Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| DOI | 10.27409/d.cnki.gxbnu.2021.001619 |
| 阿克苏河流域水土资源优化配置及种植结构空间格局优化 | |
| 王志东 | |
| 出版年 | 2021 |
| 学位类型 | 硕士 |
| 学位授予单位 | 西北农林科技大学 |
| 中文摘要 | 水土资源是人类赖以生存发展的基础性资源,尤其在干旱绿洲区,水土资源的重要性更加明显。阿克苏河流域是我国西北典型的内陆河绿洲区,近年来,随着气候变化和人类活动的影响,阿克苏河流域出现了水资源短缺、地下水位下降、生态环境破坏等一系列问题。因此,如何在气候变化背景下,以保护生态为前提,实现流域水土资源的合理分配是当前亟需解决的问题。同时,阿克苏河流域作为典型的绿洲农业区,农业用水量占比达80%以上,准确获取流域作物种植结构,实现流域农业用水及种植结构的空间格局优化是流域水土资源配置问题中的重点。本文在总结分析国内外研究进展的基础上,首先基于Can ESM2模式采用SDSM方法进行降尺度,预测了流域未来主要气象因子的时空变化规律,然后分别采用作物系数法和神经网络模型预测计算流域未来的需水量和供水量;之后构建了不同情景下同时考虑经济-社会-生态的多目标优化模型,实现了气候变化下流域水土资源的优化配置。同时,以国产GF-1数据为基础,构建不同作物多时相NDVI变化曲线,结合实地调研数据,采用监督分类方法,获取了流域绿洲区当前的种植结构,以此为基础,分析了当前绿洲区农业需水量的空间分布。构建了多目标作物种植结构空间格局优化模型,实现了阿克苏河流域作物种植结构数量和空间布局的双重优化。本文主要的结论如下:(1)基于气候变化模拟分析了阿克苏河流域不同气候情景下的需水量和供水量的变化。阿克苏河流域在未来气候情景下气候变化主要表现为气温升高和降雨减少,RCP8.5情景下气象因子的变化幅度大于RCP4.5情景。未来气候情景下,阿克苏河流域ET_0在RCP4.5和RCP8.5两种情景下分别以10.02 mm/10a和16.65 mm/10a的速度增加。ET_0的增加将导致流域植被需水量增加,随着节水灌溉技术的进步,流域不同土地类型单位面积需水量增速将有所缓和。同时,温度升高加速了流域北部山区冰川的融化速度,2050年以前两种气候情景下的地表径流呈上升趋势。在缩减地下水开采量的基础上,流域水资源可利用量在2050年以前,依然会有略微增加,RCP8.5情景下的增加量大于RCP4.5。(2)基于多目标水土资源优化模型实现了阿克苏河流域保护生态背景下不同情景水土资源优化配置方案。目前,在满足生态用水的前提下,流域缺水量为7.61×10~8 m~3。为满足当前情况下流域供需水平衡,流域应减少耕地面积以减少相应的农业用水,通过多目标模型求解及解集优选,当前配置下应减少耕地950.7 km~2,主要在阿瓦提县、阿克苏市、阿拉尔市等单位面积耕地需水量高的地区,占耕地总量的17%左右。考虑到流域生态保护,中期规划年和远期规划年流域林地和水域面积持续增加。同时,随着节水技术的进步,到2050年,在保证耕地面积不小于4500 km~2的前提下,阿克苏河可以为下游塔里木河提供更多的生态恢复用水。(3)基于多时相GF-1、气象及灌溉数据,分析了阿克苏河流域绿洲区作物种植结构及需水量的空间分布。多时相NDVI序列下,监督分类中最大似然法分类结果最优,总体精度达93.08%,Kappa系数达0.913。监督分类结果显示粮食作物(水稻、玉米、小麦)主要分布在流域上游的乌什县和温宿县;经济作物棉花主要分布在阿克苏市、阿拉尔市及农一师的部分农场;果树主要分布在阿克苏市和阿瓦提县。由于气候和作物种植结构影响,流域作物需水量和灌水量时空分布存在较大差异,时间上,春夏季需水量占全年需水量70%左右;空间上,温宿县附近流域需水量和灌水量明显高于其它地区。另外,同种作物需水量在不同区域也存在差异,如棉花年需水量在509.5～553.3 mm之间,不同地区需水差异达43.8 mm。(4)基于多目标作物种植结构空间优化模型,提出了流域种植结构空间格局优化方法。以种植效益,流域月均NDVI总和,种植结构转化成本为目标的多目标空间格局优化模型可以在“压井缩田,退耕还林”的前提下实现阿克苏河流域种植结构的空间格局优化。对比不同算法对空间多目标模型的求解结果,MOPSO算法表现最优。通过优化,耕地面积减少18%左右,与前章水土资源优化结果相似。耕地减少主要在农一师1团2团及阿克苏市西部地区。综上,流域未来气候变化主要表现为气温升高和降雨减少,气候变化将使水资源供需发生变化,不同情景下的多目标水土资源优化模型可以在生态保护的前提下实现经济-社会-生态最优;高分辨率卫星数据可以实现流域复杂种植结构的提取,以此为基础构建的多目标种植结构空间格局优化模型可以在保证粮食自给量的前提下实现作物种植数量和空间布局的双重优化。 |
| 中文关键词 | 水土资源配置 ; 气候变化 ; 供需水变化 ; 多目标模型 ; 遥感分类 ; 空间优化 |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 中图法分类号 | S31;F326.1;F323.2 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/373250 |
| 作者单位 | 西北农林科技大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王志东. 阿克苏河流域水土资源优化配置及种植结构空间格局优化[D]. 西北农林科技大学,2021. |
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