基于LU-SWAT模型的土地利用/覆被变化对水文过程的影响研究——以黑河上游为例

【目的】揭示内陆河流域集水区土地利用/覆被变化对水文过程的影响及其成因。【方法】基于能够逐年调用土地利用/覆被数据的LU-SWAT模型,并结合控制变量法研究了黑河流域集水区黑河上游1990—2009年土地利用/覆被变化对地表径流、侧向流、蒸散发量、地下径流以及总产水量的影响。【结果】LU-SWAT模型对于黑河上游月、年出山径流模拟结果较好,其月径流模拟的纳什系数为0.93,相关性系数为0.94;其年径流模拟的纳什系数为0.83,相关性系数为0.86。此外,其对各个水文要素的模拟结果符合西北干旱区内陆河流域集水区的水文特征;1990—2001年黑河上游土地利用变化主要表现在林地的减少,而2002—2009年土地利用的变化除了林地和草地的增加之外,还表现在裸地的大面积减少;1990—2001年黑河上游地表径流、侧向流、蒸散发量以及总产水量都呈现增加趋势,而地下径流呈减少趋势,2002—2009年流域地表径流、侧向流、蒸散发量以及总产水量减少,而地下径流量增加。在黑河上游,干旱条件下各水文要素对于土地利用覆被变化的响应更明显。【结论】1990—2001年林地的减少可能是流域地表径流、侧向流、蒸散发量以及总产水量都呈现增加趋势而地下径流呈减少趋势的主要原因。2002—2009年裸地的大面积减少可能是流域地表径流、侧向流、蒸散发量以及总产水量减少而地下径流量增加的主要原因。     

土地利用数据精度对泾河上游区径流模拟影响研究

作为SWAT模型基础数据之一的土地利用数据的空间精度的不同会对模型模拟产生一定的影响。为了更好地了解土地利用数据空间精度对模型模拟的具体影响,以泾川三站以上的泾河流域为研究区域。选用3种常见的不同空间分辨率、分类系统的土地利用数据集(Land 1、Land 2、Land 3)构建SWAT模型,选用模型评价指标ENS、R2,模拟泾川三站1980-1990年共11年的月径流量。其中,率定期为1980-1988年,验证期为1989-1990年,分析比较各数据集对应的模型模拟结果。研究结果表明:①3种土地利用/覆被数据集均在泾河上游区的适用性良好,就模拟结果来说,Land 2数据集的模拟效果最好,率定期(1980-1988年)的ENS、R2分别为0.73、0.74;验证期(1989-1990年)分别为0.55、0.73;②水文响应单元HRUs划分的个数可能跟输入模型的土地利用/覆被数据集的空间精度有关,且输入数据空间精度越高,划分的HRUs数量越多;③输入土地利用数据的分类精度对模型敏感性参数的影响高于空间分辨率对模型敏感性参数的影响;④输入土地利用数据的精度与模拟结果之间的关系并不是随数据精度高低而变化的简单线性关系;水文响应单元HRUs的划分数量对于模型模拟结果的影响大于土地利用分类精度对模型模拟结果的影响。研究成果对于研究区土地利用数据的选用有较高的研究意义。     

基于SWAT模型的金华江上游土地利用变化对径流影响的研究

流域内土地利用变化对水文循环有着重要影响.本文通过在金华江上游建立SWAT模型,模拟了不同土地利用情景下流域径流的变化特点,结果表明:SWAT模型模拟精度高,其中验证期Ens=0.85,R2=0.85,Re=0.07,可以模拟及分析流域水文对土地利用变化的响应;在该流域内,林地有减少径流量的作用而草地和耕地相反;保护耕地使流域内农业产量增加但也使径流量增加,且增加量集中在雨季.     

不同土地利用/覆被类型情景下清漳河流域的水文响应

清漳河流域属于水资源短缺的山区流域,为提供流域内合理土地利用优化方案和水资源调控理论依据。故以清漳河流域为研究区域构建基于SWAT(Soil and Water Assessment Tool)分布式水文模型,评价流域土地利用/覆被变化的水文响应。SWAT模型在清漳河流域具有良好的适用性,模型可以较好的模拟流域内的地表径流过程;在不同土地利用/覆被类型配置情境下,探讨地表径流及其CN值变化,分析出单一土地利用类型的产流能力,结果耕地草地林地;受近年城镇化的发展和退耕还林还草的政策影响,相对1980年土地利用/覆被情景,退耕还林情景的综合产流能力减小,城镇化情景的综合产流能力增加。     

基于SWAT模型的开都河上游未来土地利用变化对径流的影响

【目的】揭示土地利用变化下的流域径流变化。【方法】以开都河上游区域为研究对象,利用分布式水文模型SWAT,采用元胞自动机-马尔科夫模型(CA-Markov)预测法、当地土地利用规划要求和极端土地利用情景法共设置了4种2025年土地利用情景,包括自然发展情景、规划发展情景、极端草地情景、极端林地情景。【结果】①构建的SWAT模型在率定期(R2=0.74,NSE=0.73)与验证期(R2=0.58,NSE=0.57)的模拟结果可以接受。②采用CA-Markov模型模拟的2010年土地利用类型图Kappa系数为0.83,可用于预测2025年土地利用类型。1980—2010年土地利用类型变化主要表现为草地转换为水体和未利用地,其转换面积分别为106.09 km2和0.5 km2。③相较于基准年2010年,各土地利用情景下的年均径流量均减少,自然发展情景减少最快,极端草地情景减少最慢;从丰水期与枯水期来看,2种时期下各情景月均径流变化完全相反;从其季节分配来看,各土地利用类型在夏季对径流变化影响最大,冬季影响较小。【结论】该地区草地是影响径流最主要的调控因子,原有草地的减少会引起夏季径流较大幅度减少,对于未利用地,可考虑开发为草地。     

基于SWAT模型的开都河上游未来土地利用变化对径流的影响北大核心CSCD

【目的】揭示土地利用变化下的流域径流变化。【方法】以开都河上游区域为研究对象,利用分布式水文模型SWAT,采用元胞自动机-马尔科夫模型(CA-Markov)预测法、当地土地利用规划要求和极端土地利用情景法共设置了4种2025年土地利用情景,包括自然发展情景、规划发展情景、极端草地情景、极端林地情景。【结果】①构建的SWAT模型在率定期(R2=0.74,NSE=0.73)与验证期(R2=0.58,NSE=0.57)的模拟结果可以接受。②采用CA-Markov模型模拟的2010年土地利用类型图Kappa系数为0.83,可用于预测2025年土地利用类型。1980-2010年土地利用类型变化主要表现为草地转换为水体和未利用地,其转换面积分别为106.09 km2和0.5 km2。③相较于基准年2010年,各土地利用情景下的年均径流量均减少,自然发展情景减少最快,极端草地情景减少最慢;从丰水期与枯水期来看,2种时期下各情景月均径流变化完全相反;从其季节分配来看,各土地利用类型在夏季对径流变化影响最大,冬季影响较小。【结论】该地区草地是影响径流最主要的调控因子,原有草地的减少会引起夏季径流较大幅度减少,对于未利用地,可考虑开发为草地。     

气候与土地覆被变化下的水文响应模拟——以太行山八一水库流域为例

太行山区是华北平原的重要水源地,但近年来山区来水的逐渐减少已成为该地区水资源缺乏的重要原因之一。利用分布式水文模型SWAT,根据野外实际调查及室内实验获得了模型所需的水文地质参数,通过模型校准和验证,建立了太行山八一水库流域的水文模型,Nash-Sutteclife模型效率系数等评价结果显示,SWAT模型在该流域具有很好的适用性。结合该区历史气候与土地覆被变化趋势,分别假定了25种气候情景和4种土地覆被情景,模拟结果表明,气温降低和降水增加的情景下,流域的径流量明显增加,并且随着土地覆被的好转,径流量逐渐减少,蒸发量增加。从水文角度探查了太行山区径流变化的原因。     

基于SWAT模型的济南南部山区土地利用优化研究

【目的】维护南部山区水源补给区良好的水循环条件和功能并建设济南水生态文明城市。【方法】应用SWAT分布式水文模型,选择Re、Ens和R2三项指标进行模型率定分析,再以20 km~2为步长模拟土地利用变化与径流和泥沙的关系,在此基础上建立以水文、水保和经济为目标的多目标土地利用结构优化模型。【结果】SWAT模型3项率定指标均满足要求,模型对研究区的径流和泥沙模拟具有较好的适用性;年径流变化量和年泥沙变化量与土地利用转化面积关系可以用二次函数式表示,单位面积林地转变为建设用地时,径流和泥沙流失量增加最大,草地转变为建设用地和耕地对径流影响最小,耕地转变为建设用地对泥沙流失影响最小;现状年和规划年的土地利用结构还应该进一步优化,林地、草地、耕地和建设用地面积分别为370.70、158.35、375.92和45.21 km~2,为最优土地利用结构。【结论】模型在济南南部山区适用性良好,能为南部山区合理利用土地资源、保护生态环境,保证济南水生态文明城市建设提供决策依据。     

降雨输入不确定性对SWAT模型径流模拟的影响研究

降雨输入是水文模型不确定性的主要来源之一,开展降雨输入不确定性对分布式水文模拟影响的相关研究具有重要意义。基于SWAT分布式水文模型,将最邻近法、泰森多边形法、距离平方倒数法和克里金法引入子流域的面雨量计算,模拟淮河流域息县水文站1985-2000年的径流系列,并在改变站网密度及空间分布的条件下进一步研究了不同降雨输入模式对径流模拟精度的影响。结果表明:总体而言,四种插值方法的径流模拟精度较高,说明SWAT模型在息县流域具有较好的适用性;在息县流域现有雨量站数目下,距离平方倒数法的整体模拟效果最佳;当雨量站密度变化时,最邻近法的模拟精度更加稳定,说明在雨量资料不充足的地区该方法可能更具有优势。     

基于SWAT模型的卧虎山水库流域径流模拟

为探讨SWAT模型在中小流域的适用性,以卧虎山水库流域为例,在3S技术的支持下,制备了SWAT模型所需的DEM、土地利用、土壤及气象等数据库,构建了卧虎山水库流域SWAT分布式水文模型,并以2007-2009年实测数据对模型参数进行率定,以2010-2011年数据进行模型验证。结果表明,逐月径流量模拟值与实测值的Nash效率系数、相关系数均大于0.70,相对误差小于15%。总的来说,SWAT模型能够较好地模拟卧虎山水库流域的地表径流过程,可以在该地区推广应用。     

气候因素对蒲河流域径流模拟影响研究

根据分布式水文模型可以对不同流域进行较好模拟的特点,通过对蒲河流域气象数据、数字地图数据、土壤类型数据、土壤利用数据等资料的整理,对大河泡水文站实测资料与模拟结果进行径流月校准与径流月验证,分析SWAT模型在蒲河流域的适用性,并探讨不同气候因素对径流变化的影响。计算结果表明,降雨因素比气温因素更显著的影响蒲河流域的径流变化。     

砾石对土壤水文过程影响研究进展与展望

【目的】综述砾石对土壤水文过程影响,总结石质土壤水文过程研究存在的问题与挑战,展望未来研究方向。【方法】本文主要介绍了砾石结构（砾石覆盖度、砾石量、粒径等）对土壤入渗、径流、壤中流、优先流和水分蒸发等土壤水文过程的影响,并分析了目前用于模拟和定量表征砾石对土壤水文过程影响的数学模型研究进展。【结果】砾石对土壤水文过程的影响机制尚不明确,现有研究方法不能满足对砾石与土壤水文过程之间错综复杂关系的研究,土壤砾石结构的定量化、异质性及土壤水文参数的定量表达还未被纳入数学模型参数,缺乏多要素、多尺度的砾石水文过程模拟,没有准确可靠的尺度转换理论和方法,无法实现不同尺度上砾石和水文信息的转换。【结论】如何将新技术引入到研究中,更新研究方法、明确影响机理、丰富研究内涵、提高数据精度,是该研究要解决的关键问题;深层土壤中的砾石特征及其对壤中流和优先流的影响研究、不同尺度上砾石和水文信息的转换以及多尺度数学模型的建立是未来研究的重要方向。     

CMADS数据集在呼兰河流域的适用性评价

【目的】探究中国大气同化数据集(CMADS)在呼兰河流域水文模拟的适用性。【方法】对CMADS与传统水文站降水、气温数据的精度及时空分布特征进行分析,构建CMADS与传统水文站2种气象数据驱动流域有、无水库控制水系情景下的SWAT模型,同时使用SUFI-2算法以月值实测断面径流数据为准进行模型参数的率定和验证,评价该数据集作为气象驱动数据的适用性及对传统水文站数据的可替代性。【结果】(1) 2种气象数据具有较强的线性相关性和对应关系,且时空分布特征相似,年内变化趋势一致。(2)在无水库呼兰河干流水系,CMADS数据驱动的模型率定期R²=0.92、NSE=0.91、PBIAS=18.53%,验证期R²=0.94、NSE=0.96、PBIAS=10.51%;在有水库通肯河水系,模型在率定期R²=0.89、NSE=0.82、PBIAS=12.79%,验证期模型R²=0.93、NSE=0.86、PBIAS=12.03%,模拟结果均达到径流模拟评价标准。【结论】CMADS+SWAT模型比传统水文站在呼兰河流域...     

SWAT分布式模型在新兴江流域径流模拟中的应用研究

分布式水文模型是研究变化条件下流域水资源演变规律的有效工具。本文以新兴江流域为研究区域,整合流域下垫面信息与气象数据,基于GIS平台构建了SWAT分布式水文模型。选用腰古站1990-2003年历史月径流资料,对模型进行参数敏感性分析与率定,验证模型在流域的适用性,在此基础上,运用增量情景法,分析气候变化对流域径流产生的影响。结果表明:模型率定期与验证期的总径流相对误差均在±10%以内,Nash-Sutcliffe系数均在0.90以上,总体模拟效果十分理想;降水与气温的变化给流域径流带来不同程度的影响,径流量对降水变化的响应比气温更加敏感。通过径流模拟,SWAT模型可以为变化环境下新兴江流域的水资源规划与管理工作提供有效的参考依据。     

土地利用变化对雅砻江流域水文极值的影响研究

气候变化和人类活动是影响流域水文循环和水资源调配的两个主要驱动因素。雅砻江流域为我国重要的水电基地,其规划总装机容量达3 000万kW,量化分析土地利用/覆被变化(LUCC)对水文极值的影响对于雅砻江流域梯级水库群防洪调度和确保流域防洪安全具有重要的理论价值和现实意义。首先建立了雅砻江流域日尺度SWAT模型,然后采用CLUE-S模型模拟了城镇化发展情景下的土地利用空间分布,并在现状土地利用基础上进行退耕还林操作,进而模拟了3种土地利用情景(基准期、城镇化情景及退耕还林情景)下的日径流序列,结果表明:建立的SWAT模型能较好模拟和重现雅砻江流域基准期水文极值,模型率定期和验证期的Nash-Sutcliffe系数、确定性系数均在0.70以上,除洼里站的验证期外PBIAS的绝对值小于10%,模拟精度较高。城镇化土地利用情景下,城镇面积占比由0.12%增加到0.37%,耕地和未利用地面积占比略有减少;雅江站、麦地龙站及洼里站的日最大流量整体上增加,增幅依次为4.6%、3.4%及2.3%,增幅从上游至下游逐步减小。退耕还林土地利用情景下,耕地面积占比由5.43%降至2.85%,林地和草地面积占比相应增加;雅江站、麦地龙站及洼里站的日最大流量略有减少,但减少幅度十分有限,洼里站减少幅度最大,也仅为-1.2%。     

SWAT模型参数自动校准方法对比及适用性研究——以泾河中上游地区为例

应用SWAT 2012模拟泾河中上游流域的月径流量,并结合SWAT-CUP中的Parasol、SUFI-2、GLUE和PSO等4种参数优化算法对模型参数校准,并进行对比及适用性分析。结果表明:4种算法均能满足模拟精度要求,月径流模拟纳什系数(NS)和决定系数(R2)均在0.6以上,且GLUE和SUFI-2算法参数优化后模型模拟精度更高。GLUE算法优化后模型在校准期NS和R2分别为0.84和0.76,验证期为0.85和0.78;SUFI-2算法优化后模型在校准期NS和R2分别为0.81和0.67,验证期为0.86和0.70。如果条件允许,GLUE算法更适合较复杂的流域;SUFI-2算法可以缩短优化时间,但精度略低,因此更适合径流变化情况相对简单的流域。Parasol算法和PSO算法模拟历时长,精度较低,不适用于本流域参数优化,但PSO算法对于双峰径流模拟效果较好,较适用于有春汛出现的地区。     

基于双源蒸散发的新安江模型在淮河上游的应用

传统的新安江模型在计算流域蒸散发能力时仅依据非常有限的几个蒸发站的蒸发皿实测水面蒸发乘以一个折算系数来获得,不能考虑土地利用/覆被、气候特征、植被叶面积指数等因子的时空差异性和土壤特性、流域地形的空间差异性对流域蒸散发量影响。通过将考虑植被叶面积指数动态变化对蒸散发影响的双源蒸散发模型与新安江模型集成,改进了新安江模型的蒸散发计算模块,并以淮河息县水文站以上流域为研究区,以日为时间尺度,基于地形、土地利用、气象及水文资料对息县以上流域2000~2008年降雨径流过程进行模拟,结果表明,基于双源蒸散发的新安江模型能有效地模拟淮河上游降雨径流过程,满足模拟精度要求。研究成果为改进新安江模型中蒸散发计算模块提供了依据,也可为改进的新安江模型在其他流域的应用提供参考。     

基于SWAT模型的清江长阳段非点源污染及其控制方案研究

非点源污染在清江流域长阳段的水环境污染中起到主导作用。将SWAT模型应用于清江流域长阳段的污染模拟研究中,利用清江长阳段2011-2013年的实测数据对建立的SWAT模型进行率定和验证,径流、氨氮、总氮的模拟精度均较高(R20.6、Ens0.5),表明SWAT模型能够反映清江长阳段的水体污染情况。模拟结果表明,污染负荷时间上分布与径流量呈现较强的相关性(相关系数达到0.9以上),空间上呈现上游向下游递减的趋势。此外,通过率定后的SWAT模型评价了设置过滤带、削减化肥施用量和取缔网箱养殖等污染控制措施对长阳段隔河岩库区污染物净增量的影响,结果表明:单独的污染控制措施中,设置过滤带效果最好,削减化肥用量效果不明显;在不同的组合污染控制措施下,选用10m过滤带的组合措施(Q8)截污效果最好,但2m过滤带的组合措施(Q6)最为经济。     

农灌区地下水开采对径流的影响模拟研究

农灌区地下水开采对流域水文过程具有重要影响。针对农灌区,基于新安江模型,建立了考虑地下水埋深对降水入渗补给量、潜水蒸发量以及河川径流量影响的计算模型。利用淮河临涣集流域实测气象、水文资料,对模型进行了参数率定及模型验证,分析了模型参数对河川径流和地下水埋深影响的敏感性,模拟研究区不同开采对径流的影响程度。     

SWAT水文模型在灌区水文和物质模拟中的研究进展

SWAT模型是当前世界广泛被使用的流域分布式水文模型,主要在大尺度上对流域不同的水文物理化学过程进行模拟。近年来,随着灌区水文过程的深入研究,SWAT模型逐渐由单一的流域水文模拟扩展到灌区水文、农业非点源污染的模拟,然而在灌区模拟的过程中存在一系列问题。系统地介绍了SWAT模型的特点,并对国内外学者应用SWAT模型在灌区水文、污染物模拟中的改进,与其他模型联合应用,灌区非点源污染等方面进行了总结和评述,并对SWAT模型在灌区模拟中仍然存在的问题进行了分析和总结,探讨了SWAT模型在平原型灌区的应用前景并进行了展望。