快速城市化背景下不透水表面格局与滇池流域水土流失的时空过程耦合效应研究

The past 30 years, the ecological environmental change impacted by impervious surface area(ISA) is a hot topic to urban ecological environmental change. In this area, soil erosion effects of ISA are an important field. Urban non-point source pollution which be produced by ISA has become one of the main reasons for the deterioration of water quality of Dianchi Lake. Soil erosion is the key carrier and way of non-point source pollutants. So, it is very necessary to research the soil erosion mechanism of ISA. Its purpose is to ease the contradiction between rapid urbanization and growing urban watershed non-point source pollution. Therefore, in this research proposal, taking the “pattern-process-effect” as theoretical framework, we study the shape, size, quantity, distribution and spatial combination, association and other features of ISA and build quantifiable ISA pattern index in Dianchi Lake Basin, rebuild the runoff yield model and sediment yield model by taking ISA as the main factors, explore the interrelationship and mechanism of ISA and soil erosion based on the view of dynamic changes from two dimensions which are number and space, reveal the formation process and response mode of soil erosion with the ISA change. Through those researches above all, it is hopeful to provide the scientific theoretical supports and scientific guidance for regional sustainable development.

近30年来，快速城市化背景下不透水表面（ISA）导致的生态环境变化已经成为当前城市生态环境研究的热点问题，而ISA的水土流失效应是其中的重要方向之一。滇池流域城市化过程中ISA带来的城市非点源污染已经成为滇池水质恶化的主要原因之一，而水土流失是非点源污染物的主要载体和重要途径。因此急需研究ISA对水土流失的作用机制，从而缓解流域快速城市化与日趋严重的城市非点源污染之间的矛盾。为此，本研究基于流域尺度，以滇池流域为研究对象，以“格局—过程—效应”为理论框架，从ISA空间格局及过程演变出发，基于ISA的形状、大小、数量、分布及空间组合、关联等特征构建可量化的ISA格局指数和ISA变化的产流模型、产沙模型，从数量和空间两个变化维度以动态的观点探索ISA与水土流失之间的相互联系与作用机制，揭示ISA变化下的水土流失形成过程与响应模式，为区域可持续发展提供理论依据和科学指导。

项目以滇池流域为研究区，基于“格局—过程—效应”理论，在探索不透水表面格局演变规律的基础上，构建径流模型、土壤侵蚀模型模拟近15年来滇池流域径流量、径流深及土壤流失量的变化，制作变化图谱。然后，将ISA格局指数与水土流失进行相关性分析，探索不透水表面的格局演变与水土流失的相互作用机理，揭示不透水表面变化下的水土流失演变过程与响应模式。项目取得了以下几个方面的研究成果：.（1）将GIS技术与SCS-CN径流模型集成，得到流域径流深时空演变系列图谱，通过分析径流深的变化发现，发现其值的大小与降雨量关系密切，枯水年值偏低，丰水年值偏高；空间上，总体上呈北高南低分布状态。将GIS技术与USLE土壤侵蚀模型集成，得到流域土壤侵蚀强度时空演变系列图谱，结果显示：流域土壤侵蚀总体较弱，近15年侵蚀面积在18%~28%之间变化，并随时间发展侵蚀面积在逐渐减小；空间分布上，侵蚀主要发生在盆地四周的山区，总体上流域北端的嵩明县部分侵蚀相对较集中，其余均为散点状分布。.（2）ISA格局演变与地表径流相关性分析结果显示：ISA覆盖度、平均斑块面积、斑块边缘密度与径流之间存在明显的相关关系，其余斑块数、斑块总边缘长度、斑块平均形态指数等指标与径流之间均不相关，其中ISA覆盖度、平均斑块面积与径流之间为正相关，斑块边缘密度与径流之间为负相关，这说明ISA的数量与空间分布形态对径流有着非常显著的影响，ISA的面积越大、相互之间距离越近则产流越大，反之则越小。径流深与ISA占比、降雨量，径流量与ISA面积之间进行曲线拟合后结果显示满足直线方程关系，且拟合的R2均在0.85之上，进一步证明它们之间具有非常高的相关度。.（3）ISA格局演变与土壤侵蚀量相关性分析结果显示：ISA覆盖度增大时，侵蚀面积、侵蚀量均在减小；ISA斑块数和总边缘长度增加时轻度侵蚀面积在减少而中度侵蚀面积在增加，平均侵蚀量值增大。.项目的研究成果有助于从城市发展的角度探索土壤侵蚀的防止措施，为从源头防治水污染提供新思路。