SWAT模型最佳子流域划分方案研究——以云南洱海流域为例

应用SWAT模型(Soil and Water Assessment Tool),以区域气候复杂的云南省洱海流域为例,研究不同子流域划分数量对径流和泥沙负荷模拟结果的影响,以明确洱海流域合理的子流域划分方案。结果表明,随着子流域划分数量的增加,年均径流深增加但敏感性较小,相对偏差仅0.89%;年均泥沙负荷减少而敏感性较大,相对偏差达21.21%。经综合权衡年均径流和泥沙负荷对子流域划分响应的敏感性,提出洱海流域合理的子流域划分临界值为137个,相应子流域平均面积占流域总面积的0.73%。在大于该临界值的划分水平下,模拟的年均径流深和泥沙负荷趋于稳定,但对进一步提高模拟精度无明显效果。研究结果对其它地形地貌复杂的流域水文模拟和非点源污染模拟具有重要借鉴意义。     

分布式水文模型亚流域合理划分水平刍议

不同的亚流域划分对流域径流和泥沙负荷模拟的影响源于地形、土壤、土地利用以及气候特征输入的空间分布不均匀性。假设当亚流域划分充分考虑流域输入数据空间分布不均匀性时,流域模拟的输出结果趋于稳定,并应用分布式水文模型——SWAT作为研究工具,在GIS技术支持下,选择两个面积不同的流域采用不同的亚流域划分数量进行流域径流和泥沙负荷模拟。模拟结果表明,当亚流域划分数量达到一定水平时,增加亚流域划分对模型输出结果的影响较小,这在一定程度上证实了上述假设。在此基础上,以简化模型输入数据和输出结果分析处理工作且保证模拟精度为原则,对分布式水文模型亚流域划分的合理划分水平进行了探讨。     

流域离散化对分布式水文模型径流模拟的影响

以嫩江上游诺敏河古城子水文站以上集水区为研究对象,利用分布式水文模型SWAT (Soil and Water Assessment Tool),对研究区进行6种子流域划分,研究不同时间尺度上径流模拟随流域离散化水平的变化,以了解输入数据空间集总程度对分布式水文模拟的影响.结果表明,在年和月尺度上,不同子流域划分对径流模拟精度影响较小,但在日尺度上对径流模拟精度有影响;不同时间尺度上流域离散化水平对出口流量的影响均较小,但地表径流随子流域数量的增加而增大,相对误差达到35.4％;径流模拟结果对降水量较敏感,湿润年份模拟精度更高,而子流域划分对径流模拟结果的影响在干旱年份以及夏季汛期更显著;当流域离散化达到一定水平即最小集水面积阈值为流域总面积的2％时,增加子流域划分对径流模拟结果的影响较小,但减少子流域划分则会导致模拟结果不稳定,且难以满足流域空间格局分析的要求.     

空间数据对分布式水文模型SWAT流域水文模拟精度的影响

分布式水文模型的模拟精度受空间参数精度的影响.提升空间参数精度能较为精准描述流域空间特征,也会使空间数据量冗增,甚至影响模型运行效率.以分布式水文模型SWAT为例,分析DEM、子流域划分、土地利用、土壤、降水站点等空间数据精度对模型模拟精度的影响.结果表明:1)对不同对象(流量、泥沙、营养元素等)进行模拟时,大多数空间数据分辨率阈值不同,分辨率超出阈值可能降低模型模拟的精度;2)DEM分辨率降低,泥沙和总磷(TP)模拟结果的相对误差明显增加,而流量和硝态氮(NO3-N)模拟结果变化极小;3)DEM分辨率达到一定精度后,进一步提高并不会使地表径流模拟精度得到改善,低分辨率DEM获得的坡度较小,这会降低模型对流量的模拟,模拟的洪峰径流产生滞后现象;4)子流域划分对流域产流模拟影响较小,而对产沙模拟影响较大.子流域和水文响应单元的划分数量对流域上游产沙量影响较大,而对流域出口处泥沙荷载影响较小;5)土地利用和土壤图精度主要通过影响模型中HRU生成的数量而影响模拟结果;6)地表径流模拟上,能够体现对地表径流贡献较大的局地降水事件的分布式的降水数据要比利用气象站点获得的降水数据模拟结果的精度要高.研究结果可以为今后模型开发、利用、改进提供参考,提高模型模拟的精度.     

基于SWAT模型的北京沙河水库流域非点源污染模拟

该文应用分布式水文模型SWAT,以北京昌平沙河水库流域为典型区开展研究,通过对流域非点源污染的调查、监测和模拟,定量计算和分析了非点源污染时空分布规律。结果表明：该模型在研究区适用性较好（月径流率定期R2=0.85,Nash-Sutcliffe效率系数为0.64;验证期R2=0.77,Nash-Sutcliffe效率系数为0.60）,非点源污染占污染负荷总量的30～50%,汛期集中了全年泥沙、总磷流失量的70%和总氮流失量的50%,南沙河子流域是污染负荷的关键区。通过研究不同水文条件、土地利用和管理措施对流域非点源污染的影响,得出结论：非点源污染负荷贡献率随降雨量增加而增加,其偏枯水年贡献率为27.4%,平水年36.7%,丰水年52.3%。若全部排污口实施达标排放、流域内全部农田改为林地,径流量、氮磷负荷量均会减少40%～50%;若实施化肥施用量减半,氮磷负荷可降低20%左右。氮元素不同土地利用单位面积负荷由高到低依次为：果园＞农田＞草地＞林地＞城镇用地,研究成果将为流域水资源保护规划提供科学依据。     

基于减沙效益和经济效益的流域退耕还林方案优化

实施退耕还林,是控制中国水土流失、改善生态环境的有效途径。如何制定最具成本-效益的退耕还林方案,以平衡生态、经济和粮食安全之间的矛盾,是保证退耕还林工程可持续发展的关键。该研究以淮河上游的息县流域为研究区,在土地利用现状的基础上,一方面通过建立分布式水文模型SWAT（soil and water assessment tool）依次模拟各子流域的退耕还林操作得到泥沙削减系数,另一方面通过GDP（gross domestic product）与现状土地利用的空间叠置分析得到各子流域进行退耕还林的GDP损失系数,据此分别构成退耕还林的减沙效益目标和经济效益目标,采用多目标遗传算法NSGA-II优化求解子流域尺度的退耕还林方案。研究结果表明：1）建立的SWAT模型对研究区径流和泥沙的模拟精度较高,Nash系数分别在0.90和0.70以上,确定性系数均大于0.80,且百分比偏差均控制在-20%～20%以内,可认为SWAT模型能够用于评估退耕还林的泥沙削减效果;2）子流域泥沙削减系数范围为26.70～2675.85 t/km²,并表现出从上游到下游逐渐减小的趋势,说明在流域上游的河源区实施单位面积的退耕还林能够取得更好的泥沙控制效果;3）子流域GDP损失系数在空间上呈现出较大的差异性,既有子流域出现了GDP的增加也有子流域出现了GDP的减小,对比发现在行政市或县主要居民点所在的子流域进行退耕还林需要付出更大的经济代价;4）多目标优化求解得到的退耕还林方案集将人均耕地面积维持在1.04×10^-3～1.54×10^-3 km²,明显高于粮食安全的警戒水平,同时该方案集能够在仅损失30.13%～37.67%经济产值的同时将泥沙产量削减53.54%～69.86% ,并达到区域可持续发展的土壤侵蚀水平。该研究提出的基于生态减沙效益和经济效益的子流域尺度退耕还林优化方法可为流域水土保持、退耕还林工程的科学规划提供借鉴和指导。     

蔗区小流域泥沙有机碳入河负荷的时空变化特征及其影响因素

[目的] 针对广西红壤区典型小流域坡耕地甘蔗土壤有机碳流失问题,探究其流失时空特征和影响因素,解析流域泥沙有机碳在甘蔗不同生长时期入河负荷时空变化,为揭示自然降雨侵蚀下土壤有机碳流失的影响机制提供科学依据。[方法] 试验区位于广西壮族自治区崇左市扶绥县客兰水库水源区那辣小流域,流域分为下游子流域(S₁)和上游子流域(S₂,S₃)。利用无人机技术和径流泥沙自动监测—采样系统对甘蔗4个生长时期(苗期、分蘖期、伸长期和成熟期)入河泥沙有机碳及植被覆盖度等进行监测,并利用皮尔逊相关分析,确定入河泥沙有机碳与降雨径流、植被覆盖度和施肥等影响因素的关系。[结果] ①甘蔗苗期的流域泥沙有机碳入河负荷占整个生长期总流失量的61.1%,显著高于其他生长期,其特征为苗期(5.1 kg/hm²)＞成熟期(1.6 kg/hm²)＞伸长期(1.4 kg/hm²)＞分蘖期(0.3 kg/hm²)。②流域降雨径流和植被覆盖度与泥沙有机碳入河负荷呈极显著相关,分别解释了泥沙有机碳入河负荷生长期变化的45%和54%;而流域施肥和土壤容重与泥沙有机碳入河负荷呈显著相关,分别解释了泥沙有机碳入河负荷生长期变化的79%和36%。[结论] 流域入河泥沙有机碳流失变化主要是由降雨径流、植被覆盖度、施肥和土壤容重所引起。在蔗区小流域,通过增加植被覆盖以减少地表径流的冲刷及调控施肥时间,对降低土壤有机碳流失具有重要作用。     

基于SWAT模型的径流与土壤侵蚀过程模拟

将可表征土地利用变化对水文响应影响的分布式水文模型SWAT应用于密云水库潮河子流域,对模型的敏感性进行了分析,并采用1986～1991年下会水文站数据对其径流量和泥沙负荷进行了率定和验证,模型评估结果表明该模型对径流的模拟效果非常好,对泥沙的模拟效果较好。通过计算34个子流域内的侵蚀模数,对流域内的土壤侵蚀强度进行了分级,并分析了不同土地利用方式对产沙的影响。结果表明,流域内的土壤侵蚀主要发生在农田,为保障密云水库的水质应对其采取有效的水土保持措施。     

流域面源污染负荷差异性及不确定性的尺度特性分析

针对流域面源污染负荷差异性及其不确定性的尺度特性问题,于2013-2015年在釜溪河流域测定了不同尺度汇流区的面源污染负荷和污染物转化动力学参数。分别采用动态时间弯曲距离DTW(dynamic time warping distance)和信息测度度量了不同尺度汇流区面源污染的负荷差异性和不确定性。结果表明:不同的汇流区尺度上,降雨量小于临界值(40 mm)的情况下,氨氮(NH_3)、总氮(TN)、总磷(TP),和高锰酸盐指数(I_(Mn))负荷均随降雨量的增加而非线性增大,降雨量超过临界值后,流域面源污染出现最大负荷。降雨量超过临界值后,由于尺度增加后下垫面对径流过程调蓄能力的增大,相比子流域尺度,流域尺度上NH3、TN、TP和I_(Mn)负荷的变异系数分别增加了69.1%、47.0%、14.2%和85.8%。枯水期和汛期面源污染负荷主要受到污染源流域分布特性和下垫面径流条件的影响,不同尺度汇流区的NH3、TN、TP和I_(Mn)负荷在枯水期的差异性均显著小于汛期的差异性,子流域之间、以及子流域与流域之间4种污染负荷的差异性平均增大了3.18倍和2.44倍。相比子流域尺度,在流域尺度上单位面积流量、TN、TP和I_(Mn)负荷基质熵分别减小了4.8%、9.3%、31.9%和10.7%,而NH3增加了15.3%;有效测定复杂度分别增加了4.6%、15.4%、17.4%、49.5%和19.8%。不同尺度汇流区的面源污染负荷过程与流量过程不具有完全同步性。随着汇流区尺度的增大,面源污染负荷不确定性减小;有效测量复杂度随尺度增大表明在更大的尺度上对于面源污染负荷有效预测的参数数量显著增加;涨落复杂度和平均信息增量关系表明随着尺度的增加,面源污染负荷对降雨量的敏感性降低,而对下垫面条件的敏感性增加。不同尺度条件下,面源污染对降雨和下垫面的敏感性变化规律、以及面源污染负荷变异性机理等方面的研究将有助于提升分布式水文及面源污染模型理论。     

黄土高原吕二沟流域土地利用/覆被和气候变化对径流泥沙的影响

为了研究气候变化和土地利用/覆被变化对流域生态水文的影响,以吕二沟流域为研究对象,采用非参数统计秩检验法的分析方法,根据研究区1982-2010年的气象数据,对其中的径流量和输沙量进行了突变点检验,分析了不同时期的径流量和输沙量的变化,以及不同时期土地利用和气候变化对流域径流泥沙的贡献。结果表明：（1）径流泥沙在非显著变化期内的减少量和幅度均小于其在显著变化期。（2）在非显著变化期内,径流的减少,气候因素的贡献率为40.98%,而土地利用的贡献率为59.01%,即流域土地利用变化是导致流域径流量减少的主要原因;人类活动使泥沙量减少1.38万t,而气候变化使泥沙量减少0.81万t。（3）在显著变化期内,径流的减少气候因素的贡献率为65.57%,而土地利用的贡献率为34.43%;人类活动使泥沙量减少4.80万t,而气候变化使泥沙量减少4.37万t。（4）在研究期内,人类活动对生态水文影响作用逐渐减小,而气候变化对其影响逐渐加剧。     

基于SWAT模型的三峡库区大流域不同土地利用情景对非点源污染的影响研究

非点源污染对三峡库区流域的水环境污染起到主导作用。本文将SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型应用于库区大尺度流域的污染模拟研究中,以2005年土地利用现状为基准设定了6种土地利用情景,定量分析了不同土地利用措施对非点源污染的控制效果。首先采用三峡库区流域2002—2008年的水文、水质实测数据对建立的SWAT模型进行率定与验证,径流、泥沙、营养盐的评价指标ENS均达到令人满意的效果,表明SWAT模型应用于三峡库区流域是可行的。不同土地利用情景的非点源影响模拟结果表明,通过退耕还林措施将25°、15°、6°以上的耕地转化为林地可达到较好的非点源污染消减效果,考虑库区地处贫困山区,25°以上耕地退耕还林更为经济、可行;相同区域的草地转化为林地所产生的非点源污染要远远小于转化为耕地而产生的污染物,因此应严格控制自然植被退化为耕地的现象发生,否则会严重加剧库区污染状况;库区扩大林地范围的方案要有计划性、针对性,可在减少坡耕地的基础上进行,该措施能最大限度地减少库区非点源污染。本研究所得结论为政府科学合理的制定三峡库区流域非点源污染控制方案提供了重要科技支撑。     

模拟雨强和地下裂隙对喀斯特地区坡耕地养分流失的影响

喀斯特坡面水土地下漏失直接观测难度大,其土壤养分地下漏失的研究仍处于空白,而雨强和地下孔(裂)隙度(以下简称地下裂隙)对其土壤养分流失影响作用尚不清楚。该文以喀斯特坡耕地为研究对象,通过模拟其地表微地貌及地下裂隙构造特征,采用人工模拟降雨试验研究雨强和地下裂隙对喀斯特坡面氮磷钾养分流失的影响。结果表明:雨强对地表产流产沙影响显著(P0.05),其产流产沙量均随雨强增大而增加,且地表产流产沙临界雨强在30~50 mm/h之间;雨强对地表径流各养分输出负荷、地下径流全氮(TN)输出负荷及径流TN总负荷影响亦显著(P0.05)。地下裂隙度对地下径流TN输出负荷影响显著(P0.05),而总体上对其产流产沙、地表径流泥沙各养分输出负荷及总负荷影响不明显。喀斯特坡面TN、全磷(TP)输出负荷总体以径流为主,而全钾(TK)输出负荷则以泥沙为主。雨强是喀斯特坡面土壤养分流失的重要影响因子,地下裂隙度对其养分流失影响不大,但地下径流是喀斯特坡面主要的养分流失方式。研究结果可为喀斯特坡耕地养分流失的机理揭示及源头控制提供基本参数和科学依据。     

基于水文连通性的流域输沙量评估——以堵河流域为例

水文连通性是指泥沙、营养盐等各种物质以水为载体,在空间异质景观或斑块间进行迁移、传输或扩散的便利程度,对流域产沙具有重要影响。为评估基于水文连通性模拟流域输沙量的可行性,以堵河流域为研究对象,分析了1990—2010年流域土壤侵蚀、水文连通性的时空变化特征,并以此估算了流域输沙量。结果表明:1990—2000年流域土壤侵蚀模数与连通程度不断增加,连通性等级主要由低和中低连通性转变为中高和高连通性。2000—2010年流域连通程度和土壤侵蚀模数均呈现不断减小的趋势。此外,输沙量估算值与实测值具有显著的线性关系(R²=0.92),但由于未考虑水库、湖泊等对泥沙输移的拦截效应,输沙量估算值要高于实测值,后续研究需将其纳入模型以更准确地评估流域输沙量。研究结果对于提高模型的适用性以及理解流域泥沙输移过程具有重要意义。     

嘉陵江流域非点源溶解态氮污染负荷模拟研究

嘉陵江流域是乏峡水库最大的支流,为研究嘉陵江流域非点源溶解态氮污染负荷的年际变化规律及其来源的空间分布情况,以流域土地利用类型为研究单元,通过引入具有物理机制的半分布式水文模型——sLuRP水文模型,并推导溶解态氮的流域输移损失系数,建立了流域非点源溶解态氮污染年负荷模型。借助GIS技术,应用所建模型,对嘉陵江流域各土地利用类型L的年地表径流量和溶解态氮污染负荷进行了模拟。模拟结果表明,以旱地和水田为主的涪江流域的溶解态氮流失情况最为严重,其次是渠江下游流域和西汉水流域,1990---2005年嘉陵江流域各土地利用类型上产生的非点源溶解态氮年均负荷为35726t·a^-1,约占流域出口总氮负荷的32％。     

应用AnnAGNPS模型模拟柴河上游农业非点源污染

运用AnnAGNPS模型（Annualized Agricultural Non-Point Source Model）对柴河上游小流域农业非点源污染负荷进行模拟估算,并通过实地监测对模型模拟结果进行适用性检验。结果表明,该模型能够模拟流域上下游水质污染负荷总量及浓度变化,适合在该流域使用。运行结果显示模型模拟对总氮效果较好,对总磷的模拟结果较差。同时模型能够较好地模拟该地区8月份农业非点源污染负荷浓度及负荷总量均达到最大值的特点,与实测值相符,但对该地区春季农业非点源污染负荷突然增高的特点在模拟值中没有得以体现。年际变化的模拟结果表明该地区农业非点源污染负荷与当地降雨量有关,这说明气象因素在模型运行过程中起着至关重要的作用。同时也发现模型自带的气象发生器不适合在该地区使用。     

流域地貌分形特征与侵蚀产沙定量耦合关系试验研究

流域地貌形态科学、准确和综合量化成为建立具有广泛适用性的流域土壤侵蚀预报模型的关键科学问题之一。分形理论的提出为流域地貌形态定量研究开辟了新的思路。本文依据分形理论，在建立小流域概化模型基础上，采用模拟降雨试验、高精度摄影测量和GIS技术，对流域模型地貌形态分形特征与侵蚀产沙定量耦合关系进行了研究。结果表明，基于消除了降雨特征影响的相对输沙率，可将流域模型侵蚀产沙过程划分为初期、活跃期和稳定期3个阶段；在不同侵蚀产沙时段，流域模型地貌形态分形信息维数Di呈现与相对输沙率Sr基本类似的变化趋势，即先增大再减小、最后趋于平稳；流域模型相对输沙率Sr与地貌形态分形信息维数Dr以乘幂形式呈显著正相关，相关指数r^2为0．7423；地貌形态分形信息维数Dr较好反映了地貌形态特征对流域模型侵蚀产沙过程的影响，可以作为流域模型侵蚀产沙过程预报地貌形态特征综合量化指标。     

基于农业非点源污染模型的桃溪流域日径流泥沙模拟

[目的]以中国东南沿海桃溪流域为研究对象,构建该流域日尺度产流产沙的农业非点源污染模型(annualized agricultural non-point source pollution model,AnnAGNPS),以期为流域水土流失治理与水土资源合理配置分析支持。[方法]采用DSA(differential sensitivity analysis)方法,分析流域敏感性参数,并建立研究区日尺度的AnnAGNPS模型。[结果](1)CN值(curve number)、土壤有效含水量和沟道曼宁系数为径流敏感性参数,土壤可侵蚀因子K、地表残留物覆盖率、年根系生物量、耕作后地面残留物覆盖率、随机粗糙率、沟道曼宁系数和耕作扰动面积为输沙量的主要敏感性参数;(2)模型对日尺度径流模拟的R2,Ens系数均大于0.66,日尺度泥沙模拟的R2,Ens系数均大于0.62。[结论]AnnAGNPS模型能够较好地模拟桃溪流域日尺度产流产沙规律。     

浙江省安吉县西苕溪流域非点源污染负荷研究

为探究浙江省安吉县西苕溪流域非点源污染现状,运用污染输出系数法对非点源污染负荷进行估算,并应用地理信息系统（GIS）技术对非点源污染负荷的空间分布特征进行分析。结果表明,2007年浙江省安吉县西苕溪流域非点源污染COD、TN、TP、NH3-N输出总量分别为2236.12t、1007.22t、78.11t、82.90t,分别占西苕溪流域污染物总量的71.91%、70.05%、83.52%、23.64%,其中农村生活污水、农林用地和村镇工业废水是COD的主要污染源,农林用地是TN的主要污染源,农村生活垃圾、畜禽养殖和农林用地是TP的主要污染源,畜禽养殖和村镇工业废水是NH3-N的主要污染源。在空间尺度上,非点源污染负荷主要集中在西苕溪流域中下游地区,COD、TP、NH3-N输出量从上游至下游逐渐增加,但TN输出量相近。     

SWAT模型土壤空间离散化对径流和输沙模拟结果的影响

以东江源为研究区,采用SWAT （Soil and Water Assessment Tool）模型,通过设置11种子流域划分方案,并保持土地利用和地形2个要素不变,以定量分析子流域划分引起的土壤离散化对产流产沙过程的影响。结果表明：（1）随着子流域数量的增加,土壤类型空间离散化趋势越明显,其中面积最大的泥红壤面积显著减少（P<0.05）,面积第2和第3的渗育质水稻土和黄壤显著增加（P<0.05）,面积最小的石质土在子流域数量少（11~267个）时该地类被概化完全消失,子流域数量增加到524个后,该地类面积呈增加趋势（P<0.05）。（2）土壤空间离散化导致年均径流量（1.32%）和输沙量减少（P<0.05）,且对输沙量影响更显著（18.07%,P<0.01）。（3）随着土壤离散程度增加,年平均最大1天、连续最大5天、连续最大7天输沙量均显著减少（16.64%,17.54%,17.34%,P<0.01）,而径流量变化不显著（0.59%,0.89%,0.83%,P>0.05）。（4）土壤空间离散化导致洪水过程输沙量峰值显著减少,而对洪峰径流量影响并不显著。子流域划分引起的土壤离散化主要通过土壤侵蚀因子K值变化而引起输沙量变化。研究结果将为分布式水文模型不确定性研究和提高模拟精度提供参考。