SWAT模型子流域划分引起的土地利用变化对径流和输沙模拟结果的影响

为揭示水文模型计算单元划分引起的土地利用变化对模拟结果的影响,采用SWAT模型,通过设置11种子流域阈值情景(4 000,3 200,2 000,1 500,1 100,800,400,200,100,50,25 hm²),并保持地形和土壤数据不变,定量分析了子流域划分引起的土地利用空间离散化对径流输沙模拟结果的影响。结果表明:(1)随着子流域数量的增加,流域内土地利用中面积最大的林地呈先增加后减少趋势,所有情景下林地面积均高于实际林地面积; 而随着土地利用离散程度的增加耕地面积呈减少趋势,水域、草地和建设用地面积则呈增加趋势并逐渐接近实际面积;(2)土地利用空间离散化导致年均径流量(1.85%)和输沙量(65.84%)减少,且对输沙量影响更显著;(3)土地利用空间离散化造成洪水过程和输沙峰值显著降低,并导致年最大1 d、连续最大5 d和连续最大7 d输沙量显著下降(p<0.01)。综上所述,SWAT模型不同子流域划分显著改变了流域土地利用分布,进而引起径流输沙有关参数变化,最终导致径流和输沙模拟结果的变化。     

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。     

降水和土地利用变化对罗玉沟流域水沙关系的影响

为探讨降水和土地利用变化对流域水沙关系的影响,以黄土高原丘陵沟壑区罗玉沟流域为研究区域,利用流域25年(1986—2010年)的年降水量、年径流量和年输沙量以及土地利用变化资料,分析罗玉沟流域水沙演变规律和水沙关系变化。结果表明:在1986—2010年罗玉沟流域年降水量和汛期降水量基本保持平稳,无明显的增减趋势,而流域年径流量和年输沙量整体呈波动递减的变化趋势,降水与径流相关分析得出,汛期产流产沙对流域年径流量和年输沙量影响最显著。对不同时期流域水沙变化分析,土地利用方式改变,主要是梯田、林草等水土保持措施,对于流域减水减沙作用有限,梯田和林草面积的增加并未明显改变流域水沙关系,淤地坝等工程措施对黄土高原丘陵沟壑区流域减水减沙具有重要作用。研究结果可为黄土丘陵沟壑区水土流失治理及水土保持措施布设提供理论依据。     

气候和土地利用变化对潮河流域产流产沙的影响

为探究气候变异和土地利用变化对流域产流产沙的影响,选择位于北京密云水库上游的潮河流域,对该流域1961-2009年的年径流、年降水、年潜在蒸散发和年输沙量分别进行了非参数检验和突变点分析,结合该流域不同时期的土地利用变化情况,采用水量平衡原理,定量评价该流域土地利用和气候变异对年径流量和年输沙量变化的贡献。结果表明:该流域年径流量在1961-2009年间呈显著减少趋势,并在1999年发生突变,但年降水和潜在蒸散发没有显著变化。该流域年输沙量显著减少,且于2004年发生突变。分析表明该流域气候变异和土地利用变化对年径流量减少的贡献率分别为43.9%和56.1%,而对年输沙量减少的贡献率分别为1.95%和98.05%。土地利用变化是导致该流域年径流量减少,特别是年产沙量减少的重要原因。在全球气候变化的大背景下,通过调整流域土地利用结构、优化土地利用方式,开展以植被恢复为主体的水土流失综合治理,是实现适应性流域管理目标的根本途径。     

砚瓦川流域水沙演变特征及其驱动因素分析

为了探究降水变化和水土保持措施对黄土高原地区产流产沙的影响,选择我国水土流失最为严重的区域——甘肃省庆阳市的砚瓦川流域为研究区,对该流域1981—2012年的年降水量、年径流量和年输沙量进行趋势分析及突变检验,分析黄土高原沟壑区水土流失治理背景下流域水沙的演变规律,定量评价降水和水土保持措施对流域水沙变化的贡献程度。结果表明:在1981—2012年期间年降水量和年径流量均没有发生显著变化,而年输沙量呈现显著减少趋势,年径流量和年输沙量的突变时间分别在1996和1997年,具有很好的同步性。与基准期(1981—1996年)相比,变化期(1997—2012年)的年径流量和年输沙量分别减少了17.0%和76.0%,分析径流和输沙历时曲线发现流域丰水期和平水期的径流量逐时段减少,而枯水期径流量却持续增加,输沙量在整个时段则大幅度减少。该流域降水和水土保持措施对年径流减少的贡献率分别为-37.9%和137.9%,而对年输沙量减少的贡献率为-35.0%和135.0%,因此,水土保持措施的实施是该流域年径流量和年输沙量减少的主要原因。其中,植被措施(林地和草地)对径流影响显著,占径流减少总量的61.04%;工程措施(梯田和坝地)对产沙影响显著,占产沙减少总量的102.84%。研究结果表明,黄土高原地区水土流失治理已在区域尺度上表现出一定程度上削洪补枯和减少侵蚀产沙的水文效应特征。同时在水土保持措施建设过程中,合理配置植被措施和工程措施比例,充分发挥各项水土保持措施的优势,是开展适应性流域管理的关键。     

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。     

降水和水土保持对黄土区流域水沙关系的影响

流域水沙关系对降水量变化和水土保持的响应可为水土保持效益评价提供科学依据。根据黄土丘陵沟壑区第三副区典型小流域桥子东沟和桥子西沟1987—2010年的水文泥沙数据,用Mann-Kendall法检验流域年降水量和水沙变化趋势,采用双累积曲线法分析径流量和输沙量之间的关系,探讨降水量变化和水土保持措施对流域水沙关系的影响。结果显示,年降水量和水沙变化趋势基本一致,降水量是流域产流和输沙的主要影响因素。桥子东沟在1987—2006年和桥子西沟在1987—2010年时期的年单位径流输沙量没有发生显著变化,表明降水量变化、坡面工程措施和植被措施对流域水沙关系没有显著影响;桥子东沟在2007—2010年期间的年单位径流输沙量显著减小,表明流域水沙关系发生显著改变,这是由于2006年建设的淤地坝通过拦蓄径流泥沙和减少下游沟道侵蚀,导致流域减沙比例大于减水比例。     

基于AnnAGNPS模型的罗李村子流域水文模拟与评价

以灞河上游罗李村子流域为研究区,基于子流域2001—2010年日尺度气象水文数据和流域地形、土壤和土地利用数据,构建了AnnAGNPS（Annualized Agricultural Non-point Source Pollution model）模型数据库,确定了最优子流域划分方案,模拟了流域年、月、日尺度径流变化。结果表明:（1）当临界源面积（CSA）取100 hm²,最小初始沟道长度（MSCL）取70 m时,模型将流域划分为1 030个分室,420个沟道,能较好地概化流域下垫面特征。（2）模型对年、月、日尺度径流模拟Ens均大于0.51,R²均大于0.55,Re小于10%,模型能够较好地反映罗李村子流域的径流过程,对流域水资源的合理利用具有指导作用。     

松花江流域不同空间尺度典型流域泥沙输移比及其影响因素

为在不同空间尺度上对东北黑土区流域侵蚀产沙建立宏观认识,以松花江流域为研究区,选择不同尺度的典型流域,通过收集降水、遥感影像和土地利用资料,计算不同尺度流域土壤流失量;采用流域出口量水堰和水文站径流泥沙观测资料,计算流域输沙量,从而得出不同空间尺度典型流域悬移质泥沙输移比(SDR).研究区小尺度流域全年SDR为0.33,大中尺度流域SDR变化于0.005 ～0.365之间,平均仅0.051.本区SDR存在显著的季节差异:小尺度流域雨季SDR为0.38,春季融雪侵蚀期仅为0.17;流域面积(A)和主河道比降(SLP)是影响大中尺度流域SDR的重要因素;SDR与A呈幂函数递减关系,这在丘陵漫岗区更为显著;山区的流域的SDR随SLp的增加而递增.研究成果有助于建立本区土壤侵蚀与流域产沙之间的定量关系,为流域水土保持规划提供科学依据.     

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.     

土地利用变化对产流和产沙的影响分析

LUCC(土地利用覆盖变化)对径流的影响研究主要集中在对年径流量的影响,选用基于ArcviewGIS的SWAT模型,利用情景模拟来分析土地利用变化对产流量和产沙量的影响,并重点探讨森林对产流的影响。以黄河下游支流洛河上游卢氏水文站以上流域为研究区域,选取了1992～2000年24个雨量站的雨量资料和同期的气象资料,采用土壤类型图(1∶4000000)以及设定的不同土地利用情景,作为模型的输入,进行土地利用变化的产流量和产沙量的情景模拟。模拟表明:森林的存在增加了径流量,减少了产沙量;草地也能减少产沙量;农业用地的增加将会增加产沙量;平水年土地利用变化对产流量影响最小,降雨量的增大能弱化下垫面对产流量的影响。     

基于AnnAGNPS模型的黄土高原小流域土壤侵蚀定量评价

以位于黄土丘陵沟壑区的砖窑沟流域为试点，利用AnnAGNPS模型进行土壤侵蚀定量评价。采用流域8次径流事件监测数据进行模型检验，径流量和沉积物量的相对误差分别为10%和-10%，AnnAGNPS模型能够比较理想地模拟流域长期的径流量和沉积物量，并可应用于黄土丘陵沟壑区的径流流失和土壤侵蚀定量评价。采用2004年土地利用状况模拟分析了流域土壤侵蚀量及其空间分布，结果表明：该流域平均片蚀和细沟侵蚀强度为3508 t/(km²·a)，属中度侵蚀等级，黄土沟壑地的平均侵蚀强度最大，属极强度侵蚀等级；严重的沟道侵蚀显著增加了运移到流域出口的泥沙。     

Assessing Molybdenum Adsorption onto an Industrial Soil and Iron Minerals

Spatial accuracy of hydrologic modeling inputs influences the output from hydrologic models. A pertinent question is to know the optimal level of soil sampling or how many soil samples are needed for model input, in order to improve model predictions. In this study, measured soil properties were clustered into five different configurations as inputs to the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) simulation of the Castor River watershed (11-km² area) in southern Quebec, Canada. SWAT is a process-based model that predicts the impacts of climate and land use management on water yield, sediment, and nutrient fluxes. SWAT requires geographical information system inputs such as the digital elevation model as well as soil and land use maps. Mean values of soil properties are used in soil polygons (soil series); thus, the spatial variability of these properties is neglected. The primary objective of this study was to quantify the impacts of spatial variability of soil properties on the prediction of runoff, sediment, and total phosphorus using SWAT. The spatial clustering of the measured soil properties was undertaken using the regionalized with dynamically constrained agglomerative clustering and partitioning method. Measured soil data were clustered into 5, 10, 15, 20, and 24 heterogeneous regions. Soil data from the Castor watershed which have been used in previous studies was also set up and termed “Reference”. Overall, there was no significant difference in runoff simulation across the five configurations including the reference. This may be attributable to SWAT's use of the soil conservation service curve number method in flow simulation. Therefore having high spatial resolution inputs for soil data may not necessarily improve predictions when they are used in hydrologic modeling.     

基于AnnAGNPS模型的农业非点源污染模拟

以大沽河典型小流域为研究区,借助GIS和相关资料率定参数,完成模型数据库的建立。在此基础上,采用流域出口2001～2002年径流量、泥沙和总氮监测数据优化参数、校准和验证模型,分析AnnAGNPS模型在大沽河典型小流域应用的可行性。2000～2001年,地表径流的年均模拟偏差分别为12.7%和7%,丰水期的月模拟偏差都在±30%以内,日模拟值与实测值相关系数分别是0.98和0.91,模拟结果理想;年均泥沙输出模拟误差分别为19.1％和15%,月均泥沙估算的相关系数分别为0.78和0.73,模拟结果基本可接受;年均模拟误差为50%左右,月均估计及降雨场次模拟的相关系数分别低于0.7和0.6,总氮污染负荷估算有很大的不确定性。结果表明,如何提高模型的营养盐模拟精度将是未来AnnAGNPS模型在大沽河流域应用的前提与基础。研究成果对于AnnAGNPS模型在国内的应用和推广,具有很好的示范性,并为大沽河全流域分布式水文模型的构建奠定了基础。     

东北黑土区融雪径流对流域产沙的贡献及因素分析

[目的]揭示流域融雪期径流产沙特征及对全年总产沙的贡献,阐明东北黑土区影响融雪期产沙贡献的主控因素,并进而为东北黑土区流域综合治理提供科技支撑。[方法]基于东北地区203个气象站点数据以及15个流域水文站点径流泥沙资料,通过提取流域降水、地形、气候、土壤和土地利用等因子,采用多因素相关分析的方法,开展融雪期产沙贡献影响因素研究。[结果]东北黑土区不同流域年均降雪量占年均降水量的比例为3.7%～23.9%,空间分布差异较大,呈东南多、西北少的分布特点。融雪期径流深占全年径流深比例为13.7%～32.5%,融雪期产沙量对全年产沙量的贡献3.8%～23.47%,融雪期产沙模数占全年产沙模数的3.1%～35.9%,且它们空间分布规律性差。年均降水量、降雪量占降水量比例、融雪期径流深占全年径流深比例3个因素与融雪期产沙贡献在0.05的水平上呈显著相关。降雪量占降水量比例对流域融雪期产沙量和产沙模数的贡献率分别为25.41%和30.22%。最大高程对流域融雪产沙量和产沙模数的贡献率分别为24.36%和20.38%。[结论]东北区融雪期产沙对流域全年产沙有较大贡献,且受多重因素影响,未来应加强融雪期的侵蚀产沙观测研究。     

降雨和前期含水量对大别山区不同作物坡面产流产沙的影响

基于霍山县水土保持试验站3个径流小区（茶叶、桑树、红芋）2016—2017年逐日连续观测数据，定量研究土壤含水量与天然降雨条件下产流产沙规律与动态变化特征。结果表明：（1）4—7月为产流高峰期，该时期各小区产流量占年产流量的76%（桑树），57%（茶叶），70%（红芋）。3种作物对产流产沙的抑制效果为茶树地 > 桑树地 > 红芋地。（2）各作物年内土壤含水量变化趋势相似，全年变化呈"W"形。其中表层土壤平均含水量排序为茶树地 > 桑树地 > 红芋地，与作物抑制产流产沙效果排序一致。秋季土壤水分稳定性最强，夏季最弱。全年以桑树为例的乔木对土壤水分稳定效果最好。（3）降雨参数与土壤含水量之间灰色关联度大小为历时 > 平均雨强 > I₃₀ > I₆₀ > 雨量。作物小区内产流量贡献度最大变量为降雨侵蚀力，而就产沙量而言，茶叶地与红芋地的产沙量贡献度最大变量为I₃₀，对桑树地产沙贡献度最大变量为降雨量。     

近70年黄河流域水沙情势及其成因分析

深入剖析黄河水沙现状及成因是精准预测黄河未来水沙情势的前提与基础。为此,以黄河干流潼关断面以上4个主要干流水文站及7个主要一级支流把口站1950-2016 年水沙实测资料为基础,采用双累积曲线等多种统计分析方法,系统剖析了黄河流域水沙演变规律及水沙主要源区变化特征,定量评估了不同环境要素对黄河水沙变化影响。结果表明：1）黄河干流兰州、头道拐、龙门及潼关水文站年径流及年输沙量均呈显著减少趋势（P<0.05）,其中,年径流减幅17.93%~40.79%,年输沙量减幅均在46.74%以上。受多种因素影响,黄河水沙在20世纪80-90年代发生减少突变;2）兰州-潼关区间年均径流量沿程变化表现为由总体递增状态向递减趋势转变,年均输沙量递增状态虽未转变,但递增幅度平均减小90%以上;3）黄河泥沙主要来源区由头龙区间向龙潼区间发生转移特征明显,龙潼区间水土流失治理有待进一步加强;4）人类活动对黄河中游水沙锐减占据主导作用,平均贡献率达到90%以上。而上游兰州站年均径流量受气候影响较大,贡献率达到66.57%。研究结果可为深刻认识黄河水沙时空现状及成因提供依据,并对未来水土流失治理区位方向确定提供参考。