褐土 山地 土壤的垂直分布自山顶为耕作褐土 山地褐土 山地棕褐土 山地粗骨土 在黄 土丘陵及河谷盆地为褐土 草甸褐土及石灰性褐土 耕地多为耕作褐土 由于侵 蚀较严重 土壤肥力稍低 有机质多为0 7 1 5 流域植被分布为 在1 6 0 0 m 以上为华北落叶松 云杉 桦山 山杨 8 0 0 1 6 0 0 m 为油松 辽东栎 槲栎 8 0 0 m 以下主要是杨 柳 榆 槐 山杏 在沟谷缓坡 上多柿 枣 花椒 黑枣和苹果 犁 杏等 1 5 研究内容及路线 1 5 1 研究内容 论文研究基于大清河水系紫荆关地区 以r s 和g i s 技术为支持 采用分布 式水文模型 s w a t 模型 应用不同土地利用情况对该地区的径流量进行模拟 并分析土地利用变化对径流量的影响 总体说来 本文研究内容包括 1 通过资料的调查和分析 了解大清河流域的基本情况 通过海河流域 遥感影像资料提取研究区域的土地利用 覆被类型 以便分析流域土地利用 覆被 的变化情况 以地理信息系统为支持 处理模型所需要的数字高程模型 土地利 用数据 土壤图等空间数据 并将紫荆关地区的其他数据进行搜集 整理和分类 2 采用具有物理基础的流域分布式水文模型一s w a t 模型 以数字高程 d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l i n g d e m 为基础 将研究区划分为2 1 个子流域 并 对径流量进行模拟与验证 3 分别模拟紫荆关地区降水在2 0 世纪8 0 年代前和2 0 世纪9 0 年代后的 土地利用情况下的径流 对比分析模拟径流量的变化 从而揭示流域下垫面变化 对径流的影响 1 5 2 技术路线 为了利用模型进行计算首先要收集研究区的基础资料 包括研究区的数字高 程模型 d e m 数据 土地利用数据 土壤图 主要气象站点的气象资料 雨 量站的降雨资料等 然后对资料进行处理 准备模型计算所需的数据 模型参数率定完成以后就可以利用模型进行径流的模拟 并对模拟结果进行 第一章绪论 分析 本文主要工作如图1 2 所示 图1 2 技术路线图 l o 第二章s w a t 模型的基本结构与原理 第二章s w a t 模型的基本结构与原理 2 1s w a t 模型概述 s w a t s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt 0 0 1 是美国农业部 u s d a 农业研 究局 a r s 开发的流域尺度模型 用于模拟地表水和地下水的水质和水量 长 期预测土地管理措施对具有多种土壤 土地利用和管理条件的大面积复杂流域的 水文 泥沙和农业化学物质产量的影响 该模型具有很强的物理基础 利用g i s 和r s 提供的空间数据信息进行模拟 s w a t 模型自开发以来 在美国 北美寒区已经有了广泛的应用实例 并在 加拿大 澳大利亚 欧洲及亚洲地区结合各国的区域特点也得到了广泛的应用 并在应用过程中得到了不断的发展 s w a t 模型近几年才在国内得到应用研究 相关的模型应用研究和工作经验积累还不太丰富还处在探索阶段 2 2s w a t 模型的发展历程及应用研究 2 2 1 模型发展历程 s w a t s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt 0 0 1 是美国农业部农业研究中心 u s d a a r s 历时近3 0 年开发的基于流域尺度的分布式水文模型 是在s w r r b 模型 基础上发展起来的一个长时段的流域分布式水文模型 2 0 世纪7 0 年代中期 美国开展了 清洁水行动 c l e a nw a t e ra c t u s d a a r s 联合全国各地多名科学家组织了一个多学科的研究队伍 开发了一 个以自然过程为基础的非点源模拟模型c r e a m s c h e m i c a i s r u n o f fa n d e r o s i o nf r o ma g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n ts y s t e m s 来模拟不同的土地利用对于产水 产沙 土壤养分以及化学物质的流失影响 它是地块尺度 f i e l ds i z e 连续时 间的模拟模型 可以在日的基础上计算日径流量 峰值流量 表面水入渗 过滤 蒸散发以及土壤水分 同时可以估计在径流 泥沙中溶解的化学物质的积聚 8 0 年代中期 在c r e a m s 模型的基础上 增加了一个模拟农药 杀虫剂 p e s t i c i d e s 在植被根部带垂直运动的组件 研制出了g l e a m s 模型 g r o u n d w a t e rl o a d i n g e f f e c t so fa g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n ts y s t e m s 在地块版本的基础上 9 0 年代初 期推出了流域版 w a t e r s h e dv e r s i o n 的c r e a m s g l e a m s 模型 二者组成了 第二章s w a t 模型的基本结构与原理 一个具有多种地理过程的综合模型体系 可以模拟径流和泥沙的传输过程 化学 物质的传输过程 土壤内部碳和营养物质微循环和热量传导以及作物的生长过 程 日径流通过修改过的s c s 径流曲线数方法 m o d i f i e ds c sc u n en u m b e r m e t h o d 计算 土壤侵蚀通过m u s l e m o d i f i e du n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n 方法计算 模型所需的气象数据参数则通过模型天气生成器w g e n w e a t h e r g e n e r a t i o nm o d e l 来模拟获得 2 0 世纪8 0 年代中期开始 a r s 的研究人员致力于模拟多种土壤类型 土地 覆盖和管理措施的复杂流域的模型研究 这样导致了9 0 年代初s w r r b s i m u l a t i o nf o rw a t e rr e s o u r c e si nr u r a lb a s i n s 模型的研制成功 模型对 c l e a m s 模型的主要改进表现为以下几点 1 可以使模型同时计算多个子流 域 预测整个流域的产水量 2 增加了回流组件 水库和池塘组件 气象模 拟模型组件和简单的水流演算组件 3 开发了更好的方法预测径流峰值率 4 增加了作物生长模型 5 增加了模拟泥沙在水库 池塘 河流及山谷的 移动组件 6 可以计算传输损失 经过这些修改后推出的s w r r b 模型可以 应用到面积达几百平方公里的流域 9 0 年代初以后 s w r r b 模型继续发展 其 开发集中在水质的模拟 增加了g l e a m s 模型的农药 杀虫剂 p e s t i c i d e s 组 件 采用了新的产沙公式 m u s l e 以及s c s 估计径流峰值率的新技术 但是s w r r b 模型最多能把流域划分成1 0 个子流域 并且是从子流域出口 直接到流域出口的排水量简单的路径结构 当研究几千平方公里的较大流域时 可能需要将整个流域划分成几百个子流域 此时s w r r b 模型就显得无能为力 于是导致了r o t o 模型 r o u t i n go u t p u tt oo u t l e t 的问世 r o t o 模型提供了 一个在河道水库的演算方法 把多个s w r r b 模型的运行结果连接在一起 克服 了s w r r b 模型限制子流域数目的问题 虽然方法是有效的 但是r o t o 模型 仍有局限性 多个s w r r b 模型必须单独运行 结果再输入到r o t o 模型进行 河道和水库调洪演算 并且输入输出文件非常麻烦 对计算机的存储容量也有很 大的要求 为了克服这些问题 1 9 9 4 年以a r n o l d 为首的研究组把s w r r b 和 r o t o 两个模型融合为一体 开发出了一个新的分布式流域水文模型即s w a t 模型 改进后的s w a t 模型可以使流域分为成千个单元格或者分流域 s w a t 模型因增加以下内容而区别于它以前的模型 1 在几个子流域上 同时计算和预测流域产水量的方法 2 地下水和回流部分 3 计算水库对 水和泥沙产量影响的水库存储部分 4 天气模拟模型集成了降水 太阳辐射 和温度数据 方便进行长期模拟 并提供时空代表性天气 5 改进了预测洪 峰径流率的方法 6 考虑作物生长年变化的e p i c 作物生长部分 7 简单 的洪水演算部分 8 模拟泥沙在池塘 水库 和峡谷中运动的泥沙输移部分 第二章s w a t 模型的基本结构与原理 9 输移损失计算 n e i t s c h a r n o l d 等 2 0 0 1 s w a t 模型自9 0 年代初正式推出 一直在更新和升级 包括模型的适应性 自动化划分子流域 模型的参数化敏感性和模型的校准和验证以及模型与其他模 型的整合等 各版本的更新情况 9 4 2 版引入了多个水文响应单元 h y d r o l o g i c r e s p o n s eu n i t s 简称h r u 9 6 2 版加入了植物截留 壤中流的运算 径流营 养物和杀虫剂的输送模拟和气候变化的分析方法 添加了自动施肥与灌溉作为管 理选项 用于计算潜在蒸散发的彭曼公式等模块也被加入 9 8 1 版对融雪模块 水质模拟以及营养物质循环进行了修正 增加了放牧 施肥等作为管理选项 并 增强了模型在南半球的适应性 9 9 2 版改进了对各种水体 水库 池塘和湿地 水量平衡的处理方法 增加一种城市径流的模拟计算方法 2 0 0 0 版的改进主要 在于改善 气象因子发生器 提供了更多的潜在蒸散发计算方法 太阳辐射 相对湿度 风速 潜在蒸散发等气象数据可以直接输入或者根据 气象因子发生 器 让模型自动生成 水库的数量不再受到限制 并增加了g r e e n a m p t 渗透方 程和m u s k i n g u m 模式分别计算入渗与地下水平衡 目前较新的版本s w a t 2 0 0 3 2 0 0 5 等 另外a r s 在1 9 9 8 年就发布了g i s 软件 如g r a s s 与a r c v i e w 与s w a t 的集成版本 2 0 0 2 年又被美国环保署集成到b a s i n s e s w a t s w i m s w a t m o d s w a t g s w a t c 和is w a t 是对s w a t 模型改进后的具有代 表性的研究成果 e s w a t 是g r i e n s v e n 等对s w a t 模型的地表径流 河道汇流 和水质组件的改进 s w i m 是k r y s a n o v a 等对s w a t 模型的水质模块加以改进 并与评价富营养化的m a t s a l u 模型得到的 s w a t m o d 是s o p h o c l e o u s 等对 s w a t 模型与m o d f l o w 模