馬爾柯夫模型的沙廠水庫流域土地利用變化分析

以1997、2005和2014年3期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用多模型測度的分析方法,對內(nèi)蒙古自治區(qū)土地利用類型的動態(tài)變化幅度、變化速度及狀態(tài)趨勢進(jìn)行定量分析.從變化幅度上看,近20年內(nèi)蒙古自治區(qū)土地利用類型發(fā)生了明顯的變化,草地面積大幅減少,耕地、林地、建設(shè)用地、水域和其他土地面積有所增加,其中林地和其他土地增幅較大,園地保持相對穩(wěn)定;從動態(tài)變化上看,內(nèi)蒙古自治區(qū)土地利用動態(tài)度變化具有明顯的階段性特征,基本上各用地類型在2005-2014階段年均變化激烈于1997-2005階段;從狀態(tài)趨勢上看,整個研究階段內(nèi)蒙古土地利用狀態(tài)指數(shù)為0.35,表現(xiàn)為小幅擴(kuò)張的變化趨勢.未來內(nèi)蒙古土地利用格局將隨著人類活動的加劇和自然因素的作用會發(fā)生新的變化.

在遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)支持下,以青海共和盆地干旱草原1996和2006年的tm和etm影像為基礎(chǔ),結(jié)合野外路線考察,對研究區(qū)近10年來的沙漠化發(fā)展趨勢進(jìn)行了監(jiān)測。利用馬爾柯夫模型,步長為1年,預(yù)測了2007—2016年共和盆地不同程度沙漠化面積的變化。研究結(jié)果表明,1996—2006年,研究區(qū)沙漠化總面積略有減少,但中度和嚴(yán)重沙漠化面積有所增加。在整個預(yù)測期沙漠化面積變化明顯,其中輕度和重度沙漠化面積將有所減少,而中度和嚴(yán)重沙漠化面積將有所增加。這說明研究區(qū)沙漠化行勢依然嚴(yán)峻,有必要采取措施防止沙漠化程度的進(jìn)一步加深。

rs專題信息提取與gis空間疊加分析技術(shù)結(jié)合應(yīng)用,是土地利用變化研究的重要技術(shù)手段。本文將兩者結(jié)合,對平頂山市土地變化進(jìn)行分析研究,利用馬爾柯夫數(shù)學(xué)模型對未來土地變化進(jìn)行預(yù)測。研究成果可以為城市的發(fā)展和規(guī)劃提供決策依據(jù)。

基于高空間分辨率航拍遙感數(shù)據(jù),通過人工目視交互解譯的方式,獲得沙河水庫流域1∶5000比例尺的土地利用數(shù)據(jù)。土地利用類型劃分為18類,詳細(xì)識別出了人為活動影響較大的建設(shè)用地類型(包括村鎮(zhèn)居民用地、道路、工礦用地等)、耕地、茶園(進(jìn)一步劃分為高、中、低覆蓋度茶園)等,并分析了沙河水庫流域土地利用方面存在的問題,可用以指導(dǎo)今后庫區(qū)流域管理工作。

應(yīng)用l-thia（long-termhydrologicimpactassessment）模型，模擬吉林省石頭口門水庫流域1986年至2000年的非點(diǎn)源污染負(fù)荷，定量評價土地利用／覆被變化對非點(diǎn)源污染負(fù)荷的影響。研究結(jié)果表明：1）1986-2000年期間，研究區(qū)土地利用／覆被變化的主要特點(diǎn)為：水田和旱田增加，草地和裸地減少；土地利用／覆被變化對非點(diǎn)源污染負(fù)荷的影響非常顯著；2）1986年、1995年、2000年三個時段內(nèi)研究區(qū)各非點(diǎn)源污染負(fù)荷呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，泥沙和總氮的變化幅度較大，總磷的變化幅度相對較??；整個研究時段內(nèi)表現(xiàn)為總磷的變化幅度大于泥沙和總氮；3）農(nóng)田、林地、居民地的變化對非點(diǎn)源污染負(fù)荷影響明顯，屬于非點(diǎn)源污染的敏感區(qū)，其面積的較小變化均可引起污染負(fù)荷的較大變動；4）林地和草地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田導(dǎo)致各非點(diǎn)源污染物負(fù)荷均增加，其中草地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田的區(qū)域較?。?km^2），但導(dǎo)致總磷污染增加了255．52kg；農(nóng)田變?yōu)榫用竦睾土值貙?dǎo)致污染負(fù)荷減少，林地轉(zhuǎn)化為草地使得泥沙、總磷污染增加，總氮污染減少。

土地利用/土地覆被變化改變了地表生態(tài)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu),影響著生態(tài)系統(tǒng)功能,威脅著區(qū)域生態(tài)安全。本文以遼河流域的渾河-太子河流域?yàn)檠芯繀^(qū),探討了流域空間尺度上的lucc特征及其所帶來的生態(tài)效應(yīng)。研究表明,不同的生態(tài)指標(biāo)對lucc的響應(yīng)程度略有不同:(1)從景觀生態(tài)格局角度看,反映生態(tài)系統(tǒng)斑塊形狀特征的景觀指數(shù)對lucc的響應(yīng)較弱,而對生態(tài)系統(tǒng)斑塊之間關(guān)系的景觀指數(shù)對lucc的響應(yīng)較強(qiáng)。2007年與1992年相比,shdi呈現(xiàn)出變大的趨勢,分別反映出各生態(tài)類斑塊呈均衡化狀態(tài)變好。contag呈現(xiàn)出變小的趨勢,反映出優(yōu)勢生態(tài)景觀類型的破碎化程度有所增加。(2)從生態(tài)功能效應(yīng)角度看,2007年與1992年相比,lucc使得植被覆蓋度、水土保持能力等單因子生態(tài)功能效應(yīng)指標(biāo)呈現(xiàn)出變好的特征;綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)供給、調(diào)節(jié)、文化與支持功能的綜合生態(tài)功能效應(yīng)呈現(xiàn)出持平的特征。

以洮河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于swat模型模擬，從多年平均徑流、典型年徑流和徑流波動性等3方面探討土地利用變化對河川徑流過程的影響．結(jié)果表明：1980s-2000s洮河流域土地利用變化背景下，上游甘南片區(qū)徑流量減少、下游黃土片區(qū)徑流量增加；土地利用變化對上游枯水年徑流和下游豐、平水年影響較大；對洮河上游甘南片區(qū)徑流波動有微弱抑制，使洮河下游黃土片區(qū)的徑流波動有一定的增強(qiáng)．

基流是干旱區(qū)最重要的枯季水文特征之一,在維持河川徑流和維護(hù)流域生態(tài)安全等方面具有重要意義?；趯幭那逅恿饔蛏嫌?980年、1995年、2000年、2013年四期土地利用數(shù)據(jù)及原州水文站1984—2014年日徑流資料,采用枯季徑流分割法進(jìn)行了基流分割,分析了流域基流、基流指數(shù)與景觀格局指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系,研究了流域景觀格局變化對基流的作用。結(jié)果表明:(1)30年中,草地是清水河上游的主導(dǎo)性景觀類型。流域景觀多樣性隨時間的推移逐漸增加,整體向好;(2)1984—2014年,清水河上游徑流量呈顯著減少趨勢(p<0.01),基流量呈極顯著減少趨勢(p<0.001);(3)景觀格局指數(shù)與基流量的關(guān)系較徑流量密切,基流量與面積加權(quán)平均形狀指數(shù)(shapeam)、斑塊結(jié)合度(cohesion)、最大斑塊指數(shù)(lpi)、斑塊豐富度密度(prd)、周長—面積分維數(shù)(pafrac)這5個指標(biāo)的相關(guān)性較高,其中與shape_am,cohesion,lpi呈顯著正相關(guān),與prd,pafrac呈顯著負(fù)相關(guān)。研究結(jié)果可為清水河上游流域生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

以洮河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于swat模型模擬，從多年平均徑流、典型年徑流和徑流波動性等3方面探討土地利用變化對河川徑流過程的影響．結(jié)果表明：1980s-2000s洮河流域土地利用變化背景下，上游甘南片區(qū)徑流量減少、下游黃土片區(qū)徑流量增加；土地利用變化對上游枯水年徑流和下游豐、平水年影響較大；對洮河上游甘南片區(qū)徑流波動有微弱抑制，使洮河下游黃土片區(qū)的徑流波動有一定的增強(qiáng)．

科學(xué)認(rèn)識流域土地利用變化及其特征可以為流域水文變化、水環(huán)境變化、氣候變化等研究提供基礎(chǔ)。以1970—2010年伊洛河流域5期遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用gis信息技術(shù)與空間分析技術(shù),得到不同時期伊洛河流域土地利用/覆被特征,選取土地利用變化率指數(shù)、土地利用綜合指數(shù)和土地利用動態(tài)度模型3個指標(biāo),分析了近40a來研究區(qū)的土地利用/覆被變化特征。結(jié)果表明,伊洛河流域土地利用以耕地為主,其次為林地。研究區(qū)土地利用處于發(fā)展期且土地利用變化處于快速變化水平,隨著城鎮(zhèn)化面積的逐年增加,流域耕地面積從1990年以后逐年減少,城鎮(zhèn)工礦居民用地不斷增加,其他如林地、草地和未利用面積變化基本保持不變。從不同的發(fā)展階段來看,1970—1990年間,土地利用/覆被變化不太顯著;1990—2000年流域土地利用變化以城鎮(zhèn)工礦居民用地增加為主要特征;2000—2005年流域土地利用變化以耕地減少為主要特征;2005—2010年土地利用變化程度較2000—2005年有減緩趨勢,但仍然呈現(xiàn)耕地減少、城鎮(zhèn)工礦居民用地增加的特征。從不同的高程帶來看,洼地和丘陵地帶土地變化較劇烈,變化的主要特征為耕地減少、城鎮(zhèn)工礦居民用地增加,而中山和高山地帶,因?yàn)槿祟惢顒佑绊戄^小,土地利用情況變化很小。

以1987年、2000年、2014年的landsat影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),借助envi,arcgis,fragstats等軟件,提取了土地利用信息,計算了景觀指數(shù),定量分析了流域土地利用變化及其對景觀格局的影響.結(jié)果表明:(1)近30年來,南四湖流域土地利用變化突出表現(xiàn)為耕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化,耕地面積減少1069.15km2,建設(shè)用地面積增加1573.26km2.2000-2014年,土地利用綜合動態(tài)度為0.461％,是1987-2000年的4倍.(2)景觀結(jié)構(gòu)上,耕地是流域的主導(dǎo)斑塊,面積約占70％,30年來占景觀面積的比例降低了3.85％,斑塊形狀趨于復(fù)雜;建設(shè)用地日益發(fā)展為優(yōu)勢斑塊,占景觀面積的比例指數(shù)增加了6.1％.耕地與建設(shè)用地斑塊在景觀中的變遷,使得流域自然生態(tài)功能受到較為嚴(yán)重的干擾.(3)流域總體的景觀特征表現(xiàn)為優(yōu)勢斑塊明顯,景觀比較完整,但空間異質(zhì)性較高而連通性較低.近30年來景觀結(jié)構(gòu)由較完整的大斑塊主導(dǎo)、演化成小斑塊圈點(diǎn)狀穿孔于大斑塊的格局,景觀破碎化較為嚴(yán)重.

基于土地利用空間分析指標(biāo)和圖譜方法,利用五期土地利用數(shù)據(jù),結(jié)合gis和rs技術(shù),得出南四湖流域1990?2010年土地利用/覆被變化的時空特征:(1)1990?2010年南四湖流域土地利用方式以耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和水域?yàn)橹?流域土地利用類型的分布與流域內(nèi)地形密切相關(guān)。(2)近20年流域綜合土地利用動態(tài)度為0.39%,總體變化速度較緩慢。其中,南四湖流域未利用地的減少速度最快,是該流域土地利用變化最獨(dú)特的特征。(3)流域內(nèi)各土地類型存在著不同程度的相互轉(zhuǎn)換,城鄉(xiāng)建設(shè)用地占用耕地是各階段土地利用類型轉(zhuǎn)換的主要特點(diǎn),集中分布在流域內(nèi)的各個縣域；82.39%的未利用地在1990?1995年轉(zhuǎn)化為人工水域,主要分布在南四湖濕地自然保護(hù)區(qū)；耕地與林地和草地之間的相互轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在流域東部的多山地丘陵地帶。

以沂河流域?yàn)槔?在arcgis10.2中解譯沂河流域2005年和2015年遙感影像,得到兩期土地利用數(shù)據(jù).并分析了2005-2015年沂河流域土地利用及其變化情況,以costanza生態(tài)服務(wù)價值計算方法為參考,分析了沂河流域生態(tài)服務(wù)價值變化情況.結(jié)果表明:研究區(qū)耕地面積顯著減少,但生態(tài)服務(wù)總價值卻從2005年的2338964萬元上升到2015年的2427039萬元,上升了約3.77％,這主要是由于林地面積的增加帶來的較高的生態(tài)服務(wù)價值.

為了實(shí)現(xiàn)土地的可持續(xù)利用和生態(tài)的可持續(xù)維護(hù),以藉河流域5期土地利用數(shù)據(jù)和構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價模型為基礎(chǔ),運(yùn)用馬爾科夫模型對藉河流域的土地利用及生態(tài)服務(wù)價值變化進(jìn)行評估,結(jié)果表明:研究時段內(nèi)坡耕地、梯田、林地和草地的總面積占流域面積的90%以上,坡耕地面積逐期減少,梯田和林地面積增加;1975—2030年流域總的生態(tài)服務(wù)價值呈增加趨勢,草地和林地占總價值比例達(dá)到70%以上;預(yù)測2020年和2030年流域的生態(tài)服務(wù)價值分別增加到5.499億元和5.633億元,1975—2030年間單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價值中土壤形成與保持、維持生物多樣性、氣候調(diào)節(jié)和氣體調(diào)節(jié)4項(xiàng)占總價值的60%左右。

利用不同時相的遙感影像解譯成果數(shù)據(jù),在地理信息系統(tǒng)軟件支持下,分析鄱陽湖流域土地利用時空格局、土地利用類型的變化趨勢及其變化速率等。研究結(jié)果表明,自1985-2010年近25年來,鄱陽湖流域的主要土地利用類型為林地和耕地;研究期內(nèi),工礦居民點(diǎn)用地、林地和水域面積增加,而耕地、草地和未利用地面積減少;工礦居民點(diǎn)用地增加來源主要為耕地,林地來源主要為耕地,水域來源主要為未利用地;從土地利用穩(wěn)定性來看,工礦居民點(diǎn)用地相對不穩(wěn)定,從流域分析來看,鄱陽湖區(qū)的土地利用相對最不穩(wěn)定。

為了對遼寧省土地利用變化引起的排澇模數(shù)影響進(jìn)行更加準(zhǔn)確的模擬研究,以渾河流域排澇區(qū)為研究對象,利用scs-mike11耦合模型分別對不同時期土地利用類型下的排澇模數(shù)進(jìn)行模擬分析,并揭示了排澇模數(shù)隨土地利用變化的作用規(guī)律,然后通過設(shè)定不同地面硬化率、水旱比和水面率等參數(shù)分別對土地利用變化條件下的排澇措施進(jìn)行模擬分析。研究成果可為土地利用變化條件下渾河流域制定排澇減災(zāi)技術(shù)措施并確定排澇模數(shù)提供決策依據(jù)和理論支持。

為了對遼寧省土地利用變化引起的排澇模數(shù)影響進(jìn)行更加準(zhǔn)確的模擬研究,以渾河流域排澇區(qū)為研究對象,利用scs-mike11耦合模型分別對不同時期土地利用類型下的排澇模數(shù)進(jìn)行模擬分析,并揭示了排澇模數(shù)隨土地利用變化的作用規(guī)律,然后通過設(shè)定不同地面硬化率、水旱比和水面率等參數(shù)分別對土地利用變化條件下的排澇措施進(jìn)行模擬分析.研究成果可為土地利用變化條件下渾河流域制定排澇減災(zāi)技術(shù)措施并確定排澇模數(shù)提供決策依據(jù)和理論支持.

以欽江流域?yàn)檠芯繉ο?在gis軟件的支持下,構(gòu)建研究區(qū)swat分布式水文模型,以徑流和泥沙實(shí)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證,結(jié)果顯示相關(guān)系數(shù)r2高于0.9,nash-sutcliffe系數(shù)高于0.8,模型模擬精度較高。在固定天氣因子等不變的情況下,基于1990、2008年兩期土地利用數(shù)據(jù),模擬研究區(qū)1968—2008年徑流產(chǎn)沙過程,并分析土地利用/覆被變化對水文效應(yīng)的影響,結(jié)果表明:1990—2008年土地利用變化主要表現(xiàn)為林地、水田面積減少,旱地、草地、水域和建設(shè)用地面積增加;與1990年土地利用情景相比,2008年土地利用情景下徑流和輸沙總量均增加,土地利用變化對產(chǎn)流影響較小,對產(chǎn)沙影響較顯著;由土地利用變化引起的月均徑流產(chǎn)沙變化量為汛期增幅大于非汛期;土地利用變化對枯水年徑流產(chǎn)沙過程影響最大,平水年次之,豐水年影響最小。

對鄱陽湖區(qū)1985年、1995年、2000年和2006年4個不同時期土地利用的時空動態(tài)特征進(jìn)行了定量分析。通過數(shù)學(xué)建模,利用土地利用變化率、面積變化速率和土地利用動態(tài)度模型對土地利用的空間分布特征及動態(tài)變化進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明:該地區(qū)主要的城鄉(xiāng)、工礦、居民用地面積增長迅速;水域和耕地較不穩(wěn)定,雙向轉(zhuǎn)換較為頻繁。

基于landsat遙感影像提取大凌河流域1986~2014年7期土地利用/覆被變化信息,并結(jié)合1986~2014年流域氣候變化情況,發(fā)現(xiàn)大凌河流域土地利用變化對流域氣候變化具有負(fù)面影響。研究表明:(1)近30a大凌河流域土地利用/覆被變化情況表現(xiàn)為:建設(shè)用地和農(nóng)林用地的大幅度擴(kuò)張,面積分別增加了322.30km2和1504.94km2,并伴隨著水域和旱地及其他未利用地面積的顯著減少,面積分別減少了102.42km2和1724.61km2;(2)大凌河流域近30a來土地利用變化導(dǎo)致流域平均年降水量、平均相對濕度及平均風(fēng)速小幅度下降,分別減少了14.94mm、0.2%和0.04m/s,平均氣溫緩慢上升,增長了0.1℃;(3)退耕還林還草及成立凌河保護(hù)區(qū)等工作能提高流域植被覆蓋面積、使流域水域面積得以回升,從而可以緩解城市熱島效應(yīng)帶來的溫度升高,提高流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

以1991年、1998年和2006年3期遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、動態(tài)度、利用度和生態(tài)環(huán)境效益指數(shù)模型,研究了漓江流域1991年以來的土地利用變化及其對生態(tài)環(huán)境效益的影響。結(jié)果表明,漓江流域土地利用/覆被于1991～2006年間發(fā)生了較大變化,變化的總體趨勢為林地、耕地、草地和水域面積減少,并轉(zhuǎn)化為園地、未利用地和建設(shè)用地;1991年以來,漓江流域未利用地、建設(shè)用地和園地的正向變化速度較大,而林地和草地的負(fù)向變化速度較大。漓江流域土地利用綜合變化速率呈現(xiàn)增加趨勢;土地利用度變化呈現(xiàn)波動特征;漓江流域土地利用/覆被變化的主要人文驅(qū)動力為經(jīng)濟(jì)因素、政策因素等方面;1991～2006年間土地利用變化降低了漓江流域的生態(tài)環(huán)境效益,林地向園地的轉(zhuǎn)化及耕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化是區(qū)域生態(tài)環(huán)境效益下降的主要原因。

土地利用/覆被變化是導(dǎo)致流域水資源發(fā)生變化的重要原因.以中國西北地區(qū)的洮河流域?yàn)檠芯繀^(qū),構(gòu)建適宜于洮河流域的分布式水文模型(swat),在綜合考慮流域1985-2000年間土地利用/覆被變化特征的基礎(chǔ)上建立多種土地利用/覆被情景,并對不同情景下的水文過程進(jìn)行模擬,得到以下結(jié)論:(1)經(jīng)校準(zhǔn)后的swat模型,其驗(yàn)證期的相關(guān)系數(shù)r~2、相對誤差r_e和效率系數(shù)e_(ns)分別為0.83、-8%和0.68,說明swat模型在洮河流域徑流量模擬中具有較高的適用性.(2)草地、林地和耕地是洮河流域的主要土地利用類型.林地的壤中流、土壤濕度和產(chǎn)水量最大,耕地的地表徑流和蒸散量最大.與1985年相比,2000年土地利用/覆被情景下地表徑流增加了1.72%,地下徑流和產(chǎn)水量降低了0.8%和0.4%;耕地擴(kuò)張和城鎮(zhèn)建設(shè)用地情景下流域地表徑流明顯增加,生態(tài)恢復(fù)情景下流域地表徑流和產(chǎn)水量均有所降低.(3)從月徑流量來看,林草地可以減小最大與最小流量的變幅,而耕地的作用正好相反.與1985年相比,2000年土地利用/覆被情景下汛期地表徑流增加1.67%,地下徑流減少0.83%,產(chǎn)水量減少0.36%;非汛期地表徑流增加1.86%,地下徑流減少0.63%,產(chǎn)水量減少0.46%.說明林草地減少對非汛期的影響更大.