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g i s 支持f 梅江流域土地利削覆盖变化与基流响应研究 摘要 本文以梅江流域为研究区，探讨了人类活动导致土地利用覆盖( l a n d u s e c o v e r l u c c ) 变化对流域内基流的影响。利用分布式环境水文机理性模型 s w a t ( s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt o o ls ) 作为模拟工具，在综合考虑了流域 内的人类活动对土地利用覆盖的影响以及地形、土壤、气象等流域自然特征的 基础上，对流域内土地利用覆盖变化和基流的响应进行了分析。利用梅江流域 1 9 8 6 1 9 8 7 、1 9 9 5 2 0 0 0 年实测的降水、径流量数据以及其它气象、地形数据， 模拟了1 9 8 7 年梅江流域内的基流量，通过基流分割工具软件b f l o w e x e 对实测 的径流量进行了基流分割，用以校验s w a t 模拟出来的基流量。从梅江流域上、 中、下游分别选取5 、1 5 、2 1 三个子流域进行模型校正，并分别对它们的土地利 用覆盖变化与基流的响应进行了分析。这有助于认识流域内的洪水灾害和制定 流域防洪减灾对策，为人类活动对流域环境影响、植被恢复以及水环境问题提供 科学依据。 然而，土地利用覆盖变化与基流之间的响应关系涉及气象、水文、土壤以 及人类活动等多种因素的影响，并且梅江流域处于一个大尺度的空间范围，为了 能够在大尺度范围对流域内诸多要素进行分析，本文采用了分布式机理性水文模 型s w a t 来综合考虑多因素下土地利用覆盖变化与基流之间的响应关系。s w a t 是一个连续时间的分布式机理性流域模型，适用于不同土壤类型、不同土地利用 方式和管理条件下的复杂的大流域，该模型用水文响应单元( h y d r o l o g i c a l r e s p o n s eu n i t s - - h r u s ) 作为空间离散化的最小单元，在水文响应单7 i 内，来 推求水文、污染物输移和转化等过程。 通过s w a t 模型，在4 种土地利用覆盖情景下对梅江流域及其子流域进行了 模拟，模拟结果显示： 1 、1 9 8 7 年土地利用覆盖下( 情景s 1 ) 基流较为稳定，大多数月份基流量 要比2 0 0 0 年土地利用覆盖下( 情景s 2 ) 大，各月变化也较为平缓。可见人类 活动对基流的影响也很大。 2 、当流域内植被主要为森林的时候( 情景s 3 ) ，1 2 月、6 一1 2 月共8 个 月基流量都湿著增加，并且基流流量稳定，月问变化量不大。当流域内地表主要 为沙地、植被较少时( 情景s 4 ) ，基流仅在4 月较多，其它月份都较少，且月间 变化较大。在流域的上游，保护完好的植被对基流的影响是相当大的，当上游区 域植被被砍伐后，无论是丰水区还是枯水期，基流都将迅速减少。 关键词：s w a t ，梅江流域，基流，土地利用覆盖变化 g i s 支持f 梅江流域十i 她利朋覆盖变化与基流响应研究 a b s t r a c t t h em e i j i a n gb a s i nw a sr e g a r d e da st h es t u d i e da r e ai nt h i sr e s e a r c h ，a n dt h e l a n du s e c o v e rc h a n g eh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h eb a s e f l o wi nt h eb a s i nb e c a u s eo f h u m a na c t i v i t i e s t a k i n gt h ei n f l u e n c eo ft o p o g r a p h y , s o i l ，w e a t h e r , c l i m a t ea n dt h e l a n du s e c o v e rc h a n g ei n t oa c c o u n t ，t h er e s p o n s eb e t w e e nt h ea m o u n to f b a s e f l o wa n d t h el a n du s e c o v e rc h a n g ew a sa n a l y z e db ys p a t i a l l yd i s t r i b u t e de e o - h y d r o l o g i cm o d e l s w a t ( s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt o o l s ) t h ea m o u n to f b a s e f l o wi nm e i j i a n gb a s i n w a ss i m u l a t e db yu s i n gt h em e a s u r e dd a t ao fr a i n f a l l ，d i s c h a r g ed u r i n g1 9 8 6 1 9 8 7 ， 1 9 9 5 2 0 0 0 ，a n dt o p o g r a p h y , o t h e rw e a t h e rd a t a t h em o d e lw a sc a l i b r a t e da n d v a l i d a t e db yt o o ls o f t w a r eb f l o w e x e t h et h r e es u b b a s i n sw e r es e l e c t e df r o mt h e u p r i v e r , m i d d l er i v e ra n dd o w n r i v e r t h ec h a n g eo fb a s e f l o ww a sa n a l y z e db a s e do n t h el a n du s e c o v e rc h a n g ew h i c hw i l lh e l pt ok n o wd i s a s t e ro ff l o o di nt h eb a s i na n d e s t a b l i s hc o u n t e r m e a s u r eo fp r e v e n t i n go rc o n t r o l l i n gf l o o d ，a n dp r o v i d es c i e n c e e v i d e n c ef o rc o m e b a c ko f v e g e t a t i o na n dw a t e re n v i r o n m e n t b u tt h er e l a t i o nb e t w e e nt h el a n du s e c o v e rc h a n g ea n dt h ea m o u n to fb a s e f l o w i n v o l v e dm u l t i i n f l u e n c eo f w e a t h e r , h y d r o l o g y , s o i l ，l a n dc o v e ra n dh u m a na c t i v i t i e s t h em e i j i a n gb a s i ni sal a r g e - s c a l ea r e a , s ot h es p a t i a l l yd i s t r i b u t e de g o h y d r o l o g i c m o d e ls w a tw a sa d o p t e df o rc o n s i d e r i n gt h er e l a t i o no fb e t w e e nt h el a n du s e c o v e r c h a n g ea n dt h ea m o u r l to fb a s e f l o w t h es w a ti s as e q u e n c et i m es p a t i a l l y d i s t r i b u t e de c o h y d r o l o g i cm o d e l ，i ss u i t e df o rc o m p l e xl a r g e s c a l eb a s i ni nd i f f e r e n t s o i l ，l a n du s ea n dm a n a g e m e n t t h em o d e lp a r t i t i o nt h eb a s i ni n t oh y d r o l o g i c a l r e s p o n s eu n i t s ( h r u s ) t h ep r o c e s so fh y d r o l o g yc h a r a c t e r , t r a n s p o r t a t i o na n d c o n v e r s i o no f p o l l u t i o nw a ss i m u l a t e di nt h eh r u s t h es w a tm o d e lw a sr u nu n d e rf o u rd i f f e r e n tt h el a n du s e c o v e rc i r c u m s t a n c e t os i m u l a t et h eb a s e f l o wi nm e i j i a n gb a s i n ，t h er e s u l t sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ea m o u n to f b a s e f l o ww i l lb es t e a d i e ra n dm o r eg r e a ti n1 9 8 7 ( s 1 ) t h a n t h ea m o u n to f b a s e f l o wi n2 0 0 0 ( $ 2 ) t h ec h a n g eo f b a s e f l o wb e t w e e nm o n t h si n1 9 8 7 i sg e n t l e rt h a ni n2 0 0 0 s e c o n d l y , w h e nt h ef o r e s ti st h ed o m i n a t i n gv e g e t a t i o ni nb a s i n ( s 3 ) ，t h ea m o u n t o fb a s e f l o ww i l li n c r e a s ei nt h e1 - 2m o n t h ，6 - 1 2m o n t h s ，a n dw i l lb es t e a d y t h e c h a n g eo fb a s e f l o wb e t w e e nm o n t h s i sn o t b i g b u tw h e nt h es a n d l o t i st h e d o m i n a t i n gt h el a n du s e c o v e ri nb a s i na n dt h ef o r e s ti saf e w ( s 4 ) ，t h ea n l o u n to f b a s e f l o ww i l lr e d u c ei nm o s tm o n h s t h ew e l l k e p tf o r e s tv e g e t a t i o ni nt h eu p r i v e r i j g i s 支持r 梅江流域十地利用覆盖变化与墓流响应研究 b a s i nh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ea m o u n to f b a s e f l o w i f t h ew e l l - k e p tf o r e s tv e g e t a t i o n i nt h eu p r i v e rb a s i nw a sl o p p e d ，t h ea m o u n to fb a s e f l o ww i l lr e d u c eq u i c k l yi nb o t h r a i n ya n dd r ys e a s o n ， k e yw o r d s ：s w a t , m c i j i a n gb a s i n ，b a s e f l o w , l a n du s e c o v e r u l g i s 支持下梅江流域士地利片j 覆盖变化与基流响戍研究 硕士学位独创性声明 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得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 示谢意。 学位论文作者签名：参1j 饥掌签字日期：加7 年崩6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解江西师范大学研究生院有关保留、使用 学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权江西师范大学研究生院 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，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：刎j 饥雩 导师签名： 签字日期：加 年崩古日签字日期：年月 日 g i s 支持卜梅江流域十地利用覆盖变化与基流响应研究 1 绪论 1 1 研究的背景及目的 据估算，地球上的水资源总量约为1 3 8 xl0 9 亿m ，其中9 6 5 是海水，陆 地水占3 5 ，淡水只占2 5 ，并且其中大部分为冰川，雪和地下水。人类真正 能使用的只不过0 ，0 1 。然而就这0 0 1 的水也正遭到污染的破坏，随着人口的 膨胀、经济的发展，人类对水的需求将进一步增加。1 9 4 9 年我国总用水量1 0 3 1 亿m 3 ，1 9 9 7 年全国总用水量5 5 6 6 亿m 3 ，4 8 年问用水量增加了4 5 3 5 亿m 3 ”1 。另 外我国人口众多，水资源总量虽然居世界第6 位，但人均拥有水资源量只有世界 人均占有量的1 4 ，按耕地平均拥有的水资源量也相当紧张，在世界排第1 1 0 位 ( 按1 4 9 个国家统计，统一采用联合国1 9 9 0 年人口统计结果) ，己经被联合国列 为1 3 个贫水国家之一。1 ，因此水资源需求量的持续增长和水资源的短缺成为我 国的一个主要矛盾，也逐渐成为制约我国经济和社会发展的一个主要因素。 芮孝芳“。指出近年因水而产生的若干生态环境问题，其中有两点就是：1 、 地下水的过量开采，出现了区域性地下水漏斗，引发了地面沉降和海水入侵等灾 害。他指出在华北地区浅层地下永漏斗面积达到2 万k 秆，漏斗中心水位下降最 大达4 0m ，深层地下水漏斗面积也有2 2 力- k m 2 ，漏斗中心最大埋深达7 5 7m ， 地下水漏斗的形成，使大量机井报废，单井出水量减少，泉水枯竭。2 、对森林 的乱砍滥伐，不合理的耕作制度，盲目无序的开发区热和城市化，致使水土流失 严重。由此可见，我国也面临着地下水资源破坏、水土流失等严重问题。 由于水资源的宝贵，而地下水因为其水质好、冬暖夏凉等特征而越束越受到 人们的重视，地下水的补给和排泄( 即形成基流) 特征对地下水资源的高效管理与 可持续发展，以及地表水与土壤水转换时的污染最小化方面都至关重要。在大西 洋海岸平原地区，地下径流占总径流的9 0 以上”，而在美国德克萨斯州也可达 5 0 。r e a y 等人发现若忽略浅层地下水这一水源，将直接影响水质管理决策的 可靠性”1 。可见，基流在水资源利用与管理中也具有非常重要的作用。另外，基 流在水安全、粮食安全、非点源污染评价、水资源评价和调查、水资源配置、工 农业供水和降雨一径流关系模拟中也有着重要的应用“1 。 另外，2 0 世纪以来，随着人口的膨胀和经济的发展，人类为了满足自身只 益增长的需求。致使土地利用范围不断扩张，土地利用强度不断增大，从而改变 了地表的形态，土地利用覆盖变化目酊已经被公认为导致全球环境变化的两大 主要因素之一。1 。而植被建设具有巨大的生态效益、社会效益和经济效益，为了 实现植被建设的科学化、合理化、充分发挥和正确评价植被建设的效益，有必要 从机理上研究植被建设( 变化) 的生态水文效应“。植被与气候、土壤、人类活动 等因素之日j 有着密切的关系，植被的变化可以反映这些因素的变化。植被状况是 g i s 支持f 梅江流域十地利川覆盖变化与基流响应研究 决定水土流失发生程度的重要条件，裸露的地表易于风化，并直接受降雨的冲击， 加剧土壤侵蚀1 。植树造林、水土保持会改变下挚面产、汇流条件，对流域水循 环有越来越大的影响。某些研究表明：森林对年径流量有重要的影响，对减少年 径流量特别是减少年地表径流量非常明显。但是，森林对年地下径流量却略有 提高。随着森林覆盖率的增加，地下径流也缓慢增加，与地表径流的减少构成一 个明显的“x ”形。土地利用覆盖变化对河流水循环有重要影响。虽然退耕还林 会减少地表水资源量，但它会使河流的基流量有所增加，并且对土壤侵蚀的控制 有十分巨大的作用。同时也对河流下游的泥沙与洪水控制有重要的意义“”。因此， 开展流域土地利用覆盖变化条件下河流基流变化规律的研究有助于流域防洪减 灾对策的探索，对流域水文过程的模拟有助于流域洪水灾害的认识。 此外，人类活动与水之i b j 有着密切的关系，明末清初时期顾炎武认为：“吾 无容水之地，而非水据吾之地也，河政之坏也，起于并水之民贪水退之利，而占 佃河旁淤泽之地，不才之吏因而籍之于官，然后水无所容，而横决为害。人类 活动直接改变了流域水质和水量的大小，同时人类活动改变植被状况，植被影响 着气候和下挚面状况，气候和下挚面状况又直接影响着水资源多少和它的产汇流 条件。因此，流域水文动态过程是气象因素和f 挚面综合作用的共同结果，流域 中地表水和地下水的动态过程既受控于流域降南和蒸发等气象因素，同时也受到 流域内地貌、土壤、植被等自然地理因素的影响“。另外，人类活动除了对水文 生态系统破坏性的一方面外，另一方面人类基于生态压力下又会对破坏的水文生 态环境响应，以试图修复破坏的水文生念环境。比如进行植树造林，退耕还林， 退田还湖。人们对破坏性的行为研究比较多，然而对植树造林等看起来有利的活 动最后的效果如何却很少有评估。对人类活动、植被和水之间的关系研究多是定 性研究，定量研究少，因此对人类活动、植被、水的关系进行分析有其重要的意 义。 综上所述，如何j 下确处理人类活动、土地利用覆盖变化与水的关系成为非 常重要的一个问题。事实表明，只要人类活动对水资源的开发利用不超过它的承 载能力和环境容量，水资源就可以持续利用，植被建设的经济和社会效应也得到 体现。对土地利用覆盖变化与基流响应关系深入研究对水环境问题，可持续利 用有举足轻重的作用，对河流的防洪减灾、经济的可持续发展都有重要意义。 1 2 研究进展 对于土地利用覆盖变化与水文生念的响应研究，已经出现了很多，如郝芳 华，陈利群，刘昌明”利用a v s w a t 通过情景模拟来分析土地利用覆盖变化对产 流黾和产沙量的影响，并重点探讨森林对产流的影响。他们认为森林的存在增加 了径流量，减少了产沙量，草地也能减少产沙量，农业用地的增加将会增加产沙 2 g i s 支持f 梅江流域十地利用覆盖变化与基流响应研究 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。陈军锋，李秀彬“”应用s w a t 模型模拟了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，定量地评估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，其研究结果表明：随着土地覆被状况由无植被到全 是有林地覆被，径流深减小，蒸发量增加，枯季径流深减小幅度明显小于雨季的 减小幅度，而且雨季初期径流深减小的幅度大于雨季后期。流域全为有林地覆被 的情景比无植被的情景洪峰流量减小3 1 2 。李怀恩，赵静，王清华“”则选择黄 土丘陵沟壑区的向阳沟小流域，利用1 9 9 6 2 0 0 1 年实测水文资料，从坡面径流小 区和小流域两个尺度层次分析土地利用覆盖变化对暴雨产流产沙和土壤水分的 影响。结果表明：径流小区植被度增大，可减少暴雨产流量、产沙量，使土壤含 水量降低；流域植被度增大，可降低洪水径流总量和输沙量，显著削减洪峰流量， 且减沙效益大于减水效益。 另外，有些专家则对土地利用覆盖变化对气象的影响有所研究，如范广洲， 吕世华“7 1 对植被类型变化对降水的影响做了深入分析，分析表明：华北地区地表 植被类型对区域降水的影响主要是通过改变地表粗糙度和地表反照率，从而改变 地一气问的能量交换，导致局地环流变化来实现的。李春晖，杨志峰“”利用n d v i 对降水和径流做了分析，n d v i 是表征区域植被覆盖的重要指标，他把黄河流域 划分为1 6 个区域，利用p a t h f i n d e r ( 探路者) 的a v h r r n d v i 资料，得到各区域 1 9 8 2 1 9 9 8 年n d v i 统计序列，详细分析了各区域n d v i 时空变化特征。研究表明： 1 7 年来黄河流域各分区年平均n d v i 都呈增加趋势，说明植被覆盖增加，生态环 境好转，黄河流域各区域n d v i 变化与降水、径流变化呈明显的正相关：从年际 变化看，n d v i 波动趋势与降水具有一定的相关性，但与径流、径流系数变化的 关系相对复杂，不具有明显的相关性。 在土地利用覆盖变化与基流以及地下水的关系研究中，赵成义，王玉朝， 李保国“”以流域水量均衡为基础，建立了内陆河流域二维地下水运动模拟模型。 用g i s 处理区域植被变化的空i 目j 数据，与专业计算地下水流的f e f l o w 软件结合， 模拟了植被变化对地下水位的影响。郑丹，李卫红，陈亚鹏则对干旱区植被变 化与地下水的关系进行了研究。指出：地下水与天然植被之| 日j 有着复杂的关系， 它涉及地下水、土壤、植被等相互之间的动态平衡，而干旱区生物过程微弱，生 念系统规模小、稳定性低、地下水的变化会直接影响天然植被的生长发育，与脆 弱生态环境的保育有着十分密切的关系，并针对干旱区这一特殊地域研究其规 律，对有关地下水、土壤含水量、生态地下水埋深的概念和内容做了阐述，从不 同角度研究了干旱区地下水与土壤含水量、天然植被、地表荒漠化等关系以及合 理地下水埋深的确定进行了总结分析，提出了与合理地下水埋深相关的生态地下 3 g i s 支持f 梅江流域十地利h j 覆盖变化与基流响应研究 水埋深、适宜地下水埋深、最佳地下水埋深、盐渍临界深度、生态警戒地下水埋 深等概念。许炯心“”对降水、植被与侵蚀过程三者之| 日j 关系的进行研究，通过对 黄土高原地区大量实测资料的分析，揭示了森林覆盖率和降雨侵蚀力随年降水量 的非线性变化。发现了森林覆盖率随年降水变化过程中的i 临界点，即当年降水小 于4 5 0 r a m 时，森林覆盖率很小且基本上不随年降水而变化；当年降水大于4 5 0 r a m 以后，森林覆盖率随年降水的增大而急剧增大。同时还发现，降雨侵蚀力随年降 水量的变化过程也存在着两个临界点。当年降水量小于3 0 0 r a m 时，降雨侵蚀力很 小且基本上不随年降水而变化：当年降水量超过3 0 0 r a m 时，降雨侵蚀力随年降水 量的增大而迅速增大；当年降水量大于5 3 0 m m 以后，降雨侵蚀力随年降水量增大 的速率进一步加大。 植被与水文响应研究已经很多，然而基流与植被的关系研究还较少，并且主 要集中在干旱区，在水资源f 1 益短缺的今天，深入了解森林植被对流域基流的影 响不仅具有重要的学术意义，同时可为国家制定有关重大决策提供重要的科学依 据，具有重要的实际意义。 1 3 研究内容与方法 本论文以赣江流域源头f x 的梅江流域为研究对象，以梅江流域的土地利用 覆盖变化为切入点，利用s w a t 水文模型对梅江流域的基流量进行模拟，分析了 土地利用覆盖变化对基流的影响。主要研究内容如下： 1 、对梅扛流域数掘预处理，探讨梅江流域降雨空| 日j 插值的方法。 2 、依掘梅江流域1 9 8 6 1 9 8 7 年和1 9 9 5 2 0 0 0 年实测水文资料以及气象、地 形、土地利用数据，通过s w a t 水文模型模拟，分析土地利用覆盖变化情况，以 及相应时期径流以及基流的变化情况。 3 、利用b f l o w e x e 滤波模型对实测流量进行基流分割，与s w a t 水文模型 模拟出来的基流量进行比较分析，讨论基流分割较好的办法。 4 、将梅江流域划分为2 3 个子流域，并选取上、中、下游的3 个子流域，对 子流域内土地利用覆盖变化进行分析统计，并探讨了四种情景模式下每个子流 域内的基流变化及其因果分析。 本文主要采用的技术方法是在g i s 的支持下处理各种空| 日j 数据并输入s w a t 水文模型，对梅江流域进行模拟以反应人类活动对流域环境的影响。 4 g i s 支持f 梅江流域十地利用覆盖变化与基流响应研究 2 研究区概况 梅江流域地处赣州市东北角，主要包括石城县、宁都县全部，于都县以及瑞 会县小部分，兴国县、广昌县、宁化县非常小一部份。宁都境内的黄陂河、珠池 河、福河、青塘河、竹坑河为梅江各支流，与石城县境内的琴江汇合后形成梅江 干流，梅江流入于都后，在于都县龙舌咀附近注入贡水，形成赣江的一条主要支 流贡江，贡江在赣州境内与章江汇合而形成赣江，梅江流域因此而成为赣江的源 头区域而被称为赣江源。 2 1 研究区自然状况 2 1 1 流域特征 梅江流域地貌区划为赣南侵蚀中低山与丘陵，该地貌区由省境边陲的数条山 岭组成，主要包括西部的诸广山脉，南部九连山和大庾岭，信丰与安远交界的符 山与柯树背，于都的紫云障，安远、寻乌交界的乌排石和九龙山，于都、宁都问 的雩山山脉等，土地总面积达7 0 9 9 k m 2 。地貌以山地为主，区域内山峰密布，海 拔较高海拔3 0 0 到5 0 0 m 的地区为丘陵地貌，丘陵分布在山地瓮地与河谷平原之 问。区域内的主要盆地有石城衙地，宁都盆地。盆地四周是低山丘陵，地势较高， 土层较薄，土质瘠薄。水文站点在该流域分布如图2 - 1 。 图2 - 1 梅江河9 个校验站4 1 个站点分布j ! i 2 1 2 水文气象 梅江流域属于中亚热带季风气候区。多年平均气温在1 8 到1 9 c 问。1 月 平均气温在6 到8 c 之间，7 月平均气温在2 8 到2 9 c 之间。多年平均降水量 g i s 支持卜i 梅江流域十地利川覆盖变化与基流响应研究 在1 4 3 2 m m 到1 6 0 4 n n 之间。降水只数为1 5 9 1 6 8 天。春季降水f 1 数最多，夏季 冬季次之，秋季最少。暴雨日数( 闩降水量二， 5 0 m m ) 为4 5 5 5 天。降雪与积雪 日数分别为2 6 4 和0 4 3 1 天。蒸发量在1 1 4 8 6 - - 1 9 3 7 3 m m 之间( 民蒸发 皿观测值) 。 降水活动与季风活动密切相关，每年自3 到4 月份起，雨量逐渐增加，5 到 6 月降水猛增，7 到9 月除有地方性雷阵雨及偶尔有台风雨带来的降水外，雨水 稀少，1 0 月份至次年二月份降水量所占的比例同样也很少。4 到6 月降水最集中，1 3 个月降水总量各地在7 0 0 - - 9 0 0 n ，大部分地区占年降水总量的4 5 - - 5 0 0 5 。7 到 9 月份是干旱季节，大部分地区降水总量在3 0 0 - - 3 5 0 m m ( 约占全年降水的2 0 ) ， 而同期水面蒸发量为4 0 0 - - 5 0 0 m m ( 占全年总蒸发量的1 一4 3 ) ，蒸发量大于降水 量1 0 0 - - 2 0 0 m m 。 梅江流域北部区域热量分布复杂，降水尤为丰沛。全年平均同照数为1 6 4 9 1 8 2 5 小时。年平均气温1 7 0 1 8 1 ，最冷月1 月平均气温为4 7 6 2 ， 最热月7 月平均气温为2 7 6 2 8 9 。同平均气温稳定通过1 0 的天数约为2 4 5 天左右，活动积温为5 2 8 8 5 6 9 2 。年平均降水为1 6 0 4 一1 9 3 4 m m 之i 日j ，为全省 降水量最多的地区。该地区的主要气候灾害有春寒，洪涝和干旱等。 梅江流域南部接近南亚热带，气候特点是冬季较温暖，有效积温多，无霜期 长，降水丰沛，四季较湿润。全年平均f 1 照数为1 4 7 3 1 9 7 8 小时。年平均气温 1 7 9 1 9 5 之i b j ，最冷月1 月的平均气温6 8 8 5 ，最热月7 月平均气温 2 6 9 - - 2 9 4 ，气温的年均差为全省最小的一个区域。r 平均气温稳定通过l o 的天数约为2 5 1 2 7 5 天，积温为5 5 0 0 - - 6 2 5 3 。年平均降水为1 1 2 9 1 6 7 2 m m 之间。区域内的主要灾害气候为低温，洪涝和干旱。 2 1 3 土壤 梅江流域土壤以红壤，紫色土为主，局部有黄壤，山地黄棕壤。流域南部属 于赣南山地丘陵，主要有红壤、紫色土、水稻土、第四纪红色粘土和近代沉积物。 红壤，占土壤总面积的8 0 以上，其次为黄壤和紫色土。农业土壤主要为水稻土。 流域北部属于赣中南丘陵搞地，土壤为红壤、紫色土、水稻土及保土培肥区。成 土母质以泥质岩类、酸性结晶岩风化物为主。土壤类型以红壤为主，占总面积的 6 5 以上，其次为石灰土和紫色土，以及小面积的黄壤，黄棕壤和山地草甸土， 新积土等。 2 1 4 土地利用覆盖 地带住植被为中亚热带常绿阔叶林。梅江流域的植被属于松杉林区，现状植 被以马尾松，杉木林和毛竹林为主。在岗地有马尾松疏林和荒山灌木草丛，沟谷 6 g i s 支持卜梅江流域十地利_ l 覆盖变化与基流响应研究 地带的常绿阔叶林中还常见罗浮栲、闽粤栲、树参、粗叶木、黄藤、华南紫萁、 连座蕨等成分。该区边缘地带植被茂密，植物种类繁多，森林资源丰富，是江西 省主要的林业基地之一。 2 ，2 社会经济状况 于都县地处赣州东部，贡水中游，总面积2 8 9 3k m 2 ，辖9 镇1 4 乡，总人口 9 4 2 万，是赣州人口大县。2 0 0 4 年全县实现国内生产总值2 7 3 7 亿元，同比增 长1 1 8 ；财政总收入2 0 3 亿元，增长1 5 ，地方财政收入1 5 亿元，增长1 5 5 。 全县粮食作物面积7 6 5 5 万h m 2 ，增长7 1 ，经济作物面积3 7 4h - h m 2 ；全县饲 养奶牛8 6 1 8 头，于都正成为全省奶业基地县。脐橙、青梅、有机茶、无公害蔬 菜发展势头良好，初步形成“一县一业、一乡一品，南梅北橙、牛茶竹并举”的 立体农业发展格局。县城面积由原来的6 5k m 2 扩张到现在的1 2k m 2 ，县城人口 由原来的6 力人扩张到现在的1 2 万人。 宁都县总面积4 0 5 3 k m 2 ，有耕地面积6 6 3 2 万h m 2 ，林地4 4 0 1 万h m 2 ，水面 2 3 万h m 2 。属赣南中低丘陵区，丘陵1 4 0 7 k m 2 ，占总面积3 4 ，7 3 ，山地1 7 8 8 k m z ， 占总面积4 4 1 3 ，一般高程3 0 0 - - 5 0 0 m 。2 0 0 4 年，全县国内生产总值3 0 5 2 亿 元，2 0 0 4 年，全县财政收入1 4 8 4 8h 元。2 0 0 4 年末，全县总人口为7 1 5 万人。 石城县面积1 5 8 2k m 2 ，人口3 0 2 力，辖1 0 个乡镇。矿产丰富，有锡、云母、 稀土等。工业有机械、造纸、采矿、电子等。主产水稻、大豆、花生、油菜，是 江西省重点茶油产区之一。 7 g i s 支持卜梅江流域十地利用覆盖变化与基流响应研究 3s w a t 数据处理与模拟 3 1s w a t 输入数据处理 由于s w a t 水文模型的输入数据繁多，需要d e m 数据作为基本输入数据，同 时还需要水文和气象测站的空间分布信息，温度、湿度、太阳辐射、风速等气象 数据及降水、流量等水文数据，此外，为了研究土地利用覆盖变化和基流的响 应关系，s w a t 还需要土壤类型与土地利用覆盖的空间分布数据。因此，对研究 区域的各种空日j 数据进行预处理是非常必要的一个步骤。 现有的数据有： 1 、梅江流域1 ：2 5 万a r c g i sc o v e r a g e 格式全要素的矢量图。 2 、梅江流域1 ：1 0 0 万土壤类型图。 3 、梅江流域1 9 8 7 年和2 0 0 0 年l ：1 0 万土地利用图。 4 、梅江流域1 9 8 6 1 9 8 7 年及1 9 9 5 - - 2 0 0 0 年4 l 站点实测降雨量。 5 、梅江流域3 站点1 9 8 6 1 9 8 7 年及1 9 9 5 2 0 0 0 年实测流量。 6 、梅江流域气象站点1 9 8 6 一1 9 8 7 年及1 9 9 5 - - 2 0 0 0 年气象数据 3 1 1d e m 数据处理 数字高程模型( d e m ) ( d i g i t a le 1 e v a t i o nm o d e l ) 是地理信息系统地理数 据库中最为重要的空间信息资料和赖以进行地形分析的核心数据系统。目 j 世界 各主要发达国家都纷纷建立了覆盖全国的d e m 数据系统，d e m 已经在测绘、资源 与环境、灾害防治、国防等与地形分析有关的科研及国民经济各领域发挥着越来 越巨大的作用。 数字高程模型d e m 最早是由美国麻省理工学院c h a i r e sl m i l l e r 教授于 1 9 5 6 年提出来的，是一种用于描述地形表面起伏变化特征的几何模型，它通过 地形表面上一组有限的高程采样点来进行描述。在满足一定精度的条件下，用离 散数字的形式在计算机中进行表示，并用数字计算的方式进行各种分析。d e m 用 函数的形式描述为： k = ( x ，k ，z ) ( f = l ，2 ，3 ，n ) ( 3 - 1 ) 式( 3 - 1 ) 中，x ，y 是平面坐标，z 是( x ，y ) 对应的高程。当该序列中各 平面向量的平面位置呈规则格网排列时，其平面坐标可省略，此时d e m 就简化为 一维向量序列： z fi - l ，2 ，3 ，n ( 3 2 ) d e m 大体可以划分为两大类：规则格网d e m 和不规则三角网( t r i a n g u l a t e d i r r e g u l a rn e t w o r k s ，t i n ) 。d e m 作为数字流域的基础数掘，在水文学研究和水 资源管理中的应用十分广泛，利用d e m 自动提取流域水系是进行分布式水文模型 研制与开发的基础”“。通过d e m 特征提取进行流域水文分析，最重要的有两部 g i s 支持卜i 梅江流域七地利用覆盖变化与基流响应研究 分：一是地形特征的提取；二是水系特征的提取1 。如在t o p m o d e l 水文模型中 从d e m 中提取地形指数，s w a t 模型则利用d e m 自动提取流域、河网、子流域边 界等。另外在地学分析中引入d e m 可以较好的进行要素的叠加分析等，解决传统 方法的局限性，同时也能很好的表现研究区的三维景观地貌和水系变迁过程。 为了获取梅江流域的d e m ，在a r c g i s 9 2 下用a p p e n d 将l ：2 5 万c o v e r a g e 格式的等高线进行拼接，然后利用3 d 分析模块中c r e a t et i nf r o mf e a t u r e 工 具将等高线转换成t i n ，最后在3 d 分析模块中将t i n 转换成d e m 。生成的梅江流 域d e m ，( 见图3 1 ) 。 梅江流域d e m 图 图3 - 1 梅r 流域1 0 0 m l o o m 栅格d e m 3 j 2 基于d e m 流域水系的提取 通过d e m 提取河流水系特征的主要原理是：i ) e m 将流域划分成m 行n 列的栅 格( c e l l ) ，计算每个栅格的平均高程，然后以二维矩阵的方式存储高程值，并 对左下角的坐标、单元大小、行数和列数进行说明。根据水往低处流的道理，通 过高程可以对河流的流向及每个栅格的累积流量进行计算，从而勾画出河流基本 特征。其基本步骤可以分为如下4 步： a 、无滓地d e m 的生成( 即填洼处理) b 、水流方向计算 c 、水流累积流量计算 d 、河网生成 具体流程见图3 2 。 9 g i s 支持f 梅江流域土地利_ j 覆盖变化与基流响应研究 图3 2d e m 提取流域的流程 a 无沣地d e m 的生成 沣地是高程小于相邻周边的地点，有些沣地是在d e m 生成过程中带来的数据 错误，但另外一些却表示了真实的地形如采石场或岩洞等。它是进行水文分析的 障碍之一”“。沣地被认为具有不确定的流向，在流向数据中沣地的值是它的可能 的流向值的总和。因而这些沣地的存在会阻碍自然水流朝流域出口的流动。因此， 在d e m 水系特征提取之前要先进行“填沣”处理，它将对每一个格网点进行搜 索，找出凹陷点并使其高程等于周围点的最小高程值，用此方法对原d e m 中存 在的洼地及沣地区域进行填平，得到一个与原d e m 对应的“无沣地”的d e m “。 在a r c g i s 9 2 中通过f i l l 工具将洼地填充，使洼地成为水流能够通过的平坦区 域1 。 a r c g i s 9 2 中填沣的操作步骤如下： ( 1 ) 、打开a r c t o o l b o x ，选取s p a t i a la n a l y s tt o o l s 工具。 ( 2 ) 、从h y d r o l o g y 菜单中选择f i l l 工具。 ( 3 ) 、在填洼处理后的o e m 中由于无沣地区域存在，自然流水可以畅通无 阻地流至区域地形的边缘。因此，可借助这个无沣地的数字高程模型计算流向和 流水积累量1 ，值得注意的是填洼后可能出现新的沣地，这需要不断反复的填洼 过程。 b 水流方向计算 水流方向是指水流离开格网时的指向，它决定着地表径流的方向及格网单元 问流量的分配，是基于d e m 的分布式水文模型中的一个十分关键的问题“。水流 方向的确定有多种方法，d 8 方法，r h 0 8 方法，多流向法，a s p e c t d r i v e 方法， d e m o n 方法和e r s 方法等。应用较广的是d 8 方法和多流向法。d 8 方法由于其简 单有效而应用广泛，下面主要介绍d 8 方法。流向分析目的是确定每个单元的流 0 6 i s 支持卜i 梅江流域十地利用覆盖变化与基流响麻研究 向。分别用数字l 、2 、4 、8 、1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 代表东、东南、南、西南、西、 西北、北、东北8 个可能流向。并用上述数字取代原始d e m 的单元高程，形成 一张新的栅格模型( g r i d ) ，称之为流向栅格( f l o wd i r e c t i o ng r i d ) 。这一过 程可以用h y d r o l o g y 中的f l o wd i r e c t i o n 工具来实现。 3 26 41 2 8 1 6 x1 842 图3 - 3 水流方向代码 栅格单元的水流方向是指水流流出该单元格的方向。d 8 算法即首先计算 d e m 每一栅格单元与其相邻的八个单元之间的坡度，然后按最陡的坡度原则设定 该单元的水流流向。为了难一确定单元格的水流流向，对每个方向赋以代码表示， 如图3 3 ，若中间单元格x 内的水流流向矩阵的左边，它的水流方向代码则定为 1 6 1 。其中，最陡坡度原则为：单元栅格坡度的最佳代表值是8 个坡度中的最 大数值，水流方向就是其坡度最陡的方向汹1 。计算出来的流向栅格图( 见图3 4 ) 。 图3 _ 4 梅江流域流向棚格矩阵图 c 水流累积计算 水流累积量表征流域地形每点的水量累积，首先通过流向栅格图计算上游集 水面积，上游集水面积指所有水流流经本结点的单元格所占有的亟积。按照最陡 的坡度原则确定的水流路径可计算任意栅格单元的上坡汇水面积，只不过该汇水 面积的量值是以栅格数目表示。即在流向栅格图的基础上生成汇流栅格图，汇流 栅格上每个单元的值代表上游汇流区内流入该单元的栅格点的总数。汇流分析 的主要目的是确定流路，在流向栅格的基础上生成汇流栅格，上游汇流区内流入 该单元的栅格点的总数也可用汇入该单元的流入路径数( n i p ) 来表示，n i p 较 g i s 支持卜梅江流域土地利用覆盖变化与基流响应研究 大者，可视为河谷，如果n i p 等于0 则是较高的地方，可能为流域的分水岭。 这一过程可以用h y d r o l o g y 中的f l o wa c c u m u l a t i o n 莱单项实现“”。 d 河网生成 流域识别包括勾绘流域边界、计算特征参数如面积、平均坡度、长度、平均 高程等。根据流向栅格图和汇流栅格图可以生成需要的水系，根据给定的阈值， 不低于给定闽值的单元格标记为l ，否则标记为0 ，得出二值栅格阵列，就是