氣候與土地利用變化的流域水文系統(tǒng)響應——以東江流域為例.pdf

1、20世紀90年代以來，土地利用/土地覆被變化(LUCC)問題引起國際組織和世界各國的普遍關注；與此同時，四大全球變化計劃(DIVERSITAS、IGBP、IHDP、WCRP)聯(lián)合組建地球系統(tǒng)科學聯(lián)盟(ESSP)，旨在開展綜合集成、跨學科交叉的糧食、碳、水、人類健康等四大關系人類生計與生存的關鍵可持續(xù)性問題方面的研究。其中，“變化環(huán)境下的水文循環(huán)研究”是全球水系統(tǒng)(GWSP)的核心科學問題，氣候變化與土地利用/覆被變化(LUCC)則是變化

2、環(huán)境的重要表現。因此，氣候變化與土地利用/覆被變化(LUCC)對流域水循環(huán)以及洪水干旱和水資源的影響已成為當前全球變化研究的重點與熱點。 論文以東江流域及其幾個典型子流域為例，以流域水文學為基礎，應用現代空間觀測技術、計算機技術以及建模等手段，基于植被、氣候、水文、土壤、土地利用和地形數據構建東江流域地理信息數據庫；以東江流域整體為對象，從大中尺度上研究該流域的土地利用、氣候要素和水文系統(tǒng)要素的時空分布和動態(tài)變化特征，分析土地

3、利用與氣候變化的水文系統(tǒng)響應；基于RS、GIS與DEM技術構建東江流域分布式水文模型．DJWDHM，探討流域土地利用、氣候和水文要素之間的相互影響和響應，并利用該模型預測了未來變化情景下氣候與土地利用變化對水文系統(tǒng)的影響，定量的識別了二者的貢獻，為東江流域社會經濟的發(fā)展，特別是為流域土地資源可持續(xù)性發(fā)展、水資源的有效利用和調配等提供決策依據，對洪澇和干旱做出評估分析，提出合理的決策建議。論文主要研究成果如下： (1)收集了東江

4、流域氣象、水文、植被、土壤、地形數據、遙感數據和野外調查數據，在GIS平臺上較為完整地構建了包括土地利用類型圖層、植被類型層、氣象因子層、水文參數層、土壤屬性層和地形因子層等組成的地理信息數據庫。 (2)基于RS與GIS技術，應用美國國家航天航空局最新的全球植被指數變化研究數據(GIMMS)，對珠江流域1982-2003年間的地表植被覆蓋的空間分布及時間序列變化進行了綜合分析。并在此研究基礎上，采用多維空間信息綜合地表植被分類

5、方法對珠江流域地表植被進行了綜合分類，獲取了珠江流域較高精度的植被類型分布圖。 (3)應用以遙感觀測數據驅動的GLO-PEM模式模擬估計的NPP數據，對珠江流域1981-2000年間的地表植被凈初級生產力的空間分布及時間序列變化進行了綜合分析。結果表明，受氣候和土地利用變化的影響，20年來珠江流域的NPP整體上呈現了不顯著減少的趨勢，但存在明顯的區(qū)域差異性和較大的空間異質性。 (4)結合東江流域土地利用的實際情況，構

6、建了東江流域土地利用分類系統(tǒng)；并采用決策樹分類法與BP神經網絡相結合的綜合分類模型，對流域兩期遙感圖像進行分類。結果表明，研究區(qū)從1980年代初到2000年土地利用與植被覆蓋發(fā)生了較大的變化，特別是建設用地在空間上分布呈現從集中向分散的趨勢發(fā)展，充分反映了建設用地從中心向外圍擴展的空間分布格局。 (5)基于DEM與GIS技術，提出了一種利用神經網絡進行氣候要素空間插值的新方法—．BPANNSI：并將該方法與非參數統(tǒng)計方法相結合

7、，全面系統(tǒng)地分析了東江流域氣候要素在時空場中的變化情況。結果表明，東江流域1956-2000年降雨量不存在明顯的變化趨勢，不存在突變點，存在明顯的12年周期震蕩；平均氣溫整體的上升趨勢非常顯著，1990年前后發(fā)生了非常明顯的變暖突變；流域年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量整體的下降趨勢非常顯著，且在1986年前后發(fā)生了非常明顯的下降突變。 (6)應用統(tǒng)計方法分析了東江流域近45年來的水文系統(tǒng)變化情況及其對氣候與土地利用變化的響應。結果表明：博羅站

8、年天然徑流序列增加趨勢不明顯，這與流域降雨量變化趨勢非常相似，沒有通過突變檢驗，但存在明顯的12年主周期震蕩：博羅站年蒸散發(fā)量下降趨勢不明顯，也沒有通過突變檢驗；博羅站徑流系數增加趨勢不明顯，沒有通過突變檢驗，但也呈現出了一定的變化，即博羅站徑流系數序列1973年發(fā)生了由少到多的變化，但沒達到顯著性水平。東江流域氣候與土地利用變化對水文系統(tǒng)的影響較為復雜，傳統(tǒng)的統(tǒng)計分析方法很難將二者的貢獻定量化，更難以反映二者的空間演變特征對水文系統(tǒng)的

9、影響，需尋求新的方法加以解決。 (7)基于RS、GIS與DEM技術，構建了東江流域分布式水文模型-DJWDHM，其模擬精度與三水源新安江模型及SWAT模型得到的結果相當。利用該模型模擬了流域氣候與土地利用變化對水文要素的影響。結果表明：對整個東江流域而言，1990年代與1980年代相比，降雨量減少13.7mm，占多年平均降雨量的0.8﹪，平均氣溫增加了0.39℃，占多年平均氣溫的2．0﹪；LUCC與氣候變化引起的徑流深減-27

10、.0mm，其中，LUCC導致徑流深增加了14．3mm，約占實際變化量的25.7﹪；氣候變化引起東江流域徑流深減少了41．3mm，占實際年變化量的74.3﹪。 (8)利用系統(tǒng)動力學模型與BPANN-CA模型的理論框架，構建了東江流域土地利用變化系統(tǒng)動力學模型及其時空變化模擬模型-LUSD?；贚USD模擬的5種土地利用情景，利用DJWDHM模型分別預測了5種土地利用情景的水文系統(tǒng)效應。結果表明：流域未來5種土地利用情景下的土地利

11、用變化都將使流域徑流深逐漸增加，蒸發(fā)量逐漸減少，土壤含水量減少；流域徑流深隨CN的增加而增加，隨CN的減少而減少；蒸散發(fā)量和土壤含水量隨CN的增加而減少，隨CN的減少而變大；土壤含水量對土地利用變化的敏感性比徑流深和蒸散發(fā)量的敏感性要大。 (9)根據對東江流域45年來的氣候變化趨勢分析結果，在參考國內外的一些研究成果和有關資料的基礎上，不考慮降水強度和氣溫空間分布變化，建立了未來15種氣候波動情景，并利用DJWDHM模擬了這1