论文题目：泾河流域水文过程模拟预测及生态环境需水研究
摘要：泾河流域是我国干旱—半干旱区典型流域,水资源较为匮乏,水土流失严重。因此在生态恢复和植被重建的背景下,分析水文过程时空变化特征,探究其对气候和土地利用变化的响应,测评流域河道内生态环境需水量,剖析水文过程对气候变化及人类活动的响应,深入认识地表能量平衡和水分交换的过程具有十分重要的理论意义,同时对于制定生态保护、资源开发和经济发展等规划具有一定的现实意义。本文以泾河流域作为研究区,将DEM数据、土地利用数据、土壤数据和气象数据输入SWAT水文模型,并根据实际观测资料对模型进行参数率定和验证,构建了适宜流域特征的水文模型,并模拟了流域2006-2012年逐月径流量和输沙量,分析其时空变化特征;利用CA-Markov模型预测了流域2025年土地利用类型空间分布格局,探究流域土地利用变化对径流量和输沙量的影响;基于径流、输沙等数据,分析影响流域生态环境需水量的因素,计算生态环境需水量,分析其时间分布特征,探究水资源供需关系,并为今后流域的水资源合理配置高效利用提供可行性建议及对策。主要结论如下:（1）校准后的SWAT模型在泾河流域具有较好的适用性。利用Arc SWAT模块完成河网生成、子流域划分、水文响应单元的生成,构建了泾河流域水文模型。根据实测水文资料对该模型进行校准及验证,径流量率定期R~2和NSE分别0.86和0.70,验证期R~2和NSE为0.76和0.71;输沙量率定期R~2和NSE为0.89和0.86;验证期R~2和NSE分别为0.82和0.67,满足精度要求,表明模拟结果较为理想,经过参数调整的SWAT模型在泾河流域有较好的适用性。（2）泾河流域径流量与输沙量分布的时空差异较大,且径流量对外界变化的响应更敏感。时间尺度上,径流量和输沙量年内分布不均,呈现单峰型特征。3月之后,河段解冻开河,导致径流及输沙量增加;4-5月受上游沿黄灌区春季引水灌溉等的影响,河道内径流量比较平稳;7-8月流域多暴雨,加上地形坡度大,植被覆盖度低,径流及输沙量也迅速增加,汛期径流量占全年径流量的61.96%,输沙量占全年的65.55%。11-12月河道封冻,河道过流能力与水流输沙能力明显减弱,导致河道内径流和输沙量显著降低。输沙量的年际变差系数小于径流量,说明径流量的年际波动大于输沙量。输沙量年际差异较小,径流量总体呈增加趋势,径流量比输沙量偏离多年均值的幅度更大,说明径流量对外界变化的响应更为敏感。空间上,径流量从上游到下游显著增加,到流域出口处达到最大值,最小值在元城川附近,支流值小于干流值。流域出口处张家山站位于泾河陕西段内,张家山站以上120余公里为陡峭狭窄的深谷,河道曲折,水能资源丰富。中下游支流流经陇东黄土高原,河道输沙能力强,河道以冲刷为主,泥沙淤积,因而中下游的输沙量支流值大于干流值。输沙量最小处在东川与马莲河上游交界处,最大处主要集中在泾河支流马连河下游的达溪河、三水河周边子流域,主要由于我国现存最大的黄土塬——董志塬就位于马连河和蒲河之间,加上大量开垦,流域内水土流失十分严重。（3）2005-2025年土地利用类型变化主要表现为建设用地、裸地、草地和耕地之间的相互转化较为明显。基于Markov模型计算2005-2015年间土地利用类型概率转移矩阵,结果显示,10年间,水域、建设用地、耕地内部的转化最为剧烈,其中建设用地保持不变的面积最大,剩余主要转为水域及林地;裸地保持不变的面积最少。利用CA-Markov模型预测2025年土地利用类型空间分布可知,2025年土地利用类型依然是以草地和耕地为主,其次是林地。由于退耕还林工程的推进及城镇化的发展,与2015年数据相比,2025年土地利用类型分布表现为林地、水域和建设用地的面积呈逐渐增加趋势,其中建设用地变化率最大;其他类型均呈现减少趋势,减少幅度最大的是裸地。因此,流域在发展规划中,建议适度发展城市规模,继续推进生态工程建设,加强对林草资源的保护。（4）2005-2025年期间,随着土地利用的不断变化,特别是建设用地的增加和耕地资源的减少,流域全年径流量呈现先增加后减少的趋势,输沙量则呈现持续增加的趋势。时间上,2025年径流量呈现双峰型分布,无论是全年径流量,还是汛期径流量均低于往年,这可能与林地面积增加,草地面积减少有关。林地能够通过增加持水、改良土壤阻挡地表径流,通过蒸散发影响水循环减少径流,而发育良好的草地植被可在汛期储存降水,补充给枯期径流。输沙量依然是单峰型分布,峰值出现在9月,汛期输沙量与全年输沙量均大于往年,这与草地面积减少,建设用地大幅扩张有关。草地能够阻滞泥沙启动,并减轻泥沙搬运作用,建设用地扩张破坏地表植被覆盖和稳定的地形,造成水土流失。空间上,2025年径流量空间分布与往年基本相似,但输沙量的空间分布有所不同,不再集中于马莲河下游周边子流域,而是较为均匀地分布在雨落坪水文站下游流域,表明造林工程、植被修复、控制各类型土地均衡发展等方法能够有效地从根源上治理水土流失。今后应以生态优先为原则,提高建设用地利用率,实施退耕还林（草）工程建设,合理修复耕地土壤结构。（5）河道生态环境需水量存在显著的时间差异。以相关实测数据为基础,依据实际情况建立泾河流域生态环境需水量计算模型框架,对生态环境需水量进行了计算与分析。结果显示,河道生态环境需水量主要来源于输沙需水,集中在7-10月,汛期生态需水量占全年的53.15%。从季节变化上来看,秋季＞夏季＞春季＞冬季。由于夏季降雨量能够满足河流蒸发量,且秋季输沙需水量增加,因此秋季生态环境需水量略大于夏季。春季水面蒸发量较大,降水补给少,导致生态环境需水量较大;冬季蒸发量减少,生态环境需水量减少到年内最低值。泾河流域水资源供给现状不能满足生态环境需水量要求。生态缺水主要发生在每年的5月,缺水量季节差异显著,春季＞冬季＞夏季＞秋季。春季农业灌溉用水增大,是生态环境缺水最大的季节;夏秋两季处于丰水期,降水量大,河道内径流量可以满足生态环境需水;冬季处于枯水期,降水量及径流量迅速减少,使得河流在部分河段断流,无法保证河流的基本生态功能。河道生态环境需水总量为8.75亿m~3,占多年平均径流量的87.68%,预测占2025年全年径流量的73.65%。水资源开发利用率远超国际上公认的40%的警戒线,水资源危机十分显著。为保证今后泾河生态功能持续健康发展,需合理利用及循环使用水资源,完善水资源管理制度,积极推进水利工程和水土保持项目建设,实现水资源的可持续利用。
关键词：SWAT模型;CA-Markov模型;水文过程;生态环境需水;泾河流域
学科专业：地图学与地理信息系统
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1. 研究背景及意义
1.2. 国内外研究进展
1.2.1. SWAT模型研究进展
1.2.2. 土地利用的水文效应研究进展
1.2.3. 生态环境需水研究进展
1.3. 研究内容与研究思路
1.3.1. 研究内容
1.3.2. 技术路线
1.3.3. 考察路线
1.4. 论文结构
第二章 研究区概况及数据来源
2.1. 研究区概况
2.1.1. 地理位置
2.1.2. 气候水文
2.1.3. 土壤植被
2.1.4. 社会经济
2.2. 数据来源及处理
2.2.1. DEM数据来源及处理
2.2.2. 土地利用数据来源及处理
2.2.3. 土壤数据来源及处理
2.2.4. 气象数据来源及处理
2.2.5. 水文数据来源
2.3. 本章小结
第三章 SWAT模型介绍
3.1. SWAT模型结构
3.2. SWAT模型原理
3.2.1. 水文模块
3.2.2. 土壤侵蚀与泥沙运移模块
3.3. 本章小结
第四章 SWAT模型运行
4.1. 子流域及水文响应单元划分
4.2. 模型参数率定及验证
4.3. 模拟结果分析
4.4. 径流量时空分布特征
4.4.1. 径流量时间分布特征
4.4.2. 径流量空间分布特征
4.5. 输沙量时空分布特征
4.5.1. 输沙量时间分布特征
4.5.2. 输沙量空间分布特征
4.6. 本章小结
第五章 土地利用变化情景下的水文过程预测
5.1. CA-Markov模型预测土地利用变化情景
5.1.1. CA-Markov模型介绍
5.1.2. 土地利用变化情景预测
5.2. 水文过程预测及时空特征分析
5.2.1. 水沙量时间分布特征
5.2.2. 水沙量空间分布特征
5.3. 本章小结
第六章 泾河流域河道生态环境需水量测评
6.1. 流域生态环境需水概念
6.2. 河道生态环境需水组成
6.3. 河道生态环境需水测评方法
6.3.1. 基本生态环境需水计算
6.3.2. 输沙需水量计算
6.3.3. 自净需水量计算
6.3.4. 蒸发需水量计算
6.4. 生态环境需水量测评结果
6.5. 本章小结
结论与展望
主要结论
问题与展望
参考文献
致谢