应用SWAT模型研究潮河流域土地利用和气候变化对径流的影响

为定量分析潮河流域土地利用和气候变化对流域径流变化的影响,应用SWAT模型对流域上游至下游的大阁、戴营和下会3个水文站径流进行模拟,采用情景法分析径流对土地利用和气候变化的响应。在模型校准期和验证期采用两个参数:p因子和r因子来评价模拟的拟合度及不确定性。结果表明,3个水文站在校准期和验证期的p因子值分别为:0.70和0.77,0.87和0.82,0.92和0.78,r因子值分别为0.63和0.90,0.97和0.79,0.88和0.92,评价整个流域模拟有效性的模型目标函数g最佳值为0.66,说明该模型对潮河流域的产水量模拟具有很好的适用性。以1981—1990年为基准期,1991—2000年流域土地利用变化造成年径流量减少了4.10 mm,而气候变化导致年径流增加了29.68 mm;2001—2009年土地利用变化造成年径流量减少2.98mm,气候变化造成年径流量减少了14.30 mm。与1999年土地利用条件模拟径流值相比,几种极端情景法模拟分析结果表明:灌木林地情景下年径流增加了158.2%,草地情景下年径流增加了4.1%,林地和耕地情景下年径流分别减少23.7%和41.7%;不同气候变异情景模拟结果显示,径流对降水的变化敏感性高于对温度变化的敏感性,降水每增加10%,径流平均增加23.9%。温度每增加12%,径流平均减少6%。因此,在气候变化背景下,优化土地利用结构与方式是实现流域水资源科学管理的途径之一。     

基于Budyko假设的潮河流域气候和植被变化对实际蒸散发的影响研究

由于参数较少且具有明确的物理学意义,基于水热平衡理论的Budyko假设常用于定量分析以及评价气候变化和植被变化对实际蒸散发的影响,对研究流域水量平衡和能量分配具有重要意义。依据位于我国北方密云水库上游的潮河流域1961—2015年的水文气象数据,选取了4种基于Budyko假设的模型来研究潮河流域水热耦合平衡关系,确定了该流域最适用模型以及模型参数最优值,并且采用情景设置法分析了流域实际蒸散发对气候以及植被变化的响应。结果表明:(1)与经典Budyko模型相比,采用流域下垫面参数修正的Budyko模型计算实际蒸散发的精度更高。其中,傅抱璞模型精度最高,决定系数、相对误差、纳什效率系数和均方根误差分别为0.85、4.30%、0.82和27.66 mm;(2)对傅抱璞模型下垫面参数ω进行优化,确定适用于潮河流域的模型参数取值为2.54,优化后的傅抱璞模型能够更好地反映流域实际蒸散发的变化特征;(3)情景模拟表明,气候变化和植被变化的共同作用导致潮河流域实际蒸散发的上升。其中,气候变化是引起流域蒸散发变化的主要驱动因素。     

黄土残塬沟壑区流域次生植被物种分布的地形响应

研究流域次生植被物种对地形因子的响应规律,识别影响次生植被物种分布的主要地形因子,是流域近自然植被生态恢复和重建的基础。采用ArcGIS空间分析模块和地形分析模块TauDEM,并与统计软件SPLUS2000中的GRASP工具相结合,建立了位于黄土高原残垣沟壑区山西省吉县蔡家川流域次生植被各个物种分布基于地形因子的广义相加模型(GAM)。模型中的地形因子包括:海拔、坡向、坡度、平面曲率、坡位指数(SPI)、地形湿度指数(TWI)、单宽汇水面积(SCA)等。受试者操作特征曲线(ROC)测试中AUC值表明:大部分测试物种(约62%)拟合模型效果较好,且模型较为稳定。总体来看,研究流域次生植被物种分布体现了水分限制的空间分异特征:阴坡各物种分布概率较大,且随海拔升高而减小。影响研究流域次生植被物种空间分布的潜在重要因子为海拔和坡向,而单宽汇水面积(SCA)和地形湿度指数(TWI)虽然是多个物种响应模型的预测因子,但受高一级尺度海拔的影响,SCA与TWI对物种分布的影响作用较小;坡度影响作用最小。据此,在流域植被恢复和防护林建设目标区选择及立地条件划分时应首先以海拔和坡向为依据,单宽汇水面积(SCA)和地形湿度指数(TWI)则可以作为次一级立地分类依据,而坡度则仅能作为最后一级的分类依据。