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。     

LUCC及气候变化对澜沧江流域径流的影响

运用SWAT模型,通过设置不同情景,定量分析了澜沧江流域土地利用与土地覆被变化(Land Use and Land Cover Change,LUCC)和气候变化对径流的影响,并结合RCP4.5、RCP8.5两种排放情景对流域未来径流的变化进行预估。结果表明:SWAT模型在澜沧江流域径流模拟中具有很好的适用性,率定期和验证期的模型参数R~2分别达到0.80、0.74,Ens分别达到0.80、0.73;从土地利用变化方面考虑,流域内的农业用地转化为林地或草地,均会导致径流量的减少,而林地转化为草地则会引起径流量的增加,农业用地、林地、草地三者对径流增加贡献顺序为农业用地草地林地,从气候变化方面考虑,流域内的径流量与降雨量成正比,与气温成反比;2006—2015年间澜沧江流域气候变化引起的月均径流减少幅度强于LUCC引起的月均径流增加幅度,径流变化由气候变化主导;在RCP4.5和RCP8.5两种排放情景下,2021—2050年间澜沧江流域的径流均呈增加趋势,这与1971—2015年间流域实测径流的变化趋势相反。     

SWAT模型参数对土地利用变化的响应及其对不同时间尺度径流模拟的影响

SWAT模型广泛应用于土地利用变化的水文效应评估研究,但土地利用变化是否对模型参数产生影响,进而影响径流模拟效果还有待于进一步分析。以东南沿海福建省山美水库流域为研究区,基于SWAT模型,分别模拟1995年、2005年、2015年土地利用条件下的年、月、日尺度径流过程,采用SWAT-CUP进行参数敏感性分析与自动率定,分别获取1995年、2005年、2015年3种土地利用条件下径流过程模拟的最优参数集,比较参数差异;将3组参数集分别应用到不同土地利用条件,分析参数变化对不同时间尺度径流模拟的影响。结果表明：（1）1995-2015年间,研究区土地利用格局发生了较大变化,主要表现为林地转向园地和建设用地;3期土地利用条件下率定的SWAT模型都能较好地模拟山美水库流域年、月、日尺度径流,其效率系数NS和决定系数R²分别大于0.62和0.78。（2）不同土地利用条件下敏感参数基本一致,敏感参数分别为CN2、SOL_AWC、SOL_K、CANMX、ESCO、GW_DELAY、OV_N,但敏感参数取值随着土地利用变化而变化,其变化规律符合敏感参数的物理意义,变化率基本与土地利用变化强度正相关。（3）由土地利用变化引起的参数变化,对年、月径流模拟的影响较小,对日径流影响显著,且随着土地利用变化强度的增加而增加。     

山东半岛丘陵区典型流域河流径流的影响因素分析

应用3S技术生成数字高程模型(digital elevation model,DEM),解译出大沽夹河流域范围。采用空间内插法计算流域内年平均降水量,通过选择流域内人类活动的人口数量、GDP、土地利用现状以及气候变化的降水量和气温等9个因子,采用单因子相关分析和主成分分析(PCA)方法,分析了各因素及综合因素对径流量的影响。单因子分析表明,降水量、林地和果园与径流量的相关程度显著。主成分分析表明,人口数量、耕地面积、果园面积、林地面积和水域面积对径流量影响较大,占所有分析因子贡献率的73.96%;降水量对径流量的影响次之,因子贡献率为11.38%。     

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。     

浑太森林流域径流过程模拟

基于浑河与太子河上游1998-2007年北口前站和南甸峪站水文数据以及清原、新宾和本溪县气象站点同期气象数据,应用DHSVM分布式水文模型模拟浑太流域的水文过程,验证模型的科学适用性,并提供最敏感模型参数的参考值.结果表明：浑河源区月径流模拟的Nash-Suttclife系数(E值)在率定期(1998-2002年)和验证期(2003-2007年)分别达到0.9675和0.8957,较好重现了研究区的月径流过程.太子河上游流域的年、月径流模拟值的E值均大于0.6,说明模型在浑太流域有较好的适用性、率定的参数方案有良好的可靠性.本文为无站点观测资料的流域水文研究建立了一个坚实的框架,并构建了合理的参数方案.     

昆明市明通河流域降雨径流水量水质SWMM模型模拟

选取昆明市明通河流域为研究区域,在暴雨管理模型(SWMM模型)参数敏感性分析、模型率定的基础上,对明通河流域进行了降雨径流水量水质模拟。结果表明:SWMM模型水文水力模块中最灵敏参数为不透水率,水质模块中污染物最大累积量、污染物累积速率均为灵敏参数,而冲刷系数和冲刷指数的灵敏度受降雨强度影响波动较大。水量水质模拟结果与实测结果较为吻合,模型率定取得了满意的结果。模拟结果显示,研究区降雨径流总氮、总磷、化学需氧量单位面积负荷率分别为75.6、8.5、697.8 kg hm-2a-1,城市降雨径流污染在滇池流域面源污染中占有较大份额。     

SWAT模型对景观格局变化的敏感性分析——以丹江口库区老灌河流域为例

景观的空间配置与类型组成能够对流域的产流、产沙及非点源污染产生影响。在以往SWAT模型研究中,往往默认水文模型考虑了该影响。为分析SWAT模型对不同景观格局变化的敏感性,根据老灌河流域2000年土地利用在各子流域的组成,模拟研究区更为破碎、复杂的景观空间配置,通过设置多套试验参数,利用SWAT模型生成基于不同景观格局的模拟结果。结果表明,SWAT模型不能反映除坡度和面积变化之外的景观水平下各斑块之间因景观空间格局改变对流域产流、产沙以及非点源污染的影响;模型通过其他参数的调整,弥补了模型分析数据的不足,使实测数据与模型部分结果高度吻合。这表明,一个能够反映流域部分水文特征的SWAT模型,未必是对研究区真实情形的模拟,而是各个参数间平衡的结果。因此,在利用SWAT模型分析模拟景观变化时,不应默认模型能够模拟景观空间格局改变对流域水文过程的影响,同时研究者可以通过划分坡度带,提高模型对不同坡度土地利用的敏感性。     

Distribution of aboveground live biomass in the Amazon basin

The amount and spatial distribution of forest biomass in the Amazon basin is a major source of uncertainty in estimating the flux of carbon released from land‐cover and land‐use change. Direct measurements of aboveground live biomass (AGLB) are limited to small areas of forest inventory plots and site‐specific allometric equations that cannot be readily generalized for the entire basin. Furthermore, there is no spaceborne remote sensing instrument that can measure tropical forest biomass directly. To determine the spatial distribution of forest biomass of the Amazon basin, we report a method based on remote sensing metrics representing various forest structural parameters and environmental variables, and more than 500 plot measurements of forest biomass distributed over the basin. A decision tree approach was used to develop the spatial distribution of AGLB for seven distinct biomass classes of lowland old‐growth forests with more than 80% accuracy. AGLB for other vegetation types, such as the woody and herbaceous savanna and secondary forests, was directly estimated with a regression based on satellite data. Results show that AGLB is highest in Central Amazonia and in regions to the east and north, including the Guyanas. Biomass is generally above 300 Mg ha⁻¹ here except in areas of intense logging or open floodplains. In Western Amazonia, from the lowlands of Peru, Ecuador, and Colombia to the Andean mountains, biomass ranges from 150 to 300 Mg ha⁻¹. Most transitional and seasonal forests at the southern and northwestern edges of the basin have biomass ranging from 100 to 200 Mg ha⁻¹. The AGLB distribution has a significant correlation with the length of the dry season. We estimate that the total carbon in forest biomass of the Amazon basin, including the dead and belowground biomass, is 86 Pg C with ±20% uncertainty.     

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.     

气候变化对无定河流域生态水文过程的影响

建立分布式生态水文过程模式,模拟分析了黄土高原无定河流域近40a来及未来气候变化情景下水循环和植被生产力的演变特征。结果显示,无定河流域近40a来温度上升,而降水量没有明显的下降趋势,但年际波动幅度变小。与之相应,地表蒸散量也没有明显的变化趋势。然而,因大气CO2浓度的上升,植被净生产力明显增加,速率约为0．6gCm^-2a^-1,水分利用效率随之提高。该流域生态系统对HadCM3气候变化情景的响应显著,蒸散、地表径流和植被净第一性生产力（NPP）均增加,植被水分利用效率明显提高。     

西北干旱区气候和土地利用变化对水沙运移的影响——以小南川流域为例

认识区域水沙运移规律及其对气候和土地利用变化的响应能够为水土流失防治提供理论依据,是水土资源综合开发的重要前提.本研究以1963-2013年逐月实测气象、径流和泥沙资料为基础,结合20世纪80年代和2000年土地利用数据和归一化植被指数(NDVI)数据,采用Mann-Kendall趋势分析和突变检验方法,系统分析了西北干旱区典型小流域--小南川流域的气候和水沙长期变化特征,并识别了研究区土地利用及植被覆盖度变化特征.在对单要素变化充分解析的基础上,利用多元线性回归等方法,定量探讨了气候和土地利用变化对小南川流域水沙运移的影响机制,并明确了关键作用因子.结果表明: 小南川流域气温向两极化发展,降水量逐渐增加,总体气候变化趋势朝向暖湿方向,极端气候事件发生频率增加,且在20世纪90年代发生突变后,其变化速度和程度均进一步加剧.自20世纪80年代以来,随着经济社会发展,流域内耕地和城镇扩张,林地增加,自然生态环境向良性发展.在土地利用和植被覆盖度变化的主导驱动作用下,流域径流量和输沙量分别以1.7×10⁶ m³·(10 a)^-1和1.5×10⁸ kg·(10 a)^-1的平均速率呈减少趋势.定量化研究结果揭示了植被覆盖度和月平均最高气温是影响该区径流变化的最关键因子,而植被覆盖度和日最大降水量是影响输沙变化的最关键因子.在当前气候变化背景下,生态修复是防止干旱区流域水土流失的最有效途径之一.     

River Nutrient Loads and Catchment Size

We have used a total of 496 sample sites to calibrate a simple regression model for calculating dissolved inorganic nutrient fluxes via runoff to the ocean. The regression uses the logarithms of runoff and human population as the independent variables and estimates the logarithms of dissolved inorganic nitrogen and phosphorus loading with R² values near 0.8. This predictive capability is about the same as has been derived for total nutrient loading with process-based models requiring more detailed information on independent variables. We conclude that population and runoff are robust proxies for the more detailed application, landscape modification, and in-stream processing estimated by more process-based models. The regression model has then been applied to a demonstration data set of 1353 river catchments draining to the sea from the North American continent south of the Canadian border. The geographic extents of these basins were extracted from a 1-km digital elevation model for North America, and both runoff and population were estimated for each basin. Most of the basins (72% of the total) are smaller than 10³ km², and both runoff and population density are higher and more variable among small basins than among larger ones.While total load to the ocean can probably be adequately estimated from large systems only, analysis of the geographic distribution of nutrient loading requires consideration of the small basins, which can exhibit significant hydrologic and demographic heterogeneity between systems over their range even within the same geographic region. High-resolution regional and local analysis is necessary for environmental assessment and management.     

Effects of projected future urban land cover on nitrogen and phosphorus runoff to Chesapeake Bay

This paper examined the effects of simulated land cover/land use (LC/LU) change from 2000 to 2030 on nutrient loadings to the Chesapeake Bay. The SPAtially Referenced Regression On Watershed Attributes (SPARROW) model was used with anticipated watershed-wide LC/LU change from a growth forecast model that provides spatially explicit probabilities of conversion to impervious surface. The total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) loadings estimated to enter the Chesapeake Bay were reduced by 20% and 19%, respectively. In general, as development replaced other LC/LUs from 2000 to 2030, TN and TP runoff was significantly reduced by losses of non-point, non-urban source loadings, yields, and land-to-water delivery. The simulation results suggest future changes in landscape composition and configuration at catchment and riparian stream buffer width scales could lower TN and TP runoff to the estuary.     

基于Budyko假设的渭河径流变化归因识别

定量评价河川径流量变化特征,开展其归因识别研究是制定气候变化应对策略与合理利用水资源的基础。以渭河流域为研究区,采用Mann-Kendall趋势检验法、双累积曲线等方法分析渭河流域1958—2015年的气候、水文要素变化特征,采用基于Budyko水热耦合平衡理论的水量平衡法估算径流变化对各驱动因素的弹性系数,定量评价气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。结果表明:渭河流域咸阳、张家山、状头站的年径流量呈显著减少趋势,径流深减少速率分别为:-1.520、-0.501、-0.322 mm/a。3个站控制流域面平均降雨量呈非显著性减少趋势,年潜在蒸散发呈非显著增加趋势。剧烈的人类活动如工农业用水、大规模水土保持措施的实施及退耕还林草等引起的下垫面变化是径流量减少的主要因素,渭河干流和泾河流域下垫面变化对径流减少的贡献率均超过了60%,降雨变化贡献次之,潜在蒸散发的影响最小。     

滦河流域景观格局变化对水沙过程的影响

以滦河流域为研究区域,基于SWAT模型模拟1976—2012年滦河流域的水沙过程,分析2000年京津风沙源治理项目实施前后流域产水产沙时空格局变化;研究1980—2010年流域景观格局变化特征,揭示景观格局变化的水沙响应;应用Spearman相关分析法分析流域景观格局变化对水沙过程的影响。结果表明:与20世纪80年代相比,2010年流域林地和建设用地增加,其他用地类型减小;流域景观集中程度提高、连通性变优、优势斑块显著、形状趋于规则、多样性减少、破碎化程度降低、景观类型向非均衡方向发展;流域年均地表径流减少9mm,产水量增加5.44mm,产沙减小1.59t/hm~2;地表径流减少区域占全流域89.32%,产水量增加区域占76.71%,产沙量减少区域占93.89%;地表径流、产水、产沙与林地面积呈负相关,产水与草地面积呈正相关,地表径流、产沙与农业用地面积呈正相关;地表径流、产水、产沙与景观形状、Shannon′s均匀度、景观分离度呈正相关,与蔓延度、最大斑块指数呈负相关;产水、产沙与斑块密度和Shannon′s多样性指数呈正相关;工程治理后,流域年均径流量与产沙量显著下降,产水产沙高值区显著缩小,产沙关键区域仍需治理。     

遥感和GIS辅助下流域养分迁移过程的计算机模拟

农业非点源污染问题已成为我国重要的环境污染类型之一．利用空间模型对流域N、P的迁移过程进行计算机模拟,是研究非点源污染控制方法的一个有效手段．设计了遥感和GIS技术辅助下的流域水分和养分迁移过程分布式的模拟方法,包括模型选择、流域的空间离散化和参数化、模型模拟和结果验证3个步骤,为控制流域水肥流失提供了思路．以江西兴国潋水河流域(579km^2)为研究区域,选择美国农业部设计的SWAT模型,设计了流域．子流域-水文响应单元的空间离散方案和实现步骤．首先依据地形特征,将整个流域分割成多个子流域,每个子流域内部通过叠加统计分析,生成单一土地利用类型和土壤类型组合的水文响应单元．土地利用参数用TM遥感图像进行监督分类获得,土壤参数化利用地统计学采样和插值分析获得．对1991～2000年的初步预测结果表明,SWAT模型能够较好地模拟潋水河流域的径流水量和泥沙的变化,产水和产沙10年平均预测精度分别为89．9％和70．2％．     

Modeling the Impact of Soil and Water Conservation on Surface and Ground Water Based on the SCS and Visual Modflow

Soil and water conservation measures can impact hydrological cycle, but quantitative analysis of this impact is still difficult in a watershed scale. To assess the effect quantitatively, a three-dimensional finite-difference groundwater flow model (MODFLOW) with a surface runoff model–the Soil Conservation Service (SCS) were calibrated and applied based on the artificial rainfall experiments. Then, three soil and water conservation scenarios were simulated on the sand-box model to assess the effect of bare slope changing to grass land and straw mulching on water volume, hydraulic head, runoff process of groundwater and surface water. Under the 120 mm rainfall, 60 mm/h rainfall intensity, 5 m² area, 3° slope conditions, the comparative results indicated that the trend was decrease in surface runoff and increase in subsurface runoff coincided with the land-use converted from bare slope to grass land and straw mulching. The simulated mean surface runoff modulus was 3.64×10⁻² m³/m²/h in the bare slope scenario, while the observed values were 1.54×10⁻² m³/m²/h and 0.12×10⁻² m³/m²/h in the lawn and straw mulching scenarios respectively. Compared to the bare slope, the benefits of surface water reduction were 57.8% and 92.4% correspondingly. At the end of simulation period (T = 396 min), the simulated mean groundwater runoff modulus was 2.82×10⁻² m³/m²/h in the bare slope scenario, while the observed volumes were 3.46×10⁻² m³/m²/h and 4.91×10⁻² m³/m²/h in the lawn and straw mulching scenarios respectively. So the benefits of groundwater increase were 22.7% and 60.4% correspondingly. It was concluded that the soil and water conservation played an important role in weakening the surface runoff and strengthening the underground runoff. Meanwhile the quantitative analysis using a modeling approach could provide a thought for the study in a watershed scale to help decision-makers manage water resources.     

Echosounding observations of coverage,height, PVI,and biomass of submerged macrophytes in the southern basin of Lake Biwa,Japan

We have developed a procedure to process echosounding data to map the distribution of submerged aquatic macrophytes in the southern basin of Lake Biwa, a water body that has a surface area of 52 km² and a mean depth of 4 m. Echosounding observations were made along 27 transect lines spaced at 500-m intervals on August 4 and September 2 and 30, 2003. Quantitative vegetation data including percent coverage, mean vegetation height, and percent vegetation infestation were directly determined using image data from the echosounder recorded digitally on videotape. Based on the image data from an echosounder, a regression model was developed for estimating biomass of submerged macrophytes. The regression model using the total echo strength as the explanatory variable could reliably estimate macrophyte biomass up to 300 g m⁻². Distribution maps of macrophyte height and biomass suggest that the recent summer decline of submerged macrophytes started earlier in shallow areas (<3 m of depth) than deep areas (>4 m) in the southern basin of Lake Biwa.     

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。