基于SWAT模型的白马河流域土地利用变化的径流响应

以3S技术为依托,在对白马河流域土地利用变化进行分析和预测的基础上,建立了流域SWAT模型,分析了不同土地利用情景下流域径流的响应,并计算了流域主要土地利用类型对径流深的贡献系数.结果表明:1987-2017年,耕地、居民点及建设用地、有林地、灌木林地和疏林地为流域主要的土地利用类型,共占流域总面积的96％以上,草地、水域和未利用地所占比例则较小;在4种主要土地利用类型中,有林地、灌木林地和疏林地、居民点及建设用地对径流深的贡献系数分别为2.61、0.38和0.34 mm·km-2,说明三者有促进产流的作用,而耕地的贡献系数为-0.11 mm·km-2,说明耕地对径流的产生起到一定抑制作用.     

基于SWAT模型的乌鲁木齐河上游土地利用和气候变化对径流的影响

选用SWAT分布式水文模型,定量分析了乌鲁木齐河流域土地利用与气候变化对径流的影响,采用情景分析方法设置3类情景,对变化环境下的流域径流进行了预测。以R~2、NSE和PBIAS等3个参数评价了模拟的拟合度,不确定性。结果表明:1)在模型校准期和验证期R~2分别为0.89和0.75,NSE分别为0.84和0.74,PBIAS在18%—23%范围内,说明SWAT模型在乌鲁木齐河上游径流模拟中具有较好的适用性;2)综合型情景模拟分析得出,研究区气候变化对径流的影响强度大于土地利用变化的影响强度。土地利用和气候共同引起流域年均径流量减少1.41 m~3/s,土地利用变化引起年均径流量减少0.04 m~3/s,气候变化引起年均径流量减少1.37 m~3/s;3)极端土地利用情景模拟分析得出,草地情景的年均径流增加0.1 m~3/s,林地情景的年均径流量减少0.58 m~3/s;4)气候变化情景模拟分析得出,流域径流量与降水变化呈正相关关系,与气温变化呈负相关关系。降水量增加10%和20%时,年均径流量增加3.05 m~3/s和4.02 m~3/s。当降水量减少10%和20%时,年均径流量减少0.93 m~3/s和2.25 m~3/s。气温升高1℃和2℃时,年均径流量减少2.71 m~3/s和3.02 m~3/s。在气候变化环境下,需要重视降水和气温的预测,应通过优化土地结构来减缓气候变化的水文效应。     

基于SWAT模型的流溪河流域土地利用与气候变化对径流的影响

选用国内外广泛应用的SWAT分布式水文模型,定量分析流溪河流域土地利用与气候变化对径流的影响,采用情景模拟分析方法设置3类情景进行定量分析.对上中下游的温泉、太平场和南岗3个水文站依次校正与验证得出：除温泉站在验证期的3个系数刚达标之外,其他的相对误差＜15%、相关系数＞0.8、Nash Sutcliffe效率系数＞0.75,说明SWAT模型在流溪河流域的径流量模拟中具有较高的适用性.综合型情景模拟分析得出：以1991-2000年为基准期,2001-2010年土地利用与气候变化综合引起年均径流量增加11.23 m³·s^-1,土地利用变化引起年均径流量减少0.62 m³·s^-1,气候变化引起年均径流量增加11.85 m³·s^-1,气候变化的影响强度强于土地利用变化的影响强度.极端土地利用情景模拟分析得出：与2000年土地利用现状模拟径流量相比,耕地情景和草地情景的径流量分别增加2.7%和0.5%,林地情景的径流量减少0.7%,证明林地有一定的截流能力.气候变化情景模拟分析得出：流域径流量变化与降水变化呈正相关关系（降水每升高10%,径流平均增加11.6%）,与气温变化呈负相关关系（气温每升高1 ℃,径流平均降低0.8%）,降水变化的影响强度强于气温变化的影响强度.在气候变化环境下,需要重视对强降雨的预测和灾害预防,可通过优化土地利用结构与空间布局来减缓气候变化带来的水文负效应,如洪涝灾害.     

气候与土地利用变化下宁夏清水河流域径流模拟

气候和土地利用变化是影响水资源变化最直接的因素。应用SWAT模型对干旱半干旱区小流域宁夏清水河流域径流进行多情景模拟预测,以历史气候要素变化趋势和CA-Markov模型分别设置未来气候和土地利用变化情景,以决定系数R2和Nash-Sutcliffe模型效率系数Ens(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient)来衡量模拟值与实测值之间的拟合度,并评价模型在清水河流域的适用性。结果表明,韩府湾站在校准期和验证期的R~2分别为0.80和0.71,Ens分别为0.77和0.69,泉眼山站在校准期和验证期的R2分别为0.66和0.63,Ens分别为0.62和0.56,表明构建的SWAT模型可以用于清水河流域的径流模拟。对未来气候和土地利用变化情景下径流的模拟结果显示,径流变化主要由降水变化主导,降水减少和气温升高的综合作用对流域径流变化影响最为显著;由于耕地和建设用地的增加,未来3种土地利用情景下流域径流量将均会呈现明显增加变化。与2010年相比,到2020年,自然增长情景流域径流将增加17.04%,林地保护情景径流将增加14.44%,规划情景径流将增加13.98%;综合降水、气温和土地利用的结合变化情景显示,未来流域径流将会有不同程度的下降,规划情景和气候变化的结合情景的径流下降最为明显,而有意增大林地和加强生态保护的林地保护情景对减缓流域径流下降具有一定作用。在气候变化的大背景下,根据水资源利用管理目标,可通过调整流域管理措施,特别是土地利用变化和改善区域小气候来减缓气候变化对流域水资源的负面效果,以此来改善流域径流和生态环境状况。     

京津冀城市群土地利用变化对地表径流的影响

城市化的显著特征之一是地表景观格局被人为改变,大量硬化地表覆盖、取代了原本自然或半自然的土地覆盖类型,极大地干扰了区域水文循环过程。其中,最直接的体现是对地表径流过程的影响。城市群作为当前我国城市化的重要模式,其聚集连片的扩张模式,对区域地表径流过程的干扰尤为严重。以京津冀特大城市群为研究区域,应用长期水文影响评价模型(L-THIA),以1980、1990、2000、2010、2015年5期土地利用数据、土壤数据以及1950—2015年逐日降雨数据为输入,模拟计算了不同土地利用/覆被格局对多年平均地表径流量的影响。结果表明,(1)经过率定的L-THIA模型能够较为准确地模拟京津冀城市群地区的地表径流分布特征,模型模拟误差在±10%内;(2)1980—2015年,京津冀城市群地区不透水地表面积急剧增加,其净增长值为12690.14 km~2。北京与天津等超大城市不透水地表面积增加最明显;(3)随着土地利用格局的变化,京津冀地区地表径流量呈逐年增长趋势。1980—2015年,京津冀城市群地区地表径流量的绝对增长值为17.84亿m~3,增幅11.83%。其中,1990—2000年及2010—2015年期间地表径流年均增长率较大,分别为0.36%与0.46%。对地表径流贡献较大的土地利用类型为耕地和不透水地表,其5期土地利用情景下的平均产流占比分别为35.38%、22.71%;(4)城市尺度上,不同城市的标准化年均径流深(NAARD)存在较大差异。天津、石家庄的产流能力较强,承德、衡水等城市的产流能力较弱,北京市的标准化年均径流深处于中等水平。另一方面,不同城市标准化年均径流深增长规律也存在较大差异。1980—2015年,天津市的NAARD增长最多,承德市增长最少,北京市的NAARD增长处于中等水平。本文对于京津冀城市群水文过程的时空演变研究以及国土空间优化指导具有参考意义。     

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。     

流域景观格局变化对洪枯径流影响的SWAT模型模拟分析

为了进一步揭示流域景观格局变化的水文效应,以晋江流域为研究区,基于SWAT模型分别模拟1985年和2006年两种景观格局下,2002—2010年气象条件时的日径流过程;应用景观格局分析法和Pearson相关分析法,定量分析了景观格局变化对洪枯径流的影响,探讨了影响机制。研究表明:(1)SWAT模型能够较精确模拟晋江流域的日径流过程;(2)2002—2010年气象条件时,与1985年景观格局相比,在2006年景观格局下晋江流域年平均最大1 d和连续最大5 d径流深分别增加5.46%和4.97%,年平均最小1 d和连续最小7 d径流深分别减少3.79%和2.55%;(3)洪水径流与景观格局相关性最显著,最大1 d和连续最大5 d与林地景观面积呈显著负相关,相关系数分别为-0.764和-0.721;最大1 d与Shannon多样性指数和Shannon均匀度指数呈显著正相关,相关系数分别为0.721和0.736;与最大斑块指数和蔓延度呈显著负相关,相关系数分别为-0.61和-0.596,说明林地景观面积的减少降低了流域对强降水的截留能力;景观类型均衡化分布,连通性降低,降低了水分在流域的内部循环能力,导致洪峰流量的增加;(4)景观格局指数与最小1 d和连续最小7 d的相关性不显著,说明景观格局变化对枯水径流的直接影响较小。     

深圳市土地利用变化对流域径流的影响

土地利用所引起的流域下垫面变化严重影响着洪涝灾害的致灾过程,以深圳市为例,探讨下垫面条件对流域径流过程的影响,应用美国农业部水土保持局（Soil Conservation Service)研制的小流域设计洪水模型-SCS模型对深圳市部分流域进行了径流过程的模拟,重点分析 了土地利用方式、土壤类型、前期土壤湿润程度等下垫面因素以及降雨因素对降雨-径流关系的影响。结果表明,随着人类活动的加剧,土地利用的变化使径流量趋于增大;降雨强度越大、前期土壤湿润程度而发生变化,CN值（Curve Number)的高值区主要集中在城市用地和水体;低值区主要出现在林地、灌草地、果园等植被覆盖较好,地势起伏较大的地区。     

基于InVEST模型的黄河流域产水量时空变化及其对降水和土地利用变化的响应

黄河流域是重要的水源涵养和生态屏障区,研究其水源供给服务对实现黄河流域高质量发展和生态环境保护具有重要意义。本研究基于InVEST模型和情景分析法,以土地利用覆被、气象及土壤等数据作为输入,分析了1995—2015年黄河流域产水量的时空格局以及降水变化和土地利用变化对流域产水量的影响,并探讨产水量对二者的响应。结果表明:1995—2015年,黄河流域产水深度增加,增量为24.34 mm,产水高值区集中在西部和西南部,低值区集中在西北区域,产水深度空间格局特征变化不明显;黄河流域三级流域中,龙羊峡以上流域产水量最高,约117 亿m³·a^-1,是黄河流域主要产水区,兰州至河口流域产水量最低,约0.44 亿m³·a^-1;整个流域中永久冰川及雪地的平均产水深度最大,草地是全流域产水总量的主要贡献地类,提供了总产水量的62.6%;降水对产水量的影响比较显著,土地利用/覆被变化对产水量的影响较小。     

流域径流泥沙对多尺度植被变化响应研究进展

植被变化与流域水文过程构成一个反馈调节系统,是目前生态水文学研究的重点对象.由于植被自身的生长发育以及受自然因素和人为干扰的作用,植被变化具有多尺度性;由于受流域水文环境的异质性和水文通量的变化性的影响,流域水文过程也同样具有多尺度性.因此,只有通过对不同尺度生态水文过程分析,才能揭示流域径流泥沙对植被变化的响应机理.从不同时空尺度回顾了植被生长、植被演替、植被分布格局变化、造林以及森林经营措施等对流域径流泥沙影响的主要研究成果;概括了目前研究采用的3种主要方法,即植被变化对坡面水流动力学影响的实验室模拟、坡面尺度和流域尺度野外对比观测实验以及水文生态模型模拟方法;分析了植被变化与径流泥沙响应研究要考虑的尺度问题,从小区尺度上推至流域尺度或区域尺度时应考虑不同的生物物理控制过程.研究认为,要确切理解植被与径流泥沙在不同时空尺度的相互作用,必须以等级生态系统的观点为基础,有效结合生态水文与景观生态的理论,从地质-生态-水文构成的反馈调节入手,系统地理解植被变化与径流泥沙等水分养分之间的联系及反馈机制,建立尺度转换的基础.同时,作为有效的研究工具,今后水文模型的发展应更加注重耦合植被生理生态过程以及景观生态过程,从流域径流泥沙对多尺度植被变化水文响应的过程与机制入手,为植被恢复与重建、改善流域水资源状况和流域生态环境奠定基础.     

Analyses of landuse change impacts on catchment runoff using different time indicators based on SWAT model

Previous researches mainly focused on the runoff responses to landuse change based on annual, seasonal or monthly time scales, there are few studies based on daily scale. We conducted a comprehensive investigation into runoff responses on the daily scale as well as annual and monthly time scales using SWAT, and compared the impacts of time scales with different time indicators quantitatively. Jinjiang, a coastal catchment of southeast China with a humid sub-tropical climate, was used for simulations. A calibrated SWAT model produced satisfactory reproduction of annual, monthly and daily runoff processes over a nine-year (2002–2010) period at three gauging stations. Runoff was then simulated and compared using the same meteorological input but two different landuse scenarios (1985 and 2006, with reduced forest and increased cropland and urbanized area). The results showed varying change in runoff among three time scales and three catchments. The annual runoff had the smallest increase between two scenarios, monthly runoffs had medium rates (increasing in all months except October–November), and daily runoff had the largest rates with the increase in flood peaks but decrease in drought flows, because of the variable influence on interception/evapotranspiration loss, percolation and antecedent soil water storage. Indicators of different time scales (annual runoff, monthly runoff, maximum 1-day and 5-day flood runoff, minimum 1-day and 7-day runoff) proved appropriate for analysing landuse change impacts.     

The limitations of assessing impacts of land use changes on runoff with a distributed hydrological model: case study of the Hron River

A distributed hydrological model was applied for estimating changes in a runoff regime due to land use changes. The upper Hron river basin, which has an area of 1766 km² and is located in central Slovakia, was selected as the pilot basin. A physically-based rainfall-runoff model with distributed parameters was used for modelling runoff from rainfall and melting snow. The parameters of the model were estimated using climate data from 1981–2000 and from three digital map layers: a land-use map, soil map and digital elevation model. Several scenarios of changes in land use were prepared, and the runoff under the new land use conditions was simulated. Long-term mean annual runoff components and the design maximal mean daily discharges with a return period from 5 to 100 years under the previous and changed land uses were estimated and compared. The simulated runoff changes were confronted with expert judgments and estimates from the literature. Limitations of the use of distributed models for estimating land use changes are discussed.     

长江流域产水功能对土地利用变化的响应及其驱动因素

长江流域产水功能是流域水生态平衡的重要组成部分,在生态安全防护上具有重要战略地位。产水量是指示区域水环境功能的重要生态指标,探讨长江流域土地利用变化对产水量的影响对于深化和揭示土地利用对水环境功能的效应有重要意义。研究基于多元统计方法与InVEST模型产水模块探讨了产水量对土地利用变化的响应模式,以及影响区域产水的驱动因素。结果表明：1.1990年至2015年,长江流域平均产水量呈西北低、东南高、中游>下游>上游的空间分布规律,子流域间的产水空间差异程度呈加剧趋势;2.从总产水量来看,洞庭湖、鄱阳湖和金沙江为主要贡献流域,贡献了总产水量的50%,且农用地与林地为主要土地贡献类型;3.由于长江流域土地利用结构和配置的转变,产水量的响应呈土地类型上的多样性,表现为农用地、草地、未利用地对产水变化具有正向协同效应,而林地和水域具有负向协同效应,建设用地对产水的响应不明显;4.影响产水功能的主要驱动力为建设用地、水域、人口密度、国民生产总值、降雨,农用地、植被覆盖、温度为潜在驱动力,未来长江流域产水功能的调控需要重视不同子流域间产水量的空间异质性与土地利用配置的协调性。     

石羊河流域河川径流对气候与土地利用变化的响应

应用流域气象和水文过程长期观测数据及四期TM影像数据,在建立基于气候及土地利用两种因素变化的径流过程模拟模型的基础上,分析河川径流对气候与土地利用变化的响应特征,并对其未来可能的变化趋势做出预测。结果表明,(1)1956—2009年,到达石羊河流域下游标志站蔡旗断面的河川径流量,由20世纪50年代的年平均5.392×108m3减少到目前的年平均1.096×108m3;1968年之前蔡旗断面径流量的波动主要是气候变化的结果,而1968之后,蔡旗断面径流量的变化是气候与土地利用变化共同作用的结果;(2)近30年来,气候变化对下游河川径流变化的贡献率平均为4.1%,而土地利用变化,尤其是耕地面积变化的贡献率平均为88.8%;中游灌溉定额平均分别减少5%、10%、15%和20%的情景下,下游河川径流量模拟值分别为1.591×108m3、2.427×108m3、3.262×108m3和4.098×108m3左右。     

不同时空尺度下土地利用对洱海入湖河流水质的影响

土地利用与入湖河流水质的关系存在时空差异。以洱海西部入湖河流及其小流域为研究对象,综合空间分析和数理统计手段,探讨两者随空间尺度和时间变化的关系,结果表明:选取的小流域、河岸带30m缓冲区、河岸带60m缓冲区和河岸带90m缓冲区4种尺度下,对入湖河流水质影响显著的土地利用类型为建设用地和植被(包括林地和牧草地),影响最大的空间尺度为小流域尺度,河岸带30m缓冲区次之;小流域尺度下,建设用地面积百分比与入湖河流COD和TP浓度呈正相关,植被面积百分比与NH_4~+-N浓度呈负相关,响应土地利用的主要水质指标为TN和TP,回归调整系数分别为0.624和0.579;季节性关联分析表明建设用地与COD、NH_4~+-N、TP的回归关系在雨季强于旱季,植被与COD、TP的回归关系在雨季强于旱季,雨季建设用地和植被面积变化引起COD浓度变化更快。在流域管理中,针对植被覆盖率低、建设用地占比高的白鹤溪和中和溪应重点加强雨季土地利用管控,增加植被覆盖率,合理开发建设用地。