济南泉区是中国发展最快、缺水最严重的地区之一。由于城市的快速扩张，地下水补给受到土地利用/覆盖变化的极大影响。为了更好地了解1960年至2015年地下水补给如何受到土地利用变化的影响，使用Pearson III分布选择了正常年份，包括1985年、2000年和2015年。利用专题制图器图像对正常年份的土地覆盖类型进行了分类，利用城市扩张模型和水文模型的松散耦合来量化土地利用变化的变化对地下水补给的影响。
本研究的主要目的是评估土地利用变化对研究区域地下水补给的影响。（1）根据1960年至2015年的降水数据，使用Pearson III分布确定正常年份。（2）根据对卫星图像的解释，编制了正常年份的土地覆盖图，使用过渡矩阵来揭示研究区域内土地利用的变化。（3）应用CA–Markov模型预测研究区域2030年的土地覆盖变化。（4）利用WetSpass模型计算研究区的地下水补给量。
研究区位于中国济南市，面积约4608平方公里。总体地形南高北低，海拔0.40–1167.90m，属典型的暖温带、半湿润、大陆性季风气候，四季分明。年平均气温为13.8°C，年平均风速为3.2m/s，年平均降水量为673mm，70%的年降水量落在6月至9月，地下水类型主要为岩溶水，地下水主要通过降水入渗补给。
遥感图像的选择和处理
为消除降水影响，选择年降水量正常的遥感影像，利用Pearson III分布选择了以下正常年份：1969年、1972年、1974年、1980年、1982年、1984年、1985年、1997年、2000年、2006年、2008年、2009年、2011年、2013年和2015年。结合实地调查的结果，我们将土地覆盖分为五类：建成区土地、耕地、混合林、裸露土壤/岩石和水体。
CA–Markov模型
CA–Markov模型可以表示如下：
运用Markov模型生成转移概率矩阵，来确定土地覆盖类型的转换数量，并预测土地利用类别的未来空间分布，计算如下：
预测土地利用变化的Markov模型在数学上由该方程表示：
将1985年和2000年土地利用类型的栅格数据被输入到CA–Markov模型中，以模拟2015年的土地利用类型，并用Kappa指数来评估观测的2015年和模拟的2015年土地利用数据集之间的一致性，结果表明两个数据集具有非常好的一致性。
WetSpass模型
WetSpass模型可用于估计作为降水、土壤质地、坡度、土地利用、地下水深度和气象条件函数的空间分布地下水补给。该模型基于流动关系：
WetSpass模型使用2000年的基本流量数据进行了校准，使用试错法进行校准，直到模型与观测结果产生良好的拟合，并用决定系数（R²）用于评估模拟数据和观测数据之间的一致性：
模型输入数据准备
WetSpass模型需要土地覆盖、地形、坡度、土壤类型、地下水深度和气象变量的空间分布输入数据。获得了济南市10个气象站1985年、2000年和2015年的气象数据（中国气象数据共享服务系统），2030年的气象数据用长期平均年值取代，以反映研究地区气候变化的总体趋势。模拟时间分为冬季（10月至次年3月）和夏季（4月至9月）。
土地覆盖类型的时空变化和预测
土地覆盖分类结果及其比例如下所示。研究区域内的建成区土地面积一直在增加。建筑用地面积的增加将不可避免地导致不透水和弱透水地面面积的增加。因此，在过去的30年里，城市化对研究区域内补给区的影响越来越明显。耕地面积和水体面积一直在减少。1985-2000年，混合林面积变化不大，裸露土壤/岩石面积有所减少；2000-2015年，混合林迅速减少，裸露土壤/岩石有所增加。
土地覆盖类型预测
2015年预测的土地利用类型如图a所示。kappa指数计算为0.82，表明模型准确性是足够的。2030年预测的土地利用类型如图b所示。从2015年到2030年，土地使用类型的变化沿2000年到2015年的趋势长期存在。
WetSpass模型校准和验证
将测量站的累积地下水补给与2000年观测的基本流量进行比较（图a），模型结果与观测值接近，表明模型的标定参数是真实的，可以准确模拟济南泉区的地下水补给。
为了验证校准后WetSpass模型的性能，将模拟值与2015年基本流量的观测值进行了比较（图b），模拟值与实测值一致，这表明测量值与模型模拟值之间的一致性在可接受的范围内。
WetSpass模型结果
根据WetSpass模型计算的正常年份的年地下水补给量，可以得出：降水量大、地形平缓、土壤透水、植被丰富等有利条件共同促进了地下水的补给。
水平衡成分的时间演变如下图。在研究区域的水平衡中，只有一小部分的降水补给了地下水，其余部分因蒸散而流失，地表径流的流失程度较小。在城市扩张的情况下，地表径流是水平衡中最敏感的组成部分。1985年至2015年间，地表径流量比增加了2.30%，而蒸散量比下降了，地下水补给率也下降了。未来的情况也显示出同样的趋势。
土地利用变化对地下水补给的影响
土地覆盖类型与地下水补给与降水的比例密切相关。为了量化土地利用变化的变化对济南泉地区地下水补给的影响，ArcGIS 10.2用于估计正常年份不同土地覆盖类型的地下水补给、径流和蒸散的比率。结果表明，混交林的地下水补给率最大，其次是裸露土壤/岩石和耕地，而建成区的地表径流率最小，混合林的比例最小。混合林的蒸散率最大，其次是耕地和裸露土壤/岩石，建成区用地面积的增加会导致地表径流比增加，地下水补给和蒸发蒸腾比降低，而混交林和耕地面积的增加则会产生相反的影响。
（1）1985年至2015年，转为建成区用地的土地主要是混合森林和耕地。除建成区外，土地使用类型保持不变的比例通常不到50%。到2030年，建成区用地面积将继续增加，而耕地和混交林面积将相应减少。
（2）在研究区的水平衡中，只有一小部分的降水补给了地下水，其余部分因蒸散和较小程度的地表径流而流失。地下水补给量主要受降水量和潜在蒸散量的控制，补给与干旱指数呈负相关。1985年至2015年，地下水补给与降水的比例以0.06%的速度下降。到2030年，补给/降水率预计将进一步下降0.22%。这一比例的下降主要是由于建成区面积的增加，以及混合森林和耕地面积的减少。
