浏阳河流域土地利用变化特征及其与关键水文要素的关系

探究流域土地利用类型与水文过程的相互作用关系可为变化环境下流域水土资源管理和旱涝灾害预防提供科学依据。基于浏阳河流域1990-2019年土地利用、降雨以及蒸发数据,采用动态度、新型土地利用变化模型、交叉小波分析等方法,分析了流域土地利用的变化特征及其与关键水文要素的相互关系。结果表明:森林面积占流域总面积的69.12%~76.64%,且呈现减少的趋势,而城镇用地则逐年扩张,土地利用的转移主要发生于森林、耕地和城镇用地之间;新型土地利用变化模型可有效挖掘浏阳河流域土地利用类型转化过程中抑制性和倾向性等深层次特征规律,其中,森林向耕地的转化呈现绝对倾向性的转化特征;年降雨量与流域主要土地利用类型无明显线性关系,而蒸发与森林、耕地和城镇用地均存在较显著线性相关关系,年降雨量、年蒸发量与主要土地利用类型之间的灰关联度指标在0.4982~0.8097范围内变动,非线性相关关系均较为显著;耕地面积的变化会显著促进年降雨量和年蒸发量的变化,而森林面积则受到流域关键水文要素的显著影响。浏阳河流域土地利用类型发生了变化,且土地利用类型与关键水文要素之间相互作用,相互影响,优化流域土地利用模式,可为缓解流域气象水文灾害开辟新途径。

流域城市化进程对浏阳河河道径流量的影响

过去四十年间,在快速城市化进程影响下,浏阳河流域耕地面积大幅减少,城镇用地面积大幅增加。本文通过建立浏阳河流域SWAT模型对城市化进程对河道径流量的影响进行了定量研究,结果表明土地利用变化导致浏阳河年平均径流量增加26.82%,月平均径流量增加13.08%~61.24%。流域下垫面硬化导致径流系数和河道径流量增加,株树桥水库等水利工程的蓄丰补枯调节作用是枯水期径流量增加的重要原因,有必要评估和调整浏阳河流域防洪规划和水资源利用规划。

近45年来浏阳河流域极端降水变化

利用1969—2013年浏阳河流域12个雨量站的降水资料,结合百分位方法定义极端降水阈值,采用线性回归、滑动平均、Mann-Kendall检验、累积距平联合滑动t检验和Morlet小波分析等方法分析了极端降水指数的演变规律。结果表明:(1)极端降水量、极端降水强度、极端降水比率表现为上升趋势,10年上升率分别为7.3mm,9.5mm/d,0.3%,极端降水日数表现为下降趋势,下降率为-0.054d/10a。(2)极端降水量、极端降水强度分别在1991年、1992年存在明显突变,极端降水日数、极端降水比率突变不显著。(3)极端降水指数均存在7~8a,10~11a和25~27a的主周期,且丰枯交替变化明显。研究结果对于指导浏阳河流域的防洪减灾具有重要意义。

浏阳河流域降水时空演变规律分析

通过线性回归、滑动平均、Mann-Kendall检验、累积距平联合滑动t检验和Morlet小波分析等方法,分析了浏阳河流域1969~2013年的年、汛期和非汛期降水的演变规律。结果表明:(1)45 a来,年、汛期降水量呈非显著性下降趋势,非汛期降水量呈非显著性上升趋势。(2)年降水量的空间分布存在不均衡性,降水量总体从东北部向西南部逐渐减少。(3)年、汛期降水量均在1992年发生显著性均值突变,非汛期降水量突变不显著。(4)年降水量均存在27 a左右主周期,汛期和非汛期降水量在时间尺度上的相位变化与年降水大体一致。研究结果可为浏阳河流域气候分析和气候预测提供参考。

近30年来浏阳河流域景观格局动态及稳定性时空变化特征

为揭示浏阳河流域的景观稳定性时空变化特征,在RS和GIS技术支持下,利用1985年、2000年和2015年遥感影像获取流域内3期土地利用/覆盖类型数据,运用景观分析方法定量分析了1985—2015年间浏阳河流域景观结构变异特征、稳定性变化特征及景观稳定性与景观类型的相关关系。结果表明:①在1985—2015年间,浏阳河流域景观总体结构的时间变化特征为破碎化度、斑块边缘复杂度和景观多样性先增加后降低,人类干扰强度和景观团聚程度先降低后增加,反映出研究区景观稳定性呈先降低后增加的变化;②该流域的稳定性分布具有明显的空间分异特征,流域东部和南部稳定性较高,中部和西部稳定性较低;③不同景观类型的稳定性高值关联度从大到小的顺序为林地>耕地>人工表面>水体,低值关联度从大到小的顺序为人工表面>耕地>水体>林地;④林地是维持流域景观稳定性的关键景观;⑤社会经济和政策因素是该流域景观稳定性最重要的驱动因素,通过有效的政策调控,可以遏制和改善景观稳定性恶化的状况,为流域的管理和规划提供理论基础和决策依据。

基于多目标决策的流域水系统资源承载力分析——以浏阳河流域为例

在阐述河流流域水系统承载力的内涵及衡量指标,分析河流流域水系统承载关系的基础上,以人口、经济和环境为目标,以供水量、污染容量以及人口规划和工农业产值规划为约束,建立了基于多目标决策的流域水系统资源承载力优化模型。以浏阳河为例分析得出,按照浏阳河流域的可供水量、理论纳污容量和人口、经济发展规划速度,若以环境优先为前提,2015年浏阳河水系统资源承载能力满足要求,若以经济优先为前提,则基本满足要求;而无论是以环境优先还是以经济优先为前提,2020年均会出现水系统资源承载能力无法满足要求的情况。进而提出了浏阳河流域可持续发展管理对策。

SWAT模型在浏阳河流域径流模拟中的应用研究

浏阳河是长沙市区、浏阳市和长沙县的重要饮用水源地。浏阳河流域社会经济发展迅速,人类活动对径流影响较大,开展浏阳河流域径流变化研究,可为流域水资源开发利用与保护提供科学依据。应用SWAT模型和SUFI–2算法进行模型参数率定与敏感性分析,模拟浏阳河流域2008–2018年的月尺度径流过程。采用2008–2014年实测月径流数据进行参数率定,2013–2018年实测月径流数据进行模型验证,并在此基础上分析浏阳河流域水文过程的空间差异。结果表明:榔梨站的R^(2)和Ens均达到了较好的标准,率定期分别为0.84和0.76,验证期分别为0.83和0.76,模拟精度较高,表明该模型在浏阳河流域适用性较好。流域降雨量空间上呈现从东部到西部递减的趋势,降雨对浏阳河流域产水量的影响超过下垫面因素,年径流深空间分布与降雨类似,年均蒸散发量与降雨的空间分布格局不同。

基于SWAT模型的浏阳河流域径流对土地利用和气候变化的协同响应

气候和土地利用同时作用于流域径流,影响着流域水资源的量和质。以浏阳河流域为例,基于SWAT模型和情景分析方法定量评估未来流域内土地利用和气候变化对径流的作用。首先采用元胞自动机-马尔科夫(CA-Markov)模型模拟浏阳河流域2020和2050年的土地利用空间格局,其次在World Clim数据库中获得未来流域内气候变化数据,最后采用SWAT模型定量评估未来不同情境下土地利用和气候变化对径流的影响。研究结果表明:未来浏阳河流域林地比例下降、城市建设用地和耕地比例增加;气候呈暖干趋势; 2020和2050年,土地利用变化时,浏阳河榔梨站模拟径流将分别减少2. 42和0. 96 m^3/s;气候变化时,榔梨站模拟径流将分别减少3. 02和1. 13 m^3;土地利用和气候变化综合影响下,榔梨站模拟径流将分别减少8. 54和4. 27 m^3/s;说明浏阳河流域径流的变化对气候响应更加敏感,土地利用和气候变化对径流的影响呈非线性协同作用。

基于案例推理法的浏阳河流域“三条红线”指标确定

针对水资源"三条红线"确定过程中,采用优化配置数学模型过程复杂、不便于理解及决策的问题,将案例推理法引入水资源"三条红线"指标确定,对案例进行表示、检索和调用,并将该方法应用于浏阳河流域。浏阳河流域与沩水流域案例的相似程度最高,因而利用沩水流域配置经验,初选浏阳河流域2020年"三条红线"指标,提高了水资源配置方案的初选效率。这说明案例推理方法确定的水资源"三条红线"指标,有利于管理者利用历史经验,为流域水资源配置提供决策支持。

耦合流域-区域用水总量红线的供水优化模型及应用

为细化流域-区域耦合的用水总量指标及优化供水方式,基于流域用水总量红线与区域用水总量红线的共同约束,建立了耦合供给侧和需求侧用水总量红线的多水源多目标水资源系统供水优化模型,并应用于浏阳河-捞刀河流域,分析不同水源分配到不同行政区的最优供水方案以及最大供水量。现状年浏阳河-捞刀河流域存在一定的过度供水或供水不足;供水优化模型压缩了两流域平水年和丰水年的超红线供水,提高了枯水年和特枯年供水量;两流域规划特枯年比现状特枯年的缺水率降低了11.63%。这表明供水优化模型能较好地优化流域供水方式,确定不同频率年流域耦合区域的用水总量细化指标,相关成果可为用水总量控制的过程监管及超标预警提供有效技术支持。

山丘区流域暴雨空间插值方法的比较

降雨分布研究是一类经典的空间插值问题,但是在山丘区暴雨分布研究中,由于地形复杂性的影响,传统空间插值方法难以有效地获取暴雨的空间分布。以浏阳河流域为例,结合GIS技术,在传统空间插值方法的基础上,考虑高程因素的影响改进原有的插值方法,并采用统一的交叉验证方法和精度验证模型,对插值结果进行验证比较。结果表明考虑高程因素的插值结果优于传统的插值方法,其中考虑高程因素的反距离权重法插值效果最好,验证了考虑地形因素的空间插值方法在进行暴雨分析方面的有效性。

浏阳河流域生态补偿标准额度动态估算

生态补偿标准是生态补偿研究发展的关键问题,特别是以定量的方式量化补偿金额。以浏阳河流域为研究区,提出了基于单位面积价值当量因子的生态服务功能价值评估法。该方法利用GIS技术对研究区生态服务功能价值进行动态评估,并将皮尔生长曲线模型和表征社会经济发展水平的恩格尔系数相结合计算生态补偿系数,最终构建得到单位面积生态补偿标准额度模型,为浏阳河流域生态补偿理论打下了坚实基础,丰富了生态补偿内容,对流域可持续发展提供了一定的参考价值。

基于CMADS驱动的SWAT模型在浏阳河流域的应用研究

以浏阳河流域为研究区域,对1961—2015年径流序列资料进行了水文突变检验,采用中国大气同化驱动数据集(CMADS)驱动SWAT模型,对该流域2009—2015年径流进行逐月模拟,并采用SUFI-2算法进行参数敏感度和不确定性分析。结果表明,浏阳河流域径流序列于1987年发生突变,不具有一致性。基于CMADS驱动的SWAT模型可以较好地模拟非一致性水文序列条件下浏阳河流域径流过程,决定系数、纳什系数、偏差百分比、均方根误差与标准值偏差5个指标均在误差范围内。与径流相关的11个参数指标中,SCS径流曲线系数、地下水的时间延迟、土壤有效水量、基流α因子和土壤饱和渗透系数较为敏感。验证期和率定期的P-factor均大于0.5,R-factor均小于1.0,模拟的不确定性较小。研究结果可为浏阳河流域水资源管理和调控分配提供科学参考依据,并为后续模型间耦合提供有力支撑。

浏阳河流域土地利用景观动态及生态环境质量响应

为研究浏阳河流域的生态环境质量变化特征,在遥感和GIS技术支持下,利用1985年、2000年和2015年的遥感影像获取浏阳河流域内的土地利用/覆盖类型数据,应用景观生态学相关知识和土地利用转型的生态环境效应模型,揭示1985年—2015年浏阳河流域土地利用景观的空间格局和变化趋势,探讨该流域的生态环境质量变化及驱动机制.结果表明:(1)土地利用的整体变化特征表现为林地、草地面积缩减,耕地、人工表面面积增加;(2)生态环境质量空间分布东西差异大,总体特征是西部低,东部、南部高;(3)整体的生态环境质量指数从1985年的0.2924持续下降至2015年的0.2798,生态环境质量退化明显;(4)存在生态环境质量改善和退化2种过程,且退化过程大于改善过程,生态环境质量退化的主要因素包括林地转化为人工表面和林地转为耕地.

浏阳河流域水环境容量分析

近年来,随着工农业生产的发展和城镇化水平的提高,大量工业废水和生活污水排入浏阳河,导致浏阳河水环境质量的下降,严重地威胁了浏阳河流域的可持续发展。针对浏阳河流域水环境问题,提出浏阳河水环境容量的定量分析方法,包括水环境容量计算模型和基于水环境容量计算的控制单元划分。利用上述方法,对浏阳河流域的水资源现状进行评价;根据流域水功能分区,运用正向法对浏阳河流域水环境容量进行定量分析,并提出浏阳河流域水环境管理的措施。