文摘

我们应用集成的方法来研究土地利用和土地覆盖的影响(LULC)在不同尺度水文的变化中国的黄土高原。水文建模进行了从遥感图像LULC地图在汾河上游流域的两次使用SWAT模型。主要LULC变化从1995年到2010年是分水岭的农田转变成森林,草原,建设用地。仿真结果表明,森林土地的贡献比任何其他LULC类水产量,但建设用地影响大多数由于小最初的损失和渗透。在盆地规模,比较模拟水文组件的两个LULC地图显示,平均年潜在蒸散,有轻微的增加实际蒸散,和水产量,但土壤水分减少,两者之间的间隔。在次盆地,明显LULC变化没有明显的对水文的影响,以及影响可能受到降雨的影响条件。通过水文模型与遥感图像分析、量化的方法LULC变化对水文的影响在不同的尺度为利益相关者的决策提供定量信息的土地和水资源管理。

1。介绍

土地利用变化是最大的人类对地球表面的影响,约有1/3到1/2的改变在过去的300年1- - - - - -3]。土地利用直接影响流域的水文组件,如蒸散、地表径流、地下水补给、流速及流水量(4- - - - - -7]。许多来自世界各地的先前的研究已经表明,土地利用显著影响水文过程(8- - - - - -15]。例如,Ghaffari et al。(2010)发现,减少了34.5%的草原灌丛带的增加(13.9%)和雨养农业(12.1%)导致地表径流的数量增加了33%,减少了22%的地下水补给伊朗西北部[8]。聂et al。(2011)揭示了城市化和农业发展对径流的影响在北美(9王,et al。(2014),李et al。(2015),和姚明et al。(2015)揭示了城市化的影响,土地利用模式,和变化对径流、表面温度、蒸发蒸腾,气候在中国风景10- - - - - -12]。Lopez-Vicente et al。(2013)和Ohana-Levi et al。(2015)模拟土地利用变化的影响径流和产沙量在欧洲的比利牛斯山脉和东地中海流域降雨径流关系,分别为(13,14]。王et al。(2014)评估土地利用变化对蒸散的影响,quickflow,渗透,baseflow在三峡水库上游地区在中国15]。评估影响土地利用和土地覆盖(LULC)变化对水文对流域管理和生态修复至关重要7,15,16]。

一般来说,区域土地利用变化对水文的影响不同地方和需要考虑的具体情况和环境(15,16]。中国西部黄土高原是臭名昭著的严重水土流失和泥沙的主要来源在黄河的中游,已成为世界关注的焦点。早在1950年代,中国开始在黄土高原水土保持工作,以改善当地环境和缓解黄河中游泥沙馆藏,和工作是1970年代以后17,18]。因此,在黄土高原土地利用发生了巨大的变化。同样,在过去的一个世纪,一系列的管理措施进行了在汾河流域黄土高原的东部边缘。一些研究已经完成土地利用变化对流域水文的影响(19- - - - - -22),但研究的贡献个人LULC总径流和缺乏LULC变化对流域水文的影响。特别是,缺乏信息评估的好处在汾河流域水土保持,整个黄土高原,那里很难区分LULC变化对水文的影响。更好地了解个人的贡献LULC变化对径流和LULC变化对水文的影响在不同的尺度上需要指导该地区自然资源综合管理。

方法评估水文流域土地利用变化的影响包括配对集雨的比较、统计分析和水文建模(5,23,24]。在这些方法中,水文建模是最合适的一个用于场景在不同尺度的研究。广泛使用的水文模型研究对流域水文的影响包括水文模拟程序,FORTRAN,土壤和水的评估工具(SWAT)和WaTEM / SEDEM [4,5,9,15]。SWAT模型被广泛用于评估水文学和水质量在全球农业集雨(https://www.card.iastate.edu/swat_articles/)。它是现成的和用户友好的数据输入(25]。

本研究的总体目标是调查的贡献个人LULC改变径流和决定的影响LULC汾河上游流域的水文变化通过一个集成的方法,将水文模型和遥感LULC变化的数字地图。避免大型水资源开发项目对水文过程的影响,尤其是从黄河引水工程汾河水质在研究区为2002年之后,从1990年到2000年期间被选为研究期间,在此期间足够的数据是可用的。具体目标是(1)探讨LULC分水岭的变化从1995年到2010年LULC地图由在1995年和2010年的遥感图像;(2)校准和验证SWAT模型基于DEM的月度流速及流水量,土壤地图,1995年土地利用和气候数据从1990年到2000年;(3)评估个别土地使用的水文效应,和(4)模拟的水文响应组件在盆地和次盆地尺度土地利用变化下相同的气候条件。结果应协助决策者目标水资源规划和黄土高原植被恢复。

2。研究区域

汾河流域位于黄土高原的东部,华北,北向南流到几乎所有的山西省26]。研究领域是Hecha上方的汾河上游流域水文控制站,测量水和沉积物的数量进入汾河水库(图1)。汾河上游流域面积约3242公里2位于北纬38°之间00′和39°00 40′′和经度111°和112°40′。海拔在盆地范围内从1124到2762,它有一个干旱半干旱气候,年平均降雨量430毫米。降水主要集中在6月和9月之间,占年降水总量的大约70%,进入高强度暴雨的形式,常常导致极端的水土流失。年平均气温为9.0°C,−5°C的最低平均温度在冬季,最高平均气温20°C在夏天。流域的土地利用类包括农田、森林、草原、水或湿地,建设用地,和未利用土地;他们的比例在2010年是30%,28.3%,39.57%,1.39%,0.73%,和0.01%,分别。该地区易受侵蚀的loess-derived土壤覆盖着。主要土系列包括黄土土壤、肉桂土、棕壤,土壤钙的骨骼。


图1
研究区域的位置、水文站点和气象站。

3所示。方法

一个概念性的框架开发三个阶段(图组成2):(1)过渡矩阵分析来描述从1995年到2010年土地使用的转换;(2)水文建模来模拟水文组件同一气候条件下两个LULC映射;和(3)的贡献比较每个土地利用类水流域的产生及其对次盆地的水文效应。


图2
国际患者安全分类的概念性框架分析LULC变化对水文的影响。
3.1。转移矩阵

土地利用变化的转移矩阵计算 在哪里 是一种土地利用的面积, 是在研究区土地利用类型的数量, 和 ( )前后的土地利用类型转变,分别 区域土地利用的吗 变成了土地利用 。研究期间被定义为1995年至2010年,因为水土保持实践首次实现了从1988年到1997年,第二个十年的保护项目进行了从1998年到2007年(19,20.,27]。LULC地图在1995年和2010年代表表面覆盖条件后的第一个保护项目和后期项目,分别。LULC地图1995年作为输入数据来校准模型。

3.2。水文建模
3.2.1之上。SWAT模型描述

斯瓦特2005模型28)是应用于汾河上游流域的数据来评估LULC变化对水文的影响组件。SWAT模型是一个连续的、长期的、基于物理分布模型来评估影响的水文气候和土地管理组件,泥沙装载和运输污染水域(25]。在斯瓦特的模型中,一个分水岭分为次盆地。次盆地进一步划分为一系列统一的水文响应单元(HRUs)基于斜率,土壤,LULC变化。水文组件、产沙量和营养周期为每个HRU然后聚合模拟次盆地。

水文模拟SWAT模型组件包括蒸散(ET),地表径流、渗透、横向流动,地下水径流(回流)和传输损失(25]。蒸发和蒸腾使用指数函数模拟土壤深度和水的内容和一个线性函数的潜在蒸散(PET)和叶面积指数。哈格里夫斯方法被用来估计的宠物,它最初是来自八年的冷季Alta羊茅草坪从戴维斯浓度计数据,加州(29日),其参考作物是类似于草原主要土地利用类型在这个分水岭。地表径流估计使用数量SCS曲线的修正方法和每天的降雨量。渗流计算使用的组合存储路由技术和裂缝流模型。横向流估计与渗流同时使用运动存储模型。地下水(baseflow)流入英吉利海峡浅含水层渗透系数的计算,距离次盆地主要通道,水位高度。

3.2.2。SWAT模型的输入和输出

SWAT模型中使用的输入数据包括数字高程模型(DEM),土壤数据、数字LULC地图,和气候数据。民主党是来自美国地质调查局国家高程数据分辨率约90米,和土壤数据获得的资源环境科学数据中心,中国科学院与1的规模:1000000。两倍的LULC数据(1995和2010)被用来评估LULC变化对水文的影响和来自陆地卫星TM图像空间分辨率为30米使用的解释方法。气候数据,包括日常的沉淀值和最小最大温度从1月1日,1990年12月31日,2000年,来自3气象站和16降水站位于汾河上游流域(表1)。

表1
在研究区水文气象。

SWAT模型的输出用于本研究水文组件,包括降水( ),宠物,实际蒸散(让),出水量(王寅)和土壤水(SW)。

3.2.3。SWAT模型校准和验证

模拟使用1995 LULC地图是用来校准每月流水量从1992年1月至1995年12月两个水文站(叮当和Hecha图1)。模型校准后,相同的仿真模型参数和LULC地图数据被用来验证从1996年1月至2000年12月月度流速及流水量(表2)。

表2
热身、校准和验证周期的模型。

3.2.4。绩效评估标准

手工模型校准和三个标准用来评估模型校准和验证的性能。Nash-Sutcliffe效率(研究)是一个规范化的数据决定的相对大小剩余方差与方差测量数据。了无表明的情节如何观察和模拟数据符合1:1线。确定系数( )描述和模拟之间的同线性度测量数据和测量数据的方差的比例用模型来解释。百分比偏差(PBIAS)措施的平均趋势模拟数据大于或小于观察同行(29日]。SWAT模型的校准和验证的性能被认为是可接受的时候 和了无都大于0.5。SWAT模型性能令人满意了无大于0.5时,适当的研究范围从0.54到0.65的时候,和很好的当了无大于0.65。SWAT模型被评为满意,当PBIAS的绝对值范围从15到25岁,从10到15时评价好,非常好的当小于1030.]。

3.3。分析土地利用类的水文效应

校准和验证水文模型运行的每个LULC地图(1995和2010)在恒定的民主党和土壤数据,从1990年1月至2000年12月(11年),量化贡献个人LULC类总放电和评估LULC变化对水文的影响盆地和次盆地尺度。

4所示。结果与讨论

4.1。LULC变化

LULC地图的汾河上游流域1995年和2010年在图所示3。草原、农田和森林的主要在汾河上游流域土地利用类。


图3
地图在1995年和2010年土地利用和土地覆盖在汾河上游流域。

LULC变化的过渡矩阵的结果在1995年和2010年之间如表所示3。之间的转换农田、森林和草地的主要形式是汾河上游流域土地利用变化;森林和草地的面积增加,耕地面积减少。农田显示最大的改变。它变成了草原的北部流域由于实施“退耕还林”政府保护程序,补偿农民耕地转化为草地。与此同时,由于社会的发展,建设用地的面积显著增加为代价的农田。最后,一小部分是变成水或湿地和未使用的土地。在东南部,流域草原的一部分被变成农田。总的来说,植被增加从1995年到2010年,期间增加的水土保持措施。

表3
从1995年到2010年土地利用转移矩阵(公里2)。
4.2。模型校准和验证

参数敏感性分析进行了使用模型参数识别指令的斯瓦特的校准模型,给定的用户手册(29日]。模型和综合模型校准标定方法(30.]。敏感性分析的结果对汾河上游流域和参数的值如表所示4。

表4
参数敏感性分析和校准的结果。

对比模拟和观察月度流速及流水量值校准和验证的时间如图所示4。较好的匹配显示模拟和观测值之间,除了在1997年和2000年。在这两年中,模拟径流是高估了叮当和Hecha。1997年,这可能是因为水储存在两个连续的分水岭湿年(1995年和1996年)在随后的一年被释放。2000年,也许高估了,因为1999年是极其干旱年,和小沼泽和湖泊等水体干燥,和土壤也很干燥。其次是大雨2000年首先湿土壤,充满了干水的身体,并没有形成地表径流。这项研究没有考虑滞水小水体可能过高的估计了2000年实际径流。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
每月的模拟和观测在汾河上游流域径流。((一)Hecha站;(b)叮当站。)

所有的研究和 每月校准和验证的值高于0.80,和PBIAS值在−15%为0(大多数PBIAS价值观−范围为0 10%),显示很好的模型性能(30.]。模型的整体性能非常好,如图4。

4.3。个人的贡献LULC分水岭出水量的变化

(即5的比例贡献LULC变化。,farmland, forest, grassland, water or wetland, and built-up land) and simulated water yield (WY) are shown in Figure5。草原、农田和森林的主要LULC汾河上游流域的变化,和地区的总和占总面积的98%。贡献水产量增长了约98%,但之间没有明显的正相关个人的面积为分水岭王寅LULC变化及其比例的贡献。草原类包括主要中等稠密和稀疏草地和茂密的草地,所以它的产水能力大。虽然森林土地的面积远低于草地,对分水岭王寅是略高于草原的,因为在这个森林流域主要灌木和稀疏的树木。此外,雨大多出现在高强度暴雨的形式,这将减少的林冠截留量与小雨。这是类似于郝et al .(2004)获得的结果在洛河上游流域和歌曲和马(2008)在Longxi Nanhe河流域黄土高原(6,7]。耕地的面积是森林和草原之间,但其产水能力是少得多。汾河上游流域的耕地是梯田,用于种植密切和直接row-seeded小麦和玉米产量大大减少水。

(一)1995年土地使用
(一)1995年土地使用
(b)在2010年土地使用
(b)在2010年土地使用
(c)王寅1995土地利用
(c)王寅1995土地利用
(d)与2010年王寅土地使用
(d)与2010年王寅土地使用
图5
每个LULC变化及其贡献的比例水总平均年收益率(王寅)汾河上游流域从1992年到2000年。

通过比较各土地利用类型的面积的比例和他们的贡献出水量,发现增加建设用地是径流增加的主要原因,尽管建设用地的面积非常小。这是因为它的产水能力是由于小初始损失和最高的渗透和快速降雨径流过程9,31日]。

LULCs改变从1995年到2010年,个人的贡献LULC改变流域王寅改变了,但是改变过程是复杂的,因为LULCs王寅是一个集成的结果,土壤、地形和气候。

4.4。LULC变化对水文的影响盆地规模

平均盆地的值 ,让宠物王寅,从每个LULC SW模拟地图在1995年和2010年如表所示5。LULC改变基线相比1995年,年均王寅在流域2010年高出0.13毫米。类似于王寅,年均在1995年与LULC宠物是1026毫米;它在2010年增加到1028 mm。从1995年的391毫米LULC让增加为2010年LULC 393毫米。相反,2010年年均为LULC SW 0.71毫米低于1995年。

表5
年度流域的水文特征值的汾河上游流域不同土地利用从1992年到2000年(mm)。

此外,LULC基线相比1995年,一年一度的宠物,让,每年和SW LULC变化从1992年到2000年在2010年改变了以类似方式的平均年度宠物,让和西南。但与的大小平均年度王寅LULC在1995年和2010年,每年的年度王寅这段时间没有增加。例如,在多年的丰富的降水,比如1995年和1996年,年度王寅LULC变化在1995年比2010年高。这表明,降水可能影响LULC变化对水文的影响在这个地区,由郝还发现et al .(2004)在洛河上游流域6]。

变化的比较的宠物,让变化LULCs建议增加年度宠物可以主要归因于返回农田森林和草原,从1995年到2010年城市扩张。进一步对比LULCs王寅和变化的变化表明,王寅的增加主要是由于城市化的增加,从而增加不透水表面的面积,增加径流,降低渗透(9,31日]。SW的减少与森林,草原,从1995年到2010年,建设用地扩张可以表示对比变化的平均年西南和LULC变化从1995年到2010年。扩张的森林、草原和建设用地,取而代之的是农田可以促进水渗透和排水因为发达的根系和预防领域的渗透由于增加不透水表面。

4.5。LULC变化对水文的影响次盆地规模

三次盆地(数字7、17和图351)明显LULC变化被选为分析LULC变化对水文的影响在次盆地规模,结果如表所示6。在次盆地数字7,农田的面积大幅减少,和森林、草原、水、和建设用地从1995增加到2010。让宠物,王寅增加,,相比之下,SW降低了。在次盆地17只森林面积减少,草地面积增加,所以对水文的影响是让明显增加,王寅,SW降低。35号次盆地,地区的农田,森林,建设用地增加,草地减少,王寅增加和SW降低。通过对比LULC变化和水文响应这三个sun-basins,明显LULC变化可能不会显示明显的对水文的影响,这意味着不同的组合LULCs可能产生相似的水文效应。此外,同一LULC变化对水文的影响可能不同条件下不同的降水强度和分布。

表6
LULC变化和平均每年从1992年到2000年的三次盆地水文特性。

5。结论

在这项研究中我们旨在调查LULC变化对水文的影响在中国的黄土高原。主要研究成果及其对实践的含义和未来研究如下。

从1995年到2010年,耕地的主要土地利用变化转换从农田森林和草原,和建设用地的面积增加的农田。这些变化是由于实施流域管理措施和社会和经济发展。为每个LULC的贡献的总王寅分水岭,森林,草原,和农田地区最大的贡献者,高达约39%,38%,和21%,分别。产生的最大出水量的土地利用是建设用地,高于任何其他土地利用,其次是森林、草地和农田。

伴随着LULC汾河上游流域的变化,增加宠物,让,和王寅指出水土保持实践增加径流,而森林和草原的扩张增加了宠物和让。此外,西南的消费增加了植被结合减少渗透因为建设用地的增加导致减少在西南。此外,降水可能影响LULC变化对水文的影响组件在干旱和半干旱地区。

在这项研究中使用的方法简单地决定贡献个人LULC类总放电,为决策者提供定量信息做出更好的选择对土地和水资源规划和管理。这种方法还提供了坚实的例子的潜力水文建模使用遥感数字LULCs理解景观变化对水供应的影响,一个至关重要的生态系统服务在中国的黄土高原。它可以广泛应用于各种水域,以时间为序,数字土地覆盖数据是可用的,并预测水文后果LULC变化。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持由中国国际科技合作项目(2012 dfg70990 dfa20770和2013年),中国国家自然科学基金(41201043和41201043),国家关键技术研发计划(2011 bac07b05),和山西省青年科学基金(2012021026 - 3)。