马颊河流域环境变化对水文过程影响研究.doc

1、 SHANDONG 毕业论文 马颊河流域环境变化对水文过程影响研究 学 院： 专 业： 学生姓名 ： 学 号： 指导教师： 2013 年 6 月 摘要 I 摘要 植被是生态环境的重要组成要素，它在 涵养水源、调节径流等方面具有重要作用。 本文以德州市李家岸灌区马颊河流域为研究对象，选取马颊河流域 2002年、 2009 年同期的 2 景 TM 遥感影像，基于归一化植被指数 NDVI，提取出植被覆盖等级图，对流域近 10 年植被盖度变化进行了研究；分析流域水文过程的变化；研究流域植被盖度变化与水文过程的关系，主要研究结论如下： 1.李家岸灌区马颊河流域近十年来植被盖度变化明显。低盖度面积大幅减少

2、，所占面积比例由 2002 年的 19.3%减少到 2008 年的 7.22% 。高盖度面积比例大幅增加，由 32.71%增加到 82.08%。植被覆盖得到大幅改善。 2. 植被盖 度变化与降水量间存在较好的相关性，中低以下植被盖度与降水量存在负相关。中、高盖度与降水量之间存在正相关。随着植被盖度的增加，该区降水量会有一定的增加。 3.降水量与径流量之间存在较好的相关性，随着降雨量的增加，河流径流量会相应的有所增加；植被减少年径流量，提高植被盖度能减少径流，使更多的水保存下来。 本研究表明，增加流域植被盖度能够增加流域降水量，减少径流量，防止水土流失提高地区涵养水源的能力，有效缓解流域水资源短

3、缺问题。 关键词： 植被覆盖度；遥感影像； NDVI；李家岸灌区；涵养水源 Abstract II Abstract Vegetation is an important component of the ecological environment, which plays an important role in water conservation, runoff regulation etc. This paper takes Dezhou city Lijiaan irrigation Majia River Basin as the research object, 2 TM re

4、mote sensing image selection Majia River Basin in 2002, the same period of 2009, the normalized difference vegetation index based on NDVI, to extract vegetation coverage grade map, the vegetation cover change in the past 10 years basin is studied; analysis of the change of hydrological process of wa

5、tershed vegetation coverage changes the relationship between basin and hydrological process research, the main conclusions are as follows: 1. Lijiaan irrigation Majia River Basin in recent ten years of vegetation coverage changes. Low coverage area is substantially reduced, the proportion decreased

6、from 19.3% in 2002 to 7.22% in 2008. The proportion of high coverage area increased significantly, increasing from 32.71% to 82.08%. The vegetation coverage has been greatly improved 2. Changes in vegetation cover and precipitation there is a good correlation between the medium and low vegetation co

7、ver less negatively correlated with precipitation. Medium, high coverage and a positive correlation between precipitation. As the vegetation cover increases, there will be some increase in precipitation area 3. 3. There is a good correlation between the precipitation and runoff, along with the incre

8、ase of rainfall, river runoff will be increased; the reduction of the vegetation cover of annual runoff, increasing vegetation coverage can reduce runoff, so that more water preserved. This study shows that, increase in vegetation coverage can increase precipitation, reduce runoff, prevent soil eros

9、ion and improve the ability of regional water conservation, effectively alleviate the problem of shortage of water resources in river basin. Keywords: vegetation cover; remote sensing image; NDVI; Lijiaan irrigation area; water conservation 目录 III 目录 摘要 . 1 Abstract.II 目录 . III 第一章绪论 . 1 1.1 本文研究意义及

10、目的 . 1 1.2 国内外研究进展 . 1 1.3 主要研究内容 . 3 1.4 技术路线图 . 4 第二章研究区概况及主要研究方法 . 5 2.1 研究区概况 . 5 2.1.1 李家岸灌区基本情况 . 5 2.1.2 李家岸灌区地理位置与社会经济概况 . 5 2.1.3 李家岸灌区水文气象 . 6 2.1.4 李家岸灌区地形、地貌、地质 . 6 2.1.5 李家岸灌区土地资源 . 7 2.2 基本研究方法 . 7 2.3 数据来源及处理 . 7 2.3.1 数据来源 . 7 2 3 2 数据预处理 . 8 2.4 植被指数及其选择 . 8 2.4.1 植被指数定义 . 8 2.4.2 常

11、见植被指数 . 9 2.4.3 选择 NDVI 原因分析 . 9 第三章马颊河流域植被盖度研究 . 11 3.1 研究区 NDVI 提取 . 11 3.1.1 经纬度和大地坐标之间的转换 . 11 3.1.2 用 ENVI 裁剪 TM 影像 .12 3.1.3 用 ENVI 计算 NDVI .14 3.2 植被覆盖度遥感估算模型 .17 3.2.1 像元二分模型 .17 3.2.2 利用 NDVI 估算植被覆盖度 .17 3.2.3 遥感数据处理 .18 3.2.4 植被盖度计算 .18 3.2.5 植被盖度分级 .18 3.2.6 用 ENVI 生成植被覆盖图 .19 3.3 研究区植被盖度

12、分析 .21 3.3.1 不同时期植被盖度变化 .21 3.3.2 植被盖度变化影响因素分析 .22 3.3.2.1 自然气候因素 .22 3.4.2.2 人为社会因素 .22 第四章马颊河流域植被盖度与降雨、径流关系分析 .23 4.1 马颊河流域降雨量分析 .23 目录 IV 4.2 马颊河流域径流量分析 .24 第五章结论 .26 5.1 结论 .26 5.2 展望 .26 参考文献 .28 致谢 .31 第一章绪 论 1 第一章绪论 1.1 本文研究意义及目的 植被在地球占有很大的比例，陆地表面的植被常是遥感观测和记录的第一表层，是遥感图像反应的最直接的信息，也是人们研究的主要对象。植

13、被指数可以反映植被信息，利用遥感影像提取植被指数是获取植被信息的主要途径，利用植被指数估算植被覆盖度可以定量的了解研究区的植被覆盖情况，利用植被指数估算植被覆盖度主要是基于像元二分模型。植被盖度是指一定面积的地块上植被（绿色部分）的垂直投影面积占该地块总面积的比例。归一化植被指数 NDVl是植物生长状态和植被 空间分布的指示因子，与地表植被的覆盖率成正比， NDVI值越大，表明地表植被覆盖越高，植被长势越好。 植被是影响生态系统中水分循环的重要因素，不同的植被类型、数量及空间格局对水分循环过程的影响也不同， 植被与水的关系不仅受植被系统本身的影响，还受到降雨特征、土壤、地质地形等因素影响，揭示

14、植被盖度变化对流域水文过程的影响，将为不同地区植被变化对区域水调节作用提供重要信息， 缓解流域水资源短缺问题提供科学参考 黄河流域主要位于我国的干旱半干旱地区，生态环境较为脆弱，是我国水土保持的重点区域。近年来，气候环境变化和人类 活动不断地影响着黄河流域的植被状况，对当地的可持续发展产生巨大影响。植被变化对水文过程的影响将会改变水量平衡的各个环节 ,影响植被的水分状况和河川径流 ,进而对区域 (流域 )生态系统及其环境产生重要作用。 本文以黄河冲积平原区德州市李家岸灌区马颊河流域为研究对象，对流域2000 年到 2009 年植被盖度变化进行了研究：结合该李家岸灌区马颊河流域 2000年到 2

15、009 年降雨量、马颊河径流量探讨植被盖度变化对流域水文过程的影响。为缓解当地水资源短缺，改善生态环境提供理论和技术支持。 1.2 国内外研究进展 植被覆盖是主要的地 球生态系统指标，大区域范围植被覆盖变化体现了自然和人类活动对生态环境的作用。对于植被覆盖信息的提取，传统方法大多依据地面样方来估算植被覆盖度。由于植被覆盖具有显著的时空分异特点，依靠传统方第一章绪 论 2 法花费巨大的人力、财力，但精度不高，不利于大范围、多时相的植被覆盖信息的提取。近几十年来，尤其是近 2O 年来，随着对地观测系统技术的不断成熟，利用遥感数据进行植被监测和土地覆被变化的研究日益增多。其中，具有时间分辨率高、价格

16、低廉且全球覆盖的美国陆地卫星 Landsat TM5 数据在全球及大尺度植被覆盖变化的研究中显示出其优势。 在利用遥感影像构造的各类植被指数中，归一化植被指数 (Normalized Difference Vegetation Index，简称 NDVI)应用最为广泛。由于 NDVI 与植被覆 盖度、植被绿度、植被生产力等具有很好的线性关系 ,国内外学者在利用 NDVI估算植被盖度变化方面做了大量研究。 Tucker 等利用遥感数据对非洲大陆的干旱与沙漠化等植被覆盖变化进行了监测 1。陈云浩等利用遥感数据研究了中国1989 1999 年 NDVI 的变化规律 2。史培军等利用 3 个时相的 L

17、andsat TM5 数据计算了北京地区植 被覆盖度，并着重对其景观变化过程进行了分析 3。杨胜天、刘昌明等利用近 2O a 的遥感数据对黄河流域的植被覆盖变化进行了分析，并评估了黄河流域近 20 a 来的生态保护工作成效 6。李道峰等基于 NOAA Pathfinder AVHRR 遥感影像的 NDVI 数据，对黄河流域地表植被覆盖进行了综合分类 7。孙睿等、杨胜天等利用 8km 分辨率 NOAA-NDVI 数据，对黄河流域 1982 1999 年地表植被覆盖时空分布进行了分析，结果发现近 20 年来黄河流域平均植被覆盖度有增加趋势 7-8。刘绿柳等利用 1982 1999 年的 NOAA

18、Pathfinder AVHRR 陆地数据集 ,分析了黄河流域在流域与栅格两种尺度下 NDVI与降水、温度的相互关系 9。Ya n g 等利用 SPOT-VGT 数据研究了江河源区 NDVI 时空变化及其与气候因子的关系 10。 Ya n g 等利用 NOAA-AVHRR 遥感影像研究了 1982 2001 年长江和黄河源区的高山植被时空变化 11。陈芳通过 NDVI 研究黄土丘陵沟壑区退耕还林还草监测及效果评价 12丁建丽以策勒县作为研究区，研究了基于 NDVI 的荒漠绿洲植被生态景观格局变化 13。， 王宏等研究了中国北方温带草原植被盖度变化，利用基于遥感数据和降水量的线性分解模型来估测不

19、同植被类型盖度 14。 水循环是森林生态系统物质传输的主要过程，在森林植被与生态环境相互作用和相互影响中，水文过程是最为重要的方面之一，同时，森林植被又是影响生态系统中水分循环的重要因素，不同的植被类型、数量及空间格局对水分循环过程的影响也不同。在国内，森林与径流关系的研究从 20 世纪 80 年代初黄秉维先生提出关于“森林的作用”的大讨论以来得到了较大的重视，森林与水的关系问题成为水文研究的中心议题之一，而森林与水的关系不仅 受森林系统本身的影响，还受到降雨特征、土壤、地质地形等因素影响，因此增加了定量描述森林流第一章绪 论 3 域径流形成机制和水文响应模式的难度 15。目前国际上研究的初步

20、结沦是：森林覆盖度减少可以不同程度地增加流域的产水量，造林则导致流域水量降低，而森林植被变化对流域产水量的影响却大相径庭 16 关于森林的存在能否提高流域的径流量，国内外学术界长期有争论。一种观点认为森林对年径流量影响不大 (匈牙利 )，另一种观点则认为森林增加年径流量(前苏联 )，还有人认为森林减少年径流量 (日本、美国、德国 )17。在美国有人对95 个流域试 验进行了系统的总结，得出流域的产流量随着森林采伐量增加而增加。关于森林对河川流量的影响，前苏联 B N Molscev 认为森林对流域年产流量无明显影响，中等森林覆盖率对年产水量增加 10，河川流量约递增 19mm年。日本和德国的研

21、究表明森林采伐可增加径流。美国许多学者认为 10km2面积的集水区 (流域 )森林的存在会减少年径流量，采伐森林可使年径流量有一定程度的增加，而 100 1000km2面积集水区的年径流量随着森林覆盖率的增加而增加。在国内，刘世荣等对我国有关森林水文效应的研究做了比较全面的总结和对比，从地跨 我国寒温带、温带、亚热带、热带的小集水区实验以及黄河流域、长江流域等较大集水区的研究结果来看，多数结论认为森林覆盖率的减少会不同程度地增加河川年径流量 18。但同时也存在另一种相反的结论，四川省西部米亚罗高山林区、岷江上游冷杉林集水区内 19、祁连山北坡后山地带 20的研究表明， 森林存在会增加河川径流量

22、。这是由于长江上游地区山高谷深，气候湿润，林地总蒸发量较小，降雨强度不大。因此，大面积的森林流域的年径流量常常大于少林或无林流域的径流量。本文在前者研究的基础上扩大研究范围探讨植被变化对李家岸灌区马颊 河流域径流量及降雨量的影响。 1.3 主要研究内容 本文以黄河冲积平原区德州市李家岸灌区马颊河流域为研究对象，以植被变化为切入点 ,研究该流域植被变化的趋势，探讨植被覆盖变化对该区水文过程的影响，为缓解该区水资源短缺有效利用水资源以及生态环境恢复治理提供理论参考和科学依据。主要内容有： 1 选取 2002 年、 2009 年 2 个时段的夏季的 TM 影像，根据植被归一化指数估算出马颊河流域植被

23、盖度，分析流域植被变化的趋势。 2 收集 2000 2009 年马颊河径流量、李家岸灌区马颊河流域降雨量 ，分析近年流域水文变化 第一章绪 论 4 3 探讨不 同植被覆盖变化对李家岸灌区马颊河流水文过程的影响 1.4 技术路线图 图 1-1 技术路线图 收集资料 多年水文资料 下载 TM 遥感影像 图像修正 确定边界区域 分析降雨量 分析径流量 利用 ENVI 裁剪 TM图片 分析降雨量与径流量之间的关系 NDVI 分布图 植被盖度分级 利用 ArcGIS 输出植被盖度图 分析植被盖度变化对水文的影响 第二章研究区概况及主要研究方法 5 第二章研究区概况及主要研究方法 2.1 研究区概况 2.

24、1.1 李家岸灌区基本情况 李家岸引黄灌区是山东省第三大灌区， ,位于鲁北平原德州市的东部 ,控制土地总面积 3648.6 km2，设计灌溉面积 21.43 万 hm2，灌区自 1970 年始建 ,1971年建成一级沉沙池和徒骇河以南的总干渠 ,并开始引水 ,1972 年正式引水灌溉。以后陆续建成跨徒骇河的宫家渡槽、二级沉沙池 ,徒骇河以北总干渠、部分干渠、分干等。 2.1.2 李家岸灌区地理位置与社会经济概况 李家岸灌区位于德州市东部 ,南起黄河 ,西界为潘庄灌区 ,东以济南市和滨州市为界 ,北到漳卫新河。包括齐河、临邑、陵县、乐陵、庆云、宁津 6 个全部或部分县 (市 ),共 43个乡镇、

25、 4个办事处 ,控制土地总面积 3648.6km2,灌溉面积321.5 万亩 ,李家岸灌区是鲁北主要的粮棉生产基地 ,在德州市国民经济和社会发展中占据十分重要地位 ,农作物以小麦、玉米、棉花为主。灌区地理位置十分优越 ,南邻省会济南 ,北靠京津塘经济区 ,东接胜利油田 ,西通石家庄太原 ,是山东的北大门 ,也是华东与华北各省经济联系的窗口。灌区处于东部大开放和西部大开发的连接带 ,有利于发展外向型经济。区内交通十分便利 ,铁路、公路四通八达 ,京沪济邯铁路斜穿本区 ,济盐公路、 104 国道、德乐公路、京福高速穿中而过。灌区内的自然资源丰富 ,临邑县的临盘一带石油储量十分丰富 ,正在积 图 2-1 研究区区域位置图