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。     

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。     

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。     

TOPMODEL在水阳江流域的应用及模型对DEM的敏感性检验

将TOPMODEL模型应用到安徽水阳江流域,检验其在湿润地区的径流模拟能力,得到了较好的模拟结果。同时,利用安徽水阳江流域不同分辨率的DEM数据,进行了DEM分辨率对TOPMODEL模型的模拟结果的敏感性实验分析,结果表明,随着流域DEM数据分辨率的降低,模型的确定性系数也随之降低,模型对流域的DEM数据是敏感的。     

山丘区小流域水文模型适用性研究

山丘区小流域暴雨洪水过程受诸多因素影响,是个极其复杂的非线性过程,选择合适的水文模型进行模拟是山洪预警预报的难点。选取5种常用水文模型在全国14个典型山丘区小流域开展模拟对比分析,研究不同模型在山丘区小流域的适用性,以期为山洪预报中水文模型的选择提供依据。研究结果表明,HEC-HMS分布式水文模型模拟效果最优,适用于短历时强降雨条件下的山洪模拟;大伙房水文模型对洪峰流量及峰现时间的模拟精度较高,但产流模块在植被覆盖良好、水系较发达的山丘区小流域应用有限;API和新安江水文模型在湿润小流域且实测降雨资料连续情况下可取得较好的模拟效果;TOPMODEL水文模型同样在湿润小流域应用较好,但对于陡涨陡落型洪水的适用性较差。     

TOPMODEL在水阳江流域的应用及模

将TOPMODEL模型应用到安徽水阳江流域，检验其在湿润地区的径流模拟能力，得到了较好的模拟结果。同时，利用安徽水阳江流域不同分辨率的DEM数据，进行了DEM分辨率对TOPMODEL模型的模拟结果的敏感性实验分析，结果表明，随着流域DEM数据分辨率的降低，模型的确定性系数也随之降低，模型对流域的DEM数据是敏感的。     

TOPMODEL在水阳江流域的应用及模型对DEM昀敏感性检验

将TOPMODEL模型应用到安徽水阳江流域，检验其在湿润地区的径流模拟能力，得到了较好的模拟结果。同时，利用安徽水阳江流域不同分辨率的DEM数据，进行了DEM分辨率对TOPMODEL模型的模拟结果的敏感性实验分析，结果袁明，随着流域DEM数据分辨率的降低，模型的确定性系数也随之降低，模型对流域的DEM数据是敏感的。     

全球气候变化对高寒山区融雪径流的影响及其敏感性分析

以天山西部山区为研究区,采用多种数理统计的方法以研究区1957-2005年实测的水文、气象资料为基础进行趋势变化及全球气候变化对降水、气温、径流影响的分析,并借助RS和GIS以新安江模型为基础建立了研究区数字水文模型,并对2005年融雪径流进行模拟。利用该模型结合不同的未来气候情景假设分析高寒山区融雪径流对气候变化的响应和敏感性。     

土地利用/覆被数据精度对流域水文过程模拟的影响研究

土地利用/覆被是水文过程模拟的关键参数,影响截留、入渗、蒸散发和地下水补给等过程,最终影响河道径流量。【目的】更好地了解不同精度的土地利用/覆被数据对水文过程模拟的影响。【方法】将黑河上游祁连山区3种具有不同分辨率、不同分类精度的土地利用/覆被数据(NLULC,NLULC-1km以及MICLULC)分别输入SWAT水文模型中模拟黑河上游出山径流量,分析了模型率定前和率定后的模拟效果。【结果】将空间分辨率更高、土地利用/覆被分类较少的土地利用/覆被数据输入SWAT模型,能够减少模型校准的复杂度和工作量;模型校准后,分类程度越详细的土地利用/覆被数据对应的SWAT模型径流模拟效果越差;水文模型的校准过程会导致土地利用/覆被数据的空间分辨率对径流模拟的影响变小。【结论】在利用SWAT模型进行径流模拟时,输入分辨率高且分类较少的土地利用/覆被数据能够使模型模拟效果更好。     

模糊优化在水文模拟评价中的应用

针对目前参数优选和检验往往只局限在单一模型之中，对于不同模型之间的比较，缺少一个较统一的评价标准的问题，利用多目标模糊优化算法，构建了一个定量衡量水文模拟的拟合良好性的水文模拟评价系统。分析评价了新安江、蓄满超渗兼容、垂向混合、ARNO、VIC和TOPMODEL六种模型在3个流域进行水文模拟的结果。结果表明：水文模拟评价系统具有较好的人机交互功能，通过对各评价指标重要度的确定，来评价水文模拟的好坏，以选取最优的模拟方案，满足人们生产实际中的不同需求。     

Peasant emigration and land-use change at the watershed level: A GIS-based approach in Central Mexico

Demographic changes introduced by migration strongly affect economic activities and may thus trigger land-use changes. Migration has been usually overlooked in land use change modelling, even though it is recognized as a dominant demographic factor that influences land use. This paper analyzes to what extent migration patterns influence land-cover and land-use change at the watershed level. A RS-GIS and statistical approach was used to quantify and analyze both land-cover change and change in population per spatial unit. It was hypothesized that migration should exert a strong effect on land-cover change. The exercise was carried out in the Basin of Lake Cuitzeo, Michoacan, in Central Mexico, an area of high emigration to the USA, albeit showing a net increase in its total population. The expansion of scrubland areas at the expense of rain-fed agricultural land is associated with the abandonment of agricultural land with poor soils. As a consequence, vegetal succession has been promoted and subtropical scrubland increased.     

基于DEM栅格的分布式BTOPMC模型在水文模拟中的应用

应用一个基于DEM栅格的分布式水文模型BTOPMC(Block-wise use of TOPMODEL)模型进行水文模拟研究.该模型结合IGBP全球陆面土壤覆盖与FAO全球数字土壤组成信息,以栅格为计算单元,进行产流计算;汇流采用Muskingum-Cunge法.为了探讨模型的应用范围,将BTOPMC模型与新安江模型应用于湿润流域与半干旱半湿润流域的水文日径流过程模拟,并采用SCE-UA算法进行模型参数优化.结果表明2个模型均能很好地模拟湿润流域日径流过程,在半干旱半湿润流域BTOPMC模型的模拟效果较差,模型的产流机制需要进一步的完善,以扩大模型的应用范围.     

典型岩溶流域土地利用变化的水文响应

为了研究土地利用方式变化在典型岩溶流域产生的水文响应,构建了倒天河流域的SWAT模型,利用该模型探讨了不同土地利用情景下流域流量的变化规律和子流域产水量的变化规律及其调蓄能力分析,结果表明:参数率定后的SWAT模型在模拟倒天河流域月流量过程中表现良好,模型适用于该研究区;草地转为耕地会导致流域流量增加,调蓄能力减弱;林地向耕地、草地向耕地转化易改变子流域产水量,草地向林地的转化不易改变子流域产水量;林地向耕地、草地向耕地、草地向林地的土地利用转化均会导致子流域调蓄能力变弱,草地向耕地的转化对调蓄能力的改变尤为显著。研究成果对减轻岩溶区旱涝灾害,防治石漠化有重大意义。     

土地利用方式变化对水循环过程响应机制研究

以挠力河流域为研究区,利用1990年和2013年土地利用类型,结合基于格子玻尔兹曼方法(LBM)的TOPMODEL模型定量评价了土地利用方式变化对水循环时空变化过程的影响。结果表明:基于LBM法的TOPMODEL模型可以很好模拟挠力河流域降雨径流水循环过程,对研究区具有较高的适用性;研究区林地、草地和建设用地面积变化不大,对于土地结构变化贡献比较小,而未利用地和旱田部分转为水田对土地结构变化贡献大;由于种植水田,导致5月到10月间的流域总蒸散发量增加、根系区缺水量减少、非饱和带缺水量减少、地表水量减少、地下水量增加;蒸散发增幅达8.9%,根系区缺水量降幅达10.5%,地表水量减少达43%;水田对水文情势影响的差异主要体现在水稻生育期的差异上,分蘖期对蒸散发量、根系区缺水量和非饱和带缺水量影响较大;水田灌溉对水循环过程的影响按变化幅度从大到小的顺序为非饱和带缺水量、根系缺水量、蒸散发量、入根系区水量、出根系区水量和地下径流量,其中入根系区水量差值和出根系区水量差值接近。     

An integrated modelling toolbox for water resources assessment and management in highland catchments: Model description

Water and land resource competition and environmental degradation pose difficult questions for resource managers. In particular, the ensuing trade-offs between economic, environmental, and social factors and their spatiotemporal variability must be considered when implementing management policies. This paper describes an integrated modelling toolbox that has been developed for highland catchments – specifically the Mae Chaem catchment in Northern Thailand. This toolbox contains models of crop growth, erosion and rainfall-runoff, as well as household decision and socioeconomic impact models. The approach described advances and complements previous approaches by: considering more complex interactions between land-use decisions and the hydrological cycle; modelling household decisions based on uncertain expectations; and assessing impacts of changes not only on flows and household income, but also on subsistence production and erosion. An example of the types of trade-offs and scenarios that can be assessed using the integrated modelling toolbox is also presented. This demonstrates that for the scenarios presented, the magnitude and direction of impacts simulated by the model is not dependent on climate. Further testing of the model is demonstrated in a companion paper. Overall, the plausibility of the model is shown.     

多源降水产品在不同气候带的水文模拟评估

以NOAA-CPC-US降水产品作为参照,选取美国不同气候带的8个流域,通过对比分析,评估了卫星降水PERSIANN和GPM-IMERG、雷达降水StageIV以及第5代ECMWF大气再分析全球气候数据ERA5等降水产品的精度,继而以5种降水数据驱动分布式水文模型(CREST),评估了它们在径流模拟中的效用.结果表明:雷达降水StageIV在8个不同气候带中的降水估算精度最好,其次是卫星降水GPM-IMERG和PERSIANN,气候模式降水ERA5.在径流模拟中,Stage IV和NOAA-CPC-US在不同气候带的流域都表现较好,能够满足不同气候带流域水文模拟需求.降水GPM-IMERG和PERSIANN的径流模拟能力在不同气候带并不一致,稳定性不高,地处低纬度的气候带好于高纬度气候带;且总体上降水GPM-IMERG优于PERSIANN,这2种降水产品在水文模拟使用时还需进一步验证;ERA5的水文模拟效果不理想,尚不能支撑不同气候带小流域的水文模拟.     

气候变化对我国农业气象灾害与病虫害的影响

近年来,在气候变化的影响下,农业气象灾害发生频繁、危害加剧,尤其是极端气候频发,严重威胁着我国的农业生产安全。气候变化也对病虫害产生了严重的影响,全球性的气候变暖增加了农业病虫害的发生几率、危害范围和危害程度,加大了病虫害防治工作的难度。该文主要分析研究了气候变化对中国农业气象灾害与病虫害的相关影响。      

土地利用方式对平原-丘陵-湿地交融区水资源的影响

近年来三江平原的平原-丘陵-湿地交融区土地利用方式变化显著,造成地下水水位下降、水资源紧缺等问题,然而揭示该区土地利用方式变化对水资源影响的报道较少,且难于精准描述地表、地下、湿地和绿水等水资源量时空变化。本文联合基于格子波尔兹曼法的分布式TOPMODEL和湿地水流运动模型构建平原-丘陵-湿地交融区水文模型,利用GIS和RS技术,结合地学信息图谱与空间自相关方法,分析了挠力河流域土地利用方式变化及其对水资源量影响。结果表明:根据耕地面积变化和动态度分布得1990—2013年间挠力河流域草地和林地面积变化不大,旱地面积轻微下降;挠力河流域中部与北部区域生产条件优越的未利用地和旱地转为水田;土地利用方式变化对水资源影响由强到弱的顺序为灌溉水田抽取地下水量、绿水储量、径流深、绿水流量、补给地下水量;水稻田不同生育期蒸发量不同,造成了挠力河流域5—6月期间绿水流量增加、绿水储量减少、径流深减少、补给地下水量增加和灌溉水田抽取地下水量增加等趋势,7—8月期间这一增加趋势逐渐减弱,8月后这一趋势结束;水田密集区域绿水流量大,绿水储量和径流深减少,而补给地下水量和灌溉水田抽取地下水量增加。