马尔柯夫模型的沙厂水库流域土地利用变化分析

以1997、2005和2014年3期土地利用数据为基础,采用多模型测度的分析方法,对内蒙古自治区土地利用类型的动态变化幅度、变化速度及状态趋势进行定量分析.从变化幅度上看,近20年内蒙古自治区土地利用类型发生了明显的变化,草地面积大幅减少,耕地、林地、建设用地、水域和其他土地面积有所增加,其中林地和其他土地增幅较大,园地保持相对稳定;从动态变化上看,内蒙古自治区土地利用动态度变化具有明显的阶段性特征,基本上各用地类型在2005-2014阶段年均变化激烈于1997-2005阶段;从状态趋势上看,整个研究阶段内蒙古土地利用状态指数为0.35,表现为小幅扩张的变化趋势.未来内蒙古土地利用格局将随着人类活动的加剧和自然因素的作用会发生新的变化.

在遥感和地理信息系统技术支持下,以青海共和盆地干旱草原1996和2006年的tm和etm影像为基础,结合野外路线考察,对研究区近10年来的沙漠化发展趋势进行了监测。利用马尔柯夫模型,步长为1年,预测了2007—2016年共和盆地不同程度沙漠化面积的变化。研究结果表明,1996—2006年,研究区沙漠化总面积略有减少,但中度和严重沙漠化面积有所增加。在整个预测期沙漠化面积变化明显,其中轻度和重度沙漠化面积将有所减少,而中度和严重沙漠化面积将有所增加。这说明研究区沙漠化行势依然严峻,有必要采取措施防止沙漠化程度的进一步加深。

rs专题信息提取与gis空间叠加分析技术结合应用,是土地利用变化研究的重要技术手段。本文将两者结合,对平顶山市土地变化进行分析研究,利用马尔柯夫数学模型对未来土地变化进行预测。研究成果可以为城市的发展和规划提供决策依据。

基于高空间分辨率航拍遥感数据,通过人工目视交互解译的方式,获得沙河水库流域1∶5000比例尺的土地利用数据。土地利用类型划分为18类,详细识别出了人为活动影响较大的建设用地类型(包括村镇居民用地、道路、工矿用地等)、耕地、茶园(进一步划分为高、中、低覆盖度茶园)等,并分析了沙河水库流域土地利用方面存在的问题,可用以指导今后库区流域管理工作。

应用l-thia（long-termhydrologicimpactassessment）模型，模拟吉林省石头口门水库流域1986年至2000年的非点源污染负荷，定量评价土地利用／覆被变化对非点源污染负荷的影响。研究结果表明：1）1986-2000年期间，研究区土地利用／覆被变化的主要特点为：水田和旱田增加，草地和裸地减少；土地利用／覆被变化对非点源污染负荷的影响非常显著；2）1986年、1995年、2000年三个时段内研究区各非点源污染负荷呈现先增加后减少的趋势，泥沙和总氮的变化幅度较大，总磷的变化幅度相对较小；整个研究时段内表现为总磷的变化幅度大于泥沙和总氮；3）农田、林地、居民地的变化对非点源污染负荷影响明显，属于非点源污染的敏感区，其面积的较小变化均可引起污染负荷的较大变动；4）林地和草地转化为农田导致各非点源污染物负荷均增加，其中草地转化为农田的区域较小（5km^2），但导致总磷污染增加了255．52kg；农田变为居民地和林地导致污染负荷减少，林地转化为草地使得泥沙、总磷污染增加，总氮污染减少。

土地利用/土地覆被变化改变了地表生态系统组成结构,影响着生态系统功能,威胁着区域生态安全。本文以辽河流域的浑河-太子河流域为研究区,探讨了流域空间尺度上的lucc特征及其所带来的生态效应。研究表明,不同的生态指标对lucc的响应程度略有不同:(1)从景观生态格局角度看,反映生态系统斑块形状特征的景观指数对lucc的响应较弱,而对生态系统斑块之间关系的景观指数对lucc的响应较强。2007年与1992年相比,shdi呈现出变大的趋势,分别反映出各生态类斑块呈均衡化状态变好。contag呈现出变小的趋势,反映出优势生态景观类型的破碎化程度有所增加。(2)从生态功能效应角度看,2007年与1992年相比,lucc使得植被覆盖度、水土保持能力等单因子生态功能效应指标呈现出变好的特征;综合考虑生态系统供给、调节、文化与支持功能的综合生态功能效应呈现出持平的特征。

以洮河流域为研究区，基于swat模型模拟，从多年平均径流、典型年径流和径流波动性等3方面探讨土地利用变化对河川径流过程的影响．结果表明：1980s-2000s洮河流域土地利用变化背景下，上游甘南片区径流量减少、下游黄土片区径流量增加；土地利用变化对上游枯水年径流和下游丰、平水年影响较大；对洮河上游甘南片区径流波动有微弱抑制，使洮河下游黄土片区的径流波动有一定的增强．

基流是干旱区最重要的枯季水文特征之一,在维持河川径流和维护流域生态安全等方面具有重要意义。基于宁夏清水河流域上游1980年、1995年、2000年、2013年四期土地利用数据及原州水文站1984—2014年日径流资料,采用枯季径流分割法进行了基流分割,分析了流域基流、基流指数与景观格局指数之间的相关关系,研究了流域景观格局变化对基流的作用。结果表明:(1)30年中,草地是清水河上游的主导性景观类型。流域景观多样性随时间的推移逐渐增加,整体向好;(2)1984—2014年,清水河上游径流量呈显著减少趋势(p<0.01),基流量呈极显著减少趋势(p<0.001);(3)景观格局指数与基流量的关系较径流量密切,基流量与面积加权平均形状指数(shapeam)、斑块结合度(cohesion)、最大斑块指数(lpi)、斑块丰富度密度(prd)、周长—面积分维数(pafrac)这5个指标的相关性较高,其中与shape_am,cohesion,lpi呈显著正相关,与prd,pafrac呈显著负相关。研究结果可为清水河上游流域生态建设提供科学依据。

以洮河流域为研究区，基于swat模型模拟，从多年平均径流、典型年径流和径流波动性等3方面探讨土地利用变化对河川径流过程的影响．结果表明：1980s-2000s洮河流域土地利用变化背景下，上游甘南片区径流量减少、下游黄土片区径流量增加；土地利用变化对上游枯水年径流和下游丰、平水年影响较大；对洮河上游甘南片区径流波动有微弱抑制，使洮河下游黄土片区的径流波动有一定的增强．

科学认识流域土地利用变化及其特征可以为流域水文变化、水环境变化、气候变化等研究提供基础。以1970—2010年伊洛河流域5期遥感影像数据为基础,利用gis信息技术与空间分析技术,得到不同时期伊洛河流域土地利用/覆被特征,选取土地利用变化率指数、土地利用综合指数和土地利用动态度模型3个指标,分析了近40a来研究区的土地利用/覆被变化特征。结果表明,伊洛河流域土地利用以耕地为主,其次为林地。研究区土地利用处于发展期且土地利用变化处于快速变化水平,随着城镇化面积的逐年增加,流域耕地面积从1990年以后逐年减少,城镇工矿居民用地不断增加,其他如林地、草地和未利用面积变化基本保持不变。从不同的发展阶段来看,1970—1990年间,土地利用/覆被变化不太显著;1990—2000年流域土地利用变化以城镇工矿居民用地增加为主要特征;2000—2005年流域土地利用变化以耕地减少为主要特征;2005—2010年土地利用变化程度较2000—2005年有减缓趋势,但仍然呈现耕地减少、城镇工矿居民用地增加的特征。从不同的高程带来看,洼地和丘陵地带土地变化较剧烈,变化的主要特征为耕地减少、城镇工矿居民用地增加,而中山和高山地带,因为人类活动影响较小,土地利用情况变化很小。

以1987年、2000年、2014年的landsat影像数据为基础,借助envi,arcgis,fragstats等软件,提取了土地利用信息,计算了景观指数,定量分析了流域土地利用变化及其对景观格局的影响.结果表明:(1)近30年来,南四湖流域土地利用变化突出表现为耕地向建设用地的转化,耕地面积减少1069.15km2,建设用地面积增加1573.26km2.2000-2014年,土地利用综合动态度为0.461％,是1987-2000年的4倍.(2)景观结构上,耕地是流域的主导斑块,面积约占70％,30年来占景观面积的比例降低了3.85％,斑块形状趋于复杂;建设用地日益发展为优势斑块,占景观面积的比例指数增加了6.1％.耕地与建设用地斑块在景观中的变迁,使得流域自然生态功能受到较为严重的干扰.(3)流域总体的景观特征表现为优势斑块明显,景观比较完整,但空间异质性较高而连通性较低.近30年来景观结构由较完整的大斑块主导、演化成小斑块圈点状穿孔于大斑块的格局,景观破碎化较为严重.

基于土地利用空间分析指标和图谱方法,利用五期土地利用数据,结合gis和rs技术,得出南四湖流域1990?2010年土地利用/覆被变化的时空特征:(1)1990?2010年南四湖流域土地利用方式以耕地、城乡建设用地和水域为主,流域土地利用类型的分布与流域内地形密切相关。(2)近20年流域综合土地利用动态度为0.39%,总体变化速度较缓慢。其中,南四湖流域未利用地的减少速度最快,是该流域土地利用变化最独特的特征。(3)流域内各土地类型存在着不同程度的相互转换,城乡建设用地占用耕地是各阶段土地利用类型转换的主要特点,集中分布在流域内的各个县域；82.39%的未利用地在1990?1995年转化为人工水域,主要分布在南四湖湿地自然保护区；耕地与林地和草地之间的相互转换主要发生在流域东部的多山地丘陵地带。

以沂河流域为例,在arcgis10.2中解译沂河流域2005年和2015年遥感影像,得到两期土地利用数据.并分析了2005-2015年沂河流域土地利用及其变化情况,以costanza生态服务价值计算方法为参考,分析了沂河流域生态服务价值变化情况.结果表明:研究区耕地面积显著减少,但生态服务总价值却从2005年的2338964万元上升到2015年的2427039万元,上升了约3.77％,这主要是由于林地面积的增加带来的较高的生态服务价值.

为了实现土地的可持续利用和生态的可持续维护,以藉河流域5期土地利用数据和构建生态系统服务评价模型为基础,运用马尔科夫模型对藉河流域的土地利用及生态服务价值变化进行评估,结果表明:研究时段内坡耕地、梯田、林地和草地的总面积占流域面积的90%以上,坡耕地面积逐期减少,梯田和林地面积增加;1975—2030年流域总的生态服务价值呈增加趋势,草地和林地占总价值比例达到70%以上;预测2020年和2030年流域的生态服务价值分别增加到5.499亿元和5.633亿元,1975—2030年间单项生态服务价值中土壤形成与保持、维持生物多样性、气候调节和气体调节4项占总价值的60%左右。

利用不同时相的遥感影像解译成果数据,在地理信息系统软件支持下,分析鄱阳湖流域土地利用时空格局、土地利用类型的变化趋势及其变化速率等。研究结果表明,自1985-2010年近25年来,鄱阳湖流域的主要土地利用类型为林地和耕地;研究期内,工矿居民点用地、林地和水域面积增加,而耕地、草地和未利用地面积减少;工矿居民点用地增加来源主要为耕地,林地来源主要为耕地,水域来源主要为未利用地;从土地利用稳定性来看,工矿居民点用地相对不稳定,从流域分析来看,鄱阳湖区的土地利用相对最不稳定。

为了对辽宁省土地利用变化引起的排涝模数影响进行更加准确的模拟研究,以浑河流域排涝区为研究对象,利用scs-mike11耦合模型分别对不同时期土地利用类型下的排涝模数进行模拟分析,并揭示了排涝模数随土地利用变化的作用规律,然后通过设定不同地面硬化率、水旱比和水面率等参数分别对土地利用变化条件下的排涝措施进行模拟分析。研究成果可为土地利用变化条件下浑河流域制定排涝减灾技术措施并确定排涝模数提供决策依据和理论支持。

为了对辽宁省土地利用变化引起的排涝模数影响进行更加准确的模拟研究,以浑河流域排涝区为研究对象,利用scs-mike11耦合模型分别对不同时期土地利用类型下的排涝模数进行模拟分析,并揭示了排涝模数随土地利用变化的作用规律,然后通过设定不同地面硬化率、水旱比和水面率等参数分别对土地利用变化条件下的排涝措施进行模拟分析.研究成果可为土地利用变化条件下浑河流域制定排涝减灾技术措施并确定排涝模数提供决策依据和理论支持.

以钦江流域为研究对象,在gis软件的支持下,构建研究区swat分布式水文模型,以径流和泥沙实测数据对模型进行校准和验证,结果显示相关系数r2高于0.9,nash-sutcliffe系数高于0.8,模型模拟精度较高。在固定天气因子等不变的情况下,基于1990、2008年两期土地利用数据,模拟研究区1968—2008年径流产沙过程,并分析土地利用/覆被变化对水文效应的影响,结果表明:1990—2008年土地利用变化主要表现为林地、水田面积减少,旱地、草地、水域和建设用地面积增加;与1990年土地利用情景相比,2008年土地利用情景下径流和输沙总量均增加,土地利用变化对产流影响较小,对产沙影响较显著;由土地利用变化引起的月均径流产沙变化量为汛期增幅大于非汛期;土地利用变化对枯水年径流产沙过程影响最大,平水年次之,丰水年影响最小。

对鄱阳湖区1985年、1995年、2000年和2006年4个不同时期土地利用的时空动态特征进行了定量分析。通过数学建模,利用土地利用变化率、面积变化速率和土地利用动态度模型对土地利用的空间分布特征及动态变化进行了分析。研究结果表明:该地区主要的城乡、工矿、居民用地面积增长迅速;水域和耕地较不稳定,双向转换较为频繁。

基于landsat遥感影像提取大凌河流域1986~2014年7期土地利用/覆被变化信息,并结合1986~2014年流域气候变化情况,发现大凌河流域土地利用变化对流域气候变化具有负面影响。研究表明:(1)近30a大凌河流域土地利用/覆被变化情况表现为:建设用地和农林用地的大幅度扩张,面积分别增加了322.30km2和1504.94km2,并伴随着水域和旱地及其他未利用地面积的显著减少,面积分别减少了102.42km2和1724.61km2;(2)大凌河流域近30a来土地利用变化导致流域平均年降水量、平均相对湿度及平均风速小幅度下降,分别减少了14.94mm、0.2%和0.04m/s,平均气温缓慢上升,增长了0.1℃;(3)退耕还林还草及成立凌河保护区等工作能提高流域植被覆盖面积、使流域水域面积得以回升,从而可以缓解城市热岛效应带来的温度升高,提高流域生态环境质量。

以1991年、1998年和2006年3期遥感影像数据为基础,采用土地利用转移矩阵、动态度、利用度和生态环境效益指数模型,研究了漓江流域1991年以来的土地利用变化及其对生态环境效益的影响。结果表明,漓江流域土地利用/覆被于1991～2006年间发生了较大变化,变化的总体趋势为林地、耕地、草地和水域面积减少,并转化为园地、未利用地和建设用地;1991年以来,漓江流域未利用地、建设用地和园地的正向变化速度较大,而林地和草地的负向变化速度较大。漓江流域土地利用综合变化速率呈现增加趋势;土地利用度变化呈现波动特征;漓江流域土地利用/覆被变化的主要人文驱动力为经济因素、政策因素等方面;1991～2006年间土地利用变化降低了漓江流域的生态环境效益,林地向园地的转化及耕地向建设用地的转化是区域生态环境效益下降的主要原因。

土地利用/覆被变化是导致流域水资源发生变化的重要原因.以中国西北地区的洮河流域为研究区,构建适宜于洮河流域的分布式水文模型(swat),在综合考虑流域1985-2000年间土地利用/覆被变化特征的基础上建立多种土地利用/覆被情景,并对不同情景下的水文过程进行模拟,得到以下结论:(1)经校准后的swat模型,其验证期的相关系数r~2、相对误差r_e和效率系数e_(ns)分别为0.83、-8%和0.68,说明swat模型在洮河流域径流量模拟中具有较高的适用性.(2)草地、林地和耕地是洮河流域的主要土地利用类型.林地的壤中流、土壤湿度和产水量最大,耕地的地表径流和蒸散量最大.与1985年相比,2000年土地利用/覆被情景下地表径流增加了1.72%,地下径流和产水量降低了0.8%和0.4%;耕地扩张和城镇建设用地情景下流域地表径流明显增加,生态恢复情景下流域地表径流和产水量均有所降低.(3)从月径流量来看,林草地可以减小最大与最小流量的变幅,而耕地的作用正好相反.与1985年相比,2000年土地利用/覆被情景下汛期地表径流增加1.67%,地下径流减少0.83%,产水量减少0.36%;非汛期地表径流增加1.86%,地下径流减少0.63%,产水量减少0.46%.说明林草地减少对非汛期的影响更大.