城镇群扩展下流域水循环要素多时空尺度演变规律及驱动机制

The change in hydrological processes under changing environment has become a hotspot issue in the field of urban hydrology in the 21st century. The study intends to select Qinhuai River Basin，a tributary of the low reach of the Yangtze River as study area, to analyze the variation and mechanism of water balance elements caused by urbanization using a variety of techniques such as remote sensing, geographic information systems, statistical analysis, and hydrological models..The study will characterize the spatial and temporal pattern of urbanization, simulate hydrological processes by developing distributed hydrological model with time variant parameterization strategy, detect the gradual and abrupt changes in hydrological elements such as precipitation, evapotranspiration and runoff based on trend analysis and change detection methods, quantify the contributions of cities and towns to the changes of these elements by use of water balance equation and regression analysis, analyze the effects of urbanization on hydrological changes at different temporal scales (years, season, month, day) and spatial scales (basin, sub-basin), explore the correlation of hydrological responses among different spatial and temporal scales, identify threshold of impervious area beyond which the hydrological elements will change dramatically, and revel the mechanism of hydrological responses to the conversions of different land uses to impervious area..The results of the study will deepen the understanding of hydrological processes under changing environment, and provide method for simulating and evaluating the impact of urbanization on water balance, as well as provide a reference for urban planning and low impact development under changing environment.

变化环境下的水文过程研究是21世纪水科学研究的热点。本研究以长江下游的支流秦淮河流域为研究区，采用遥感、地理信息系统、统计分析以及水文模型等多种技术与方法，开展流域尺度城镇群扩展的水循环要素变异及机理研究。通过解译多时相的遥感数据，分析流域城镇群扩展过程及演化时空特征。构建该流域的分布式水文模型及采用变参策略，模拟子流域及整个流域近30年的水循环过程。利用趋势检验方法、突变检测、水量平衡方程以及多元回归方程和分布式水文模型，甄别流域水循环要素的变化特征，分离城市和乡镇对水循环要素变异的贡献率，探讨城镇化对水循环要素多时间尺度（年、季节、月、日）和空间尺度（子流域、流域）影响的时空尺度效应，分析不同土地利用转化为不透水面的水文效应以及阈值。从机理上深化对变化环境下水文过程的认识，为定量研究人类活动对水循环过程的影响提供技术方法，为我国进行海绵城市的建设和规划提供科学依据和建议。

中小城镇建设将作为我国经济发展的重要增长点，这必将形成区域范围或流域范围的城镇群。城市化的水文效应已由点（局部）发展到面（整个流域），流域范围的水循环情势将不可避免的被改变。因此，本课题以较大流域（秦淮河流域）为研究对象，分析城市化过程中城区、县城以及乡镇不透水面的变化特征，揭示这种变化对流域不同时空尺度的水循环要素的影响，探寻城镇化影响的阈值，并提出减轻影响的相应对策。初步得到以下成果：（1）成功构建秦淮河流域水文模型。建立瞬时单位线参数与子流域面积及不透水率之间的关系，模型率定期和验证期的平均Nash系数提升到90%和84%；同时提出流域城市化洪水模拟的新集成建模方法，该方法在洪水模拟中显示出令人满意的性能；（2）提出秦淮河流域不透水面时空序列提取方法NSTF。该方法能从秦淮河流域（QRB）的多时相陆地卫星图像中获取不透水表面的连续变化信息，初步结果表明，最终分类的总体准确率约为 95%，kappa 系数介于 0.9 和 0.96 之间；（3）流域不透水面景观扩展时空特征明显。不透水面占比从1988年的3.09%增至2017年的26.49%；在不同的景观扩展类型中，边缘扩展平均占 73%，大大超过了外围（12%）和填充（15%）。（4）不透水面扩张对流域洪水产生显著影响。不透水面增加使子流域的汇流速度加快，瞬时单位线的洪峰流量显著增加，峰现时间也大大缩短；相比于大规模洪水，中、小洪水对不透水面增加的响应更为敏感；（5）流域径流多时间尺度变化特征规律明显。不同时间尺度下径流序列变化特征不同，其中年径流序列增加趋势显著，并在2001年发生突变；（6）水文模型能较好地预测出流域总出口的洪水过程：考虑不透水面对子流域汇流过程的影响，率定得到的模型参数能够较好地预测出流域总出口的洪水过程，预测结果的平均Nash效率系数为85%。