基于GIS与SWAT模型的滇池流域不同坡度下土地利用/覆被变化对农业非点源污染的影响研究

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滇池对昆明人民具有十分重要的意义,是昆明人民赖以生活的母亲湖;是昆明市蓬勃发展的保障;是云贵高原上的一颗明珠。随着昆明市经济的发展以及城市化的快速进展,昆明城市面积快速扩张,入湖污染负荷不断增大,导致滇池富营养化日趋严重,水体功能受到极大损害。随着滇池水质的日益恶化,滇池水污染情况也引起了中央领导的高度重视。近年来,滇池流域的点源污染源头已经得到了较好的治理,非点源污染已经日渐成为滇池污染治理的重要目标之一。土地利用/覆被变化(Landuse and Landcover Change, LUCC)是国际地圈生物圈计划(International Geosphere-Biosphere Program,IGBP)和国际全球环境变化人文因素计划(International Human Dimensions Programme on Global EnvironmentalChange, IHDP)的核心研究问题之一,已成为目前国内和国际上研究的热点与前沿问题。众多研究表明,土地利用/覆被的变化会直接影响流域的径流、泥沙和非点源污染效应。在此背景下,本文利用GIS和SWAT模型对滇池流域不同土地利用情景下的非点源污染情况作了定量研究,并且针对不同的目的设计了不同坡度下的土地利用情景,试图探索较为优化的土地利用结构。本文主要研究内容和成果如下:(1)从USGS(United States Geological Survey)下载2006年和2013年的TM遥感影像数据,用ENVI4.8对数据进行监督分类并辅以目视解译。根据2007年国家《土地利用现状分类》标准,结合滇池流域农业非点源实际情况,将滇池流域土地分为林地、草地、耕地、建筑用地、裸地和水体六类。所得结果Kappa系数分别为0.75、0.78和0.74,精度能够满足模型运行。(2)分析和统计2006年到2013年土地利用变化特征,其中建筑用地和林地增加较多,耕地、草地、裸地和水体均呈现减少趋势。计算获得2006年到2013土地利用转移矩阵,分析土地转置情况。利用ArcGIS的空间分析功能将滇池流域划分为5个坡度级别:0°~2°、2°~6°、6°~15°、15°~25°、>25°,并且统计不同坡度级别下不同土地利用类型的面积。(3)收集和整理滇池流域的气象、土壤、水文、农业管理数据、坡度和土地利用数据,建立SWAT模型运行所需的基础数据库。结合GIS的水文分析功能划分子流域,运行SWAT模型。利用SWAT-CUP中的SUFI2算法对模型进行敏感性分析,找出对模型结果影响较大的敏感参数。根据昆明水文站和干海子水文站的实测水文数据对模型进行校准和验证。校准结果能够满足模型运行所需。(4)以2013年土地利用为基础,通过改变不同坡度级别下的土地利用方式设置4种土地利用情景。第一种情景将坡度大于25°的耕地设为林地,坡度在15°到25°的耕地设为草地,其他保持不变。模拟结果显示总氮(Total Nitrogen,TN)、总磷(Total Phosphorus,TP)的输出分别减少了30.21%和13.36%。第二种情景将所有坡度小于15°的裸地和草地设为耕地,其他保持不变,导致总氮和总磷的输出分别增加了50.38%和45.62%,增加较为明显。第三种情景将15°以上的草地以及15°到25°的林地设为耕地,结果导致流域内的总氮和总磷的输出负荷急剧增加,分别为89.2%和88.94%。第四种情景将15°以上的耕地和裸地全部转换为林地。模拟结果显示总氮和总磷有明显的减少,分别为34.79%和22.84%。以上结果表明林地和草地能够有效的减少总氮和总磷的输出负荷,而耕地会增加总氮和总磷的输出负荷,特别是坡度较大的地区这种趋势会更加明显。
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