乌江流域植被覆盖时空变化及对径流影响

作     者：胡鉴闻 

作者单位：华北水利水电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张运凤;郭文献

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 081501[工学-水文学及水资源] 0815[工学-水利工程] 

主      题：径流变化 植被变化 NDVI 归因分析 Budyko 乌江流域 残差趋势法 随机森林 

摘      要：植被是陆地生态系统中最基本的组成部分之一,它在连接大气、土地和水文等生态因素方面扮演着不可或缺的角色。近年来,由于气候的持续变化和人类活动的加剧,全球各地植被的生长受到了不同程度的影响,同时植被变化也深刻影响着河川径流。本文以环境脆弱的乌江流域为研究对象,基于1982-2020年水文气象观测资料及归一化植被指数NDVI等数据,运用统计分析、构建模型等方法对乌江流域植被覆盖时空变化及其对径流影响进行了全面的分析。论文主要研究内容和结果如下:(1)乌江流域植被变化及归因分析。研究主要采用Sen+Mann-Kendall方法、变异系数法、偏相关系数、地理探测器、改进的残差趋势法和Hurst指数法研究乌江流域植被的时空变化、与气候的相关性、空间驱动因子分析、归因分析和未来趋势等。结果表明:1982-2020年期间,乌江流域超过99.17%区域的植被呈现增长,平均增长率为0.00337/a,97.42%的区域植被发生显著改善,高速增长区域主要在西南高海拔地区,植被退化发生在约0.83%的地区;主要集中在大城市贵阳和遵义的周围。植被的不稳定性主要由退耕还林工程与城市化的快速扩张导致的。流域内温度和降水分布不均匀,与NDVI同时具有正和负的偏相关系数,温度对植被的影响远大于降水。人类活动是植被空间分布的主导因素,也在时空演变中发挥主要作用,人类活动对植被变化的相对贡献约为:76.98%,气候变化约为23.02%,降水为6.43%,气温为16.59%。90.22%的区域的植被在未来不可持续增长。(2)乌江流域水文情势演变特征分析。研究主要运用Mann-Kendall检验、小波分析法、水文变化指标(IHA)、环境流的组成、生物多样性指数SI,全面分析了乌江流域的径流变化。结果表明:1982-2020年期间,乌江年径流量呈下降趋势,在2004年出现突变。径流存在5年,8年和20年左右的周期,其中20年周期最为震荡,为第一主周期。在2004年突变后,流域综合水文变化程度为47%,达到中等变化,6月至8月三个月流量下降最为明显,但是1月、2月、4月和5月流量略有增加,高脉冲的频率和持续时间减少,低脉冲的数量增加了,大洪水不再发生,特枯流量发生次数减少、流量的变化范围显著变窄,生物多样性指数上升。(3)植被变化及各因子对径流的影响研究。研究运用了Budyko-Fu水热耦合模拟与随机森林模型,计算出NDVI等各因子对径流演变的贡献,再结合人类活动对植被的影响,计算出生态保护措施对径流改变的贡献。结果表明:在Budyko-Fu假设下,降水对径流改变的相对贡献率最大约为56.93%、潜在蒸发为12.07%、下垫面参数为31%,其中NDVI为11.66%。而在随机森林的模拟归因中,降水对径流相对贡献率为53.46%,其次是潜在蒸散发,贡献率为34.16%,NDVI对径流的贡献率为12.38%,综合讨论与验证,NDVI对径流的贡献率为12.02%,并计算生态保护措施对径流改变的贡献为:9.17%。