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王快水库作为白洋淀重要的补水水源之一,近几十年来,王快水库入库流量逐渐减少,除降雨、气温等气候变化因素外,人类活动导致的土地利用变化也是影响该区域水资源的重要因素。分析王快水库流域水文过程对土地利用格局变化的响应机制,可为王快水库流域合理构建土地利用格局、保障水资源可持续利用提供重要科学依据。本文以王快水库流域为研究区,基于1980年、2005年、2010年三期土地利用数据,利用ArcGIS10.3和Frgstats4.2软件计算土地利用转移矩阵以及景观格局指数,分析王快水库流域各土地利用类型面积、格局的时空变化特征;应用SWAT模型建立适用于王快水库流域的分布式水文模型,模拟分析土地利用以及景观格局变化对王快水库流域径流时空分布、径流系数、年径流变差系数、年涵养指数的影响;采用相关分析、冗余分析(RDA)定量分析土地利用格局与径流之间的关联关系。本文主要内容及结果如下:(1)基于1980、2005、2010年王快水库流域土地利用数据,林地和草地是王快水库流域的主要土地利用类型,二者之和占流域总面积的90%以上。1980-2005年王快水库流域综合土地利用动态度(LC)为0.01%,2005-2010年综合土地利用动态度(LC)为6.29%。基于土地利用转移矩阵,2005-2010年,林地面积增加了 2029.24 km2,主要来源于草地(1889.99 km2)和农业用地(114.17 km2)的转入。(2)利用Frgstats4.2软件从景观和斑块类型水平上计算1980、2005、2010年3期景观格局指数。在景观水平上,王快水库流域的NP、PD、LSI、CONTAG增加,表明流域的破碎化程度在加深,景观的形状总体趋于复杂化;SHDI和SHEI的逐渐降低,则表明土地利用类型的逐渐单一,景观异质性较低。斑块类型水平上,2005年之后,草地的破碎化程度加深,斑块形状复杂程度增加;林地的破碎化程度减弱,优势度大幅增加,斑块形状趋于简单化。(3)根据王快水库1986-2018年实测径流数据分析,年径流量随时间呈波动下降趋势,并且王快水库月径流量年内分布不平衡,主要集中于7-9月份,通过M-K突变检验以及周期性分析,王快水库年径流量的突变点为1994年以及1997年;存在2-11年时间尺度周期,以7年左右周期震荡最为强烈。根据王快水库流域DEM、土地利用数据、土壤类型数据以及降雨气温等气象数据建立空间数据库和属性数据库,划分23个子流域和81个水文响应单元,完成SWAT模型的初步建立。应用SWAT-CUP软件进行参数率定,识别出12个敏感性参数。模型验证期R2和Ens的值为0.79和0.78,说明SWAT模型模拟结果与实测值基本吻合,在王快水库流域具有较好的适用性。(4)根据情景模拟方法,设置3种土地利用情景:历史土地利用情景、自然发展土地利用情景、极端土地利用情景。历史土地利用情景下(1980、2005、2010年土地利用情景),径流量随时间均呈下降趋势。在1980年和2005年土地利用情景下多年平均径流量减少了 0.029亿m3;在2010年土地利用情景下,与2005年土地利用情景相比,多年平均径流量减少了 0.51亿m3,空间上,除子流域2年均径流量增加,其余子流域年均径流量均减少。应用CA-Markov模型预测2025年土地利用情景,作为自然发展土地利用情景。应用SWAT模型模拟2025年土地利用情景以及极端土地利用情景(S1:以农业用地为主,S2:以林地为主,S3:以草地为主)下王快水库流域年径流量、径流系数、年径流变差系数、年涵养指数的响应情况。结果表明:与2010年土地利用情景相比,自然发展与极端土地利用情景下,多年平均年、月径流量、径流系数、年径流变差系数变化规律一致,均为S1情景>S3情景>2010年情景>2025年情景>S2情景;涵养指数为S2情景>2025年情景>2010年情景>S3情景>S1情景。(5)基于相关性分析以及冗余分析(RDA),识别土地利用格局变化与径流的关联关系。结果表明:林地、草地与径流呈显著负相关。景观水平上,斑块密度(PD)、斑块数量(NP)与径流量、径流系数呈显著负相关;蔓延度(CONTAG)与径流量以及径流系数呈显著正相关。斑块类型水平下,农业用地的最大斑块指数(LPI)与径流量呈正相关,斑块数量(NP)、边界密度(ED)、散布与并列指数(IJI)、形状指数(LSI)与径流量、径流系数均呈负相关,但相关性均不显著。林地以及草地的斑块数量(NP)、最大斑块指数(LPI)、形状指数(LSI)、边界密度(ED)、散布与并列指数(IJI)与径流量、径流系数呈负相关。由于农业用地、人工表面所占比例较小,因此林地成片增加,斑块所占景观面积越来越大,形状趋向单一化,是王快水库流域径流减少的主要原因。