土地利用_土地覆被变化的水文效应模拟
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《土地利用-覆被变化对汾河上游水文干旱的影响研究》
《土地利用-覆被变化对汾河上游水文干旱的影响研究》土地利用-覆被变化对汾河上游水文干旱的影响研究一、引言土地利用与覆被变化是地球环境系统的重要动态过程，其对流域水文特性的影响已经逐渐受到人们的关注。
特别是对汾河上游而言，随着社会经济的快速发展，土地利用和覆被的快速变化不仅影响了该区域的生态平衡，也影响了水文系统的稳定。
本研究将针对汾河上游土地利用/覆被变化对水文干旱的影响进行深入探讨。
二、研究区域与方法1. 研究区域本研究以汾河上游为研究对象，该区域位于山西省，具有丰富的水资源和复杂的土地利用类型。
2. 研究方法本研究采用遥感技术、地理信息系统和统计分析等方法，对汾河上游的土地利用/覆被变化进行监测和评估，并分析其对水文干旱的影响。
三、土地利用/覆被变化分析1. 土地利用/覆被现状汾河上游的土地利用类型主要包括林地、草地、农田、城市用地等。
近年来，随着城市化进程的加快，城市用地比例逐渐增加，农田和林地的面积有所减少。
2. 土地利用/覆被变化趋势通过对历史遥感数据的分析，我们发现，近十年来，汾河上游的林地面积有所减少，而城市用地和农田面积有所增加。
同时，由于过度放牧和开垦，草地逐渐退化。
四、土地利用/覆被变化对水文干旱的影响1. 植被覆盖对水文干旱的影响植被覆盖是影响流域水文特性的重要因素。
林地的减少导致地表植被覆盖率降低，降低了地表水分的蒸发和土壤的保水能力，从而加剧了水文干旱的严重性。
2. 土地利用类型变化对水文干旱的影响城市用地和农田的增加导致地表硬化程度增加，减少了地表水分的渗透和蒸发，同时增加了水体的需求和污染风险。
这些因素均对水文干旱产生了影响。
特别是农田地区的水资源过度使用和水土流失现象加剧了当地的水资源短缺问题。
五、应对策略与建议针对上述问题，我们提出以下应对策略与建议：1. 加强土地利用规划和管理，合理规划农田、林地、城市用地等土地利用类型，保护生态环境。
2. 推广节水农业技术，减少农田水资源的使用量，降低农业对水资源的压力。
滦河流域土地利用_覆被变化的水文响应_史晓亮
考虑到滦河流域内分布许多大中型水库，以及引滦入津等调水工程，而本文旨在研究土地利用 /覆被变 化条件下自然产流过程的响应，为剔除水利工程的影响，本研究采用了 1970—2000 年的月还原径流对模型 进行率定和验证。其中 1970—1972 年作为模型的初始条件形成期，选取 1973—1988 年 5 个水文站的月还原 径流数据进行模型率定，以 1985 年土地利用数据作为输入； 采用率定后的参数，应用 1989—2000 年水文气 象数据进行模型验证，以 2000 年土地利用数据为输入。本文采用常用的决定系数 Ｒ2 、Nash-Sutcliffe 效率系 数 Ens和相对误差 EＲ3 个指标评价模型在研究区的适用性。一般认为，Ｒ2 越高，Ens 越大， | EＲ | 越小，表 明模拟效果越好； 当 Ｒ2 ＞ 0. 6，Ens ＞ 0. 5， | EＲ | ＜ 15% 时，即认为模型在研究区适用［14-16］。
土壤参数 土壤层数、各层厚度、土壤质地、土壤孔隙度、有机质含量 阴离子交换孔隙度、电导率 有机碳含量 Csol 机械组成 饱和导水率、可利用水量、土壤容重 土壤水文组 田间土壤反射率 Ｒsol USLE 方程 K 因子 KUSLE
计算 /获取方法 查阅当地土种志 模型默认值 Csol = 0. 58Msol （ Msol 为有机质含量） 三次样条插值 SPAW 模型计算 根据经验模型计算土壤下渗率，进而查表得到土壤水文分组 Ｒsol = 0. 227exp（ － 1. 826 7 Msol ） KUSLE = fcsand fcl_ st forgc fhisand
收稿日期： 2012-11-09； 网络出版时间： 2013-11-30 网络出版地址： http： / / www. cnki. net / kcms / detail /32. 1309. P. 20131130. 1544. 017. html 基金项目： “十二五” 国家科技支撑计划资助项目（ 2012BAC19B03） ； 国家自然科学基金资助项目（ 51009148） 作者简介： 史晓亮（ 1985—） ，男，陕西宝鸡人，博士，主要从事遥感与地理信息系统在水文学中的应用研究。
土壤参数 土壤层数、各层厚度、土壤质地、土壤孔隙度、有机质含量 阴离子交换孔隙度、电导率 有机碳含量 Csol 机械组成 饱和导水率、可利用水量、土壤容重 土壤水文组 田间土壤反射率 Ｒsol USLE 方程 K 因子 KUSLE
计算 /获取方法 查阅当地土种志 模型默认值 Csol = 0. 58Msol （ Msol 为有机质含量） 三次样条插值 SPAW 模型计算 根据经验模型计算土壤下渗率，进而查表得到土壤水文分组 Ｒsol = 0. 227exp（ － 1. 826 7 Msol ） KUSLE = fcsand fcl_ st forgc fhisand
收稿日期： 2012-11-09； 网络出版时间： 2013-11-30 网络出版地址： http： / / www. cnki. net / kcms / detail /32. 1309. P. 20131130. 1544. 017. html 基金项目： “十二五” 国家科技支撑计划资助项目（ 2012BAC19B03） ； 国家自然科学基金资助项目（ 51009148） 作者简介： 史晓亮（ 1985—） ，男，陕西宝鸡人，博士，主要从事遥感与地理信息系统在水文学中的应用研究。
古浪河流域气候变化与土地利用变化的水文效应
古浪河流域气候变化与土地利用变化的水文效应作者：张兰影等来源：《南水北调与水利科技》2014年第01期摘要：SWAT模型是流域尺度的分布式水文模型，可以在流域尺度上定量评估气候变化和土地利用/覆被变化的水文效应。
利用率定的SWAT模型，结合情景分析方法，定量分析了古浪河流域气候变化和土地利用/覆被变化对蒸散发、地表径流等水循环要素的影响。
结果表明：降水和气温的改变是引起蒸散发和地表径流变化的重要因素，降水对地表径流的影响更大，气温对蒸散发的影响更大，且均表现出明显的季节性差异；土地利用/覆被变化也会引起蒸散发和地表径流的变化，林地和草地的增加会增加蒸散发和减少地表径流，耕地的增加则会减少蒸散发、增加地表径流，农村居民点或裸地的增加将会显著增加蒸散发和地表径流。
关键词：气候变化；土地利用/覆被变化；情景分析；水文效应；SWAT；古浪河流域中图分类号：P343 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2014）01-0042-05流域水循环是一个复杂的过程，主要受气候、流域物理特性和人类活动的影响[1]。
全球气候变化将引起气温变化和水文循环强度改变，人类活动主通过改变土地利用/覆被变化，从而影响水文循环过程。
在气候变化的水文响应方面，冯夏清等[2]应用SWAT模型研究了嫩江水系乌裕尔河流域气候变化的水文响应，说明气候变化对径流量影响较为显著；夏智宏等[3]在汉江流域水资源气候变化响应的研究中指出，气候变化情景下径流变化较实际蒸散发的变化明显；于磊等[4]以漳卫南运河流域为研究对象，以流域径流量、腾发量和产水量三个指标探究了不同降水和气温交互作用情景下气候变化对中尺度流域水循环的影响。
在土地利用/覆被变化的水文响应方面，Wenming Nie等[5]基于分布式水文模型SWAT在子流域尺度上运用回归分析的方法量化了不同土地利用/覆被方式对水文要素的影响；李恒鹏等[6]定量评估了土地利用变化对产流量的影响，并分析了产流量增加的区域差异。
土地利用变化对水文过程的影响研究
土地利用变化对水文过程的影响研究随着人类社会的快速发展和城市化进程的加速，土地利用的不断变化对水文过程产生了显著的影响。
本文将对土地利用变化对水文过程的影响进行深入的研究和分析，以期加深我们对这一领域的理解。
一、引言水文过程是指地球上的水如何在不同形式和形态下的循环、储存和运动。
而土地利用变化则是指人类对土地所做出的改变，包括城市化、农业扩张、森林伐木等。
土地利用变化不仅能够影响水量的分配和质量的变化，而且在一定程度上还会改变水文循环的速率和路径，进而影响水文过程。
因此，研究土地利用变化对水文过程的影响是十分重要的。
二、土地利用变化对降雨径流的影响降雨径流是指雨水从地表或者植被上流到地下水源或江河湖海的过程。
土地利用变化会对降雨径流产生直接的影响。
例如，城市化过程中大量的建筑和硬化道路会导致降雨无法渗透进入地下水，增加了地表径流的形成，从而加剧了城市洪水风险。
另外，农业扩张也会对降雨径流产生影响。
传统农业中，大部分降雨被农田的植被和土壤吸收，形成潜在蒸发。
而当农田转化为城市或者工业用地时，蒸发的减少会导致更多的降雨形成径流，增加水文循环迟滞时间，从而导致洪水的产生。
三、土地利用变化对地下水和地表水的影响土地利用变化不仅会对降雨径流产生影响，还会直接影响地下水和地表水的存储和补给。
例如，森林伐木会减少地表蒸发和植物蒸腾，进而导致地下水补给减少。
此外，地下水抽取用于城市供水也会导致地下水位降低，进而影响地表水的补给和河流的流量。
四、土地利用变化对水质的影响除了对水量的影响，土地利用变化还会对水质产生显著的影响。
城市化过程中，大量的污水排放和工业废水排放会导致水体中污染物含量的增加，使得水质恶化。
同时，农业活动中的农药和化肥的使用也会导致农田径流中的污染物浓度升高，对水质造成一定的污染。
五、土地利用变化对水文循环的影响土地利用变化对水文过程产生的综合影响主要体现在改变水文循环的速率和路径上。
城市化过程中的大量硬化道路和建筑会增加地表径流的速率，加剧洪水风险。
土地利用覆被变化的水文水资源效应
反思
保护植被，植树造林、种草。 控制城市用地规模，增加城市绿地面积。 科学利用土地，提高农业土地的利用效率，发 展生态农业、绿色农业、科技农业。 通过分析LUCC对水循环、、水量、水质等的 影响，为流域综合治理规划、水资源开发与保 护、防洪抗旱、水污染规划与管理提供一定的 科学依据。
谢谢
农业开发活动的水文水资源效应
农业开发活动会增加年径流量和洪峰流量，使水质退 化 土地利用的开发强度也不断增加,极大地破坏了土壤结 构,促使土壤压实和结皮,从而使入渗速率和土壤蓄水 含量有所降低 。 农业土地利用的变化,特别是放牧压力和作物种植强度 的增大,造成入渗和地下水补给降低以及径流增加 。 田间排水可通过增加季节性河流密度以及抑制土壤中 流量和蓄水而使洪峰流量持续增加。 大量农药、化肥等化学物质的使用会造成水体的富营 养化，使水质发生退化。
土地利用/覆被变化
的水文水资源效应
森林的水文水资源效应 城市化的水文水资源效应 农业开发活动的水文水资源效应 水土保持的水文水资源效应 反思
森林的水文水资源效应
森林能减少年径流量、调节枯水径流以及削减 洪峰 与灌木、作物、草地等相比,有林地通常会减 少流域的径流量 在枯水季节,降水减少,森林土壤含蓄的水分能 增加枯水径流量 森林可以调节洪水发生过程,削减洪峰流量,延 长洪峰持续时间
城市化的水文水资源效应
主要表现为径流系数增大,雨洪过程线更加尖 陡,洪峰流量频次增加,而雨洪不易蓄积,地下水 补给减少 。 城市径流量的增多也增加了进入河流与湖泊的 泥沙量和污染负荷,加重了非点源污染 。 此外,城市化过程也带来了明显的热岛城市径流。
地理信息科学在水文模拟中的应用
地理信息科学在水文模拟中的应用水是生命之源，水文现象的研究对于水资源管理、防洪减灾、生态环境保护等诸多领域都具有至关重要的意义。
而地理信息科学（Geographic Information Science，简称 GIS）的出现和发展，为水文模拟带来了新的机遇和突破。
地理信息科学是一门综合性的学科，它融合了地理学、计算机科学、测绘学等多个领域的知识和技术，旨在对地理空间数据进行采集、存储、管理、分析和可视化。
在水文模拟中，GIS 能够提供强大的空间数据处理和分析能力，帮助我们更好地理解和预测水文过程。
首先，GIS 在水文模拟中的一个重要应用是数据采集和管理。
水文模拟需要大量的地理空间数据，如地形、土壤类型、土地利用、植被覆盖等。
GIS 可以通过遥感技术、全球定位系统（GPS）和实地调查等手段获取这些数据，并将其进行整合和存储。
例如，通过遥感影像可以获取大面积的土地利用和植被覆盖信息，而 GPS 则能够精确测量地形高程点。
这些数据经过处理后，可以构建高精度的数字高程模型（DEM）、土地利用图和土壤类型图等，为水文模拟提供基础数据支持。
其次，GIS 有助于进行水文特征的提取和分析。
基于 DEM 数据，GIS 可以计算出流域的边界、河网水系、坡度、坡向等重要的水文特征参数。
这些参数对于确定水流的方向和速度、计算流域的汇流面积等具有关键作用。
例如，通过流域的边界和河网水系，可以划分出不同的子流域，为分布式水文模型的建立提供基础。
此外，GIS 还可以分析地形对降水和气温的空间分布的影响，从而为水文模型输入更准确的气象数据。
再者，GIS 在水文模型的参数化方面发挥着重要作用。
水文模型通常包含许多参数，如土壤的水力传导率、植被的截留能力等。
这些参数在空间上往往具有很大的变异性。
GIS 可以结合实地观测数据和空间分析方法，对这些参数进行空间插值和赋值，从而提高水文模型的精度和可靠性。
例如，利用土壤类型图和实地采集的土壤样本数据，可以对土壤参数进行空间分布的估算。
土地利用规划中的土地利用变化模拟与预测
土地利用规划中的土地利用变化模拟与预测土地利用规划是指根据特定的目标和需求，对土地资源进行合理利用和规划的过程，旨在实现经济、社会和环境可持续发展。
在土地利用规划中，土地利用变化模拟与预测是一项关键工作，它能够帮助规划者了解土地利用的现状和趋势，制定科学合理的规划方案。
一、土地利用变化模拟方法1.历史数据分析法土地利用变化模拟可以从分析历史数据开始。
该方法通过对过去若干年的土地利用数据进行整理、分析和总结，得出不同时间段内土地利用的特征和规律。
在此基础上，可以利用统计模型、时间序列分析等方法，预测未来一段时间内的土地利用变化情况。
2.空间模型与遥感技术空间模型和遥感技术结合使用，也是进行土地利用变化模拟的一种常用方法。
空间模型利用地理信息系统（GIS）技术，将土地利用的空间分布与其影响因素相结合，建立空间分析模型，从而模拟土地利用的变化。
而遥感技术则通过对地球表面的遥感数据进行获取和分析，获取土地利用的信息，进而预测未来土地利用的变化趋势。
二、土地利用变化预测的意义1.科学决策依据土地利用变化预测能够为决策者提供科学、准确的依据，帮助其制定合理的土地利用规划方案。
通过分析土地利用变化的趋势和规律，能够预测未来土地利用的发展方向，合理配置土地资源，满足社会经济发展的需求。
2.生态环境保护土地利用的变化对生态环境有着深远的影响。
预测土地利用的变化情况，可以帮助规划者及时采取措施，保护和恢复生态环境。
比如在城市化进程中，预测土地利用的变化可以帮助规划者选择合适的区域开发，避免破坏珍贵的生态资源。
三、土地利用变化预测的挑战1.数据获取和处理问题土地利用变化预测需要大量的土地利用数据和相关的环境因素数据。
然而，数据获取和处理一直是一个难题。
不同地区的数据来源、数据格式存在差异，数据融合和统一处理的难度较大。
2.不确定性和多样性土地利用变化受到多种因素的影响，包括自然因素、人口增长、经济发展等。
因此，土地利用变化模拟和预测存在较大的不确定性。
《2024年上海中心城区土地利用-土地覆被变化的环境水文效应研究》范文
《上海中心城区土地利用-土地覆被变化的环境水文效应研究》篇一上海中心城区土地利用-土地覆被变化的环境水文效应研究一、引言上海作为中国最具活力和国际影响力的城市之一，其中心城区的土地利用和土地覆被变化（LUCC）在过去的几十年里发生了显著的变化。
这些变化不仅影响了城市的生态环境，也对城市的水文环境产生了深远的影响。
本文旨在研究上海中心城区土地利用/土地覆被变化的环境水文效应，分析其影响机制，并提出相应的应对策略。
二、研究区域与方法本研究选取上海中心城区为研究对象，采用遥感技术、地理信息系统（GIS）技术和水文模型等方法，对土地利用/土地覆被变化进行定量和定性分析。
同时，结合实地调查和历史数据，探讨土地利用/土地覆被变化对城市水文环境的影响。
三、上海中心城区土地利用/土地覆被变化现状上海中心城区的土地利用/土地覆被变化主要表现为城市扩张、绿地减少、建筑密度增加等方面。
随着城市化的快速发展，大量的农田和绿地被开发为住宅区、商业区和工业区。
此外，城市道路和广场等基础设施的建设也占用了大量的土地资源。
这些变化导致了城市生态环境的改变，对城市的水文环境产生了深远的影响。
四、环境水文效应分析（一）地表径流变化随着城市化的进程，建筑物的密集分布和地面硬化的增加，使得地表径流速度加快，洪峰流量增大，给城市排水系统带来了巨大的压力。
此外，绿地等自然地面的减少也降低了地表的渗水能力，加剧了洪涝灾害的发生。
（二）地下水文环境变化城市化的过程中，大量的建筑垃圾和硬化地面覆盖了地表，阻碍了地下水的自然补给。
同时，城市生活和工业排放的废水也污染了地下水，导致地下水资源的质量下降。
此外，过度开采地下水也会导致地面沉降等问题。
（三）水质变化随着城市的发展，水体污染问题日益严重。
工业废水、生活污水和农业废水等排放到河流、湖泊等水体中，导致水质恶化。
此外，城市化的过程中，绿地等自然地面的减少也降低了地表的自净能力，进一步加剧了水体污染的问题。
不同土地利用类型下水文过程的模拟与预测
不同土地利用类型下水文过程的模拟与预测水文过程是指涉及水文数据、水文过程和水文效应的一系列水循环活动。
在不同土地利用类型下，水文过程的模拟与预测对于有效地管理和保护水资源至关重要。
本文将探讨不同土地利用类型对水文过程的影响，通过模拟与预测研究，为水资源管理提供参考依据。
第一节：不同土地利用类型对水文过程的影响1.农田农田是重要的土地利用类型之一，农业生产对水资源的需求非常大。
在农田利用过程中，大量的灌溉和排水活动会直接影响地下水位和地表水的水文过程。
通过模拟分析，可以发现不同农田类型的灌溉需求和水分利用效率，为合理配置水资源提供科学依据。
2.林地林地是保持水源涵养和生态平衡的重要生态系统，林地的覆盖对于减少径流、改善土壤保持能力和维持水体生态环境具有关键作用。
通过模拟与预测，可以研究林地的不同植被类型对水文过程的影响，促进更好地保护和管理森林资源。
3.城市城市化进程导致大量土地被城市建设所占用，城市化对水文过程的影响十分显著。
城市中的硬质覆盖和雨污分流系统会增加雨水径流和污染物输入水体的风险，通过模拟预测可以探讨不同的城市规划方式对水资源的影响，为城市水资源管理提供科学依据。
第二节：水文过程的模拟与预测方法1.水文模型水文过程的模拟与预测通常采用水文模型进行，水文模型是以数学方程式为基础，模拟水文循环过程的工具。
常用的水文模型包括SWAT模型、HEC-HMS模型等，通过建立地表径流、地下径流和蒸散发等过程的数学关系，实现对水文过程的准确模拟与预测。
2.遥感技术遥感技术在水文过程研究中发挥着重要作用，遥感数据可以提供大范围、实时的地表水文信息，用于模型参数校准和验证。
通过遥感技术获取土地利用覆盖变化信息，可以辅助水文模型对。
3.地统计学方法地统计学方法是将统计学原理和空间定位信息相结合的新型研究手段，可以用于揭示土地利用类型和地形特征对水文过程的影响。
通过地统计学方法，可以研究土地利用时空变化对水文过程的影响机制，为水资源管理决策提供数据支持。
基于 BTOPMC 模型的土地覆被变化径流响应模拟
** 通讯作者; E-mail: rll@.
508
J. Lake Sci.(湖泊科学), 2008, 20(4)
被变化对流域水量平衡各分量的影响.
1 BTOPMC 模型简介
1.1 地形分析模块
地形分析模块是基于敖天其等人于2001和2003年提出的方法对DEM数据进行预处理[3-4], 提取流域
水系和计算各种地形特征, 如流向、坡度和上坡集水面积等. 基于上述结果, 该模块可利用公式(1) 计算
地形指数在流域内或坡面上的空间分布.
γ i = ln(αi / tan βi )
(1)
式中, γi 为i处的地形指数, αi为流经坡面任一点i处单位等高线长度的汇水面积, tanβi为该点处的坡度.
当前水文学研究的热点方向之一是采用分布式流域水文模型模拟水循环要素过程, 而流域水量变 化又是水文过程中的最敏感因素. 土地覆被变化改变了地表蒸发、土壤水分状况及地表覆被的截留量 而影响径流的时空变化, 因而一直是科研工作者研究的热点问题之一[1]. 地表下垫面变化影响着流域 产流量, 且对于不同时空尺度的不同流域, 其影响程度又大不相同[2]. 传统水文学方法在研究土地覆 被变化对径流影响的过程中对资料输入处理、物理过程模拟和时空尺度匹配上都存在着局限性. 而基 于物理过程的完全分布式水文模型虽然在模拟地表覆盖、水土流失变化的径流响应已显现出明显的优 势, 但它对资料的要求严格, 因而可操作性较弱, 无法对其推广使用. 本文介绍的BTOPMC (Blockwise use of TOPMODEL with the Muskingum-Cunge method) 模型是由日本山梨大学于1996年基于 TOPMODEL的改进上提出的, 目前仍在不断完善中. 该模型能够模拟土地覆被变化的径流响应, 需要 率定的参数较少, 对模型资料输入要求不高, 且能够充分利用当前可获得的卫星遥感资料. 本文以史 河流域为研究对象, 应用BTOPMC模型对不同土地覆被情景下的流域水文响应进行模拟, 分析了土地覆
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J. Lake Sci.(湖泊科学), 2008, 20(4)
被变化对流域水量平衡各分量的影响.
1 BTOPMC 模型简介
1.1 地形分析模块
地形分析模块是基于敖天其等人于2001和2003年提出的方法对DEM数据进行预处理[3-4], 提取流域
水系和计算各种地形特征, 如流向、坡度和上坡集水面积等. 基于上述结果, 该模块可利用公式(1) 计算
地形指数在流域内或坡面上的空间分布.
γ i = ln(αi / tan βi )
(1)
式中, γi 为i处的地形指数, αi为流经坡面任一点i处单位等高线长度的汇水面积, tanβi为该点处的坡度.
当前水文学研究的热点方向之一是采用分布式流域水文模型模拟水循环要素过程, 而流域水量变 化又是水文过程中的最敏感因素. 土地覆被变化改变了地表蒸发、土壤水分状况及地表覆被的截留量 而影响径流的时空变化, 因而一直是科研工作者研究的热点问题之一[1]. 地表下垫面变化影响着流域 产流量, 且对于不同时空尺度的不同流域, 其影响程度又大不相同[2]. 传统水文学方法在研究土地覆 被变化对径流影响的过程中对资料输入处理、物理过程模拟和时空尺度匹配上都存在着局限性. 而基 于物理过程的完全分布式水文模型虽然在模拟地表覆盖、水土流失变化的径流响应已显现出明显的优 势, 但它对资料的要求严格, 因而可操作性较弱, 无法对其推广使用. 本文介绍的BTOPMC (Blockwise use of TOPMODEL with the Muskingum-Cunge method) 模型是由日本山梨大学于1996年基于 TOPMODEL的改进上提出的, 目前仍在不断完善中. 该模型能够模拟土地覆被变化的径流响应, 需要 率定的参数较少, 对模型资料输入要求不高, 且能够充分利用当前可获得的卫星遥感资料. 本文以史 河流域为研究对象, 应用BTOPMC模型对不同土地覆被情景下的流域水文响应进行模拟, 分析了土地覆
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2. 2. 2! 属性数据
地理属性数据主 要包括土层厚度、密 度、有 机碳、有效可利
用水量和土壤饱和 水力 传导 率等。研 究中所 需要 的土壤 参数 主要取自 &中国土壤 ∋和 &黄河 流域农业 土壤志 ∋。 SWAT 模型 中有关土地利用和植 被覆盖的数 据通过 DBF 文 件进行 存储和 计算。
2. 3. 2! 模型参数率定验证
SWAT 模 型的自动率定模块采 用 SCE - UA 单纯多 边形进 化算法, 参数率定目标方程采用 SSQ 方程。选择张家 山水文站 1992∀ 1997年 实测日径流进行参数率定, 结果见表 2。
表 2! 参数率定结果
参数名
CN 2 SU RLAG
ESCO SOL _AWC
mm; t为计算时段, d; Rday 为第 i天降雨量, mm; Q surf 为第 i天的
地 表径流深, mm; E a 为第 i天的蒸发量, mm; W seep 为第 i天土壤
侧向流量, mm; Q gw 为第 i天地下径流量, mm。
SWAT 模型提供了两种计 算地表 径流 量的 方法: SCS 曲线
24
SWAT 模型的主要版本有 SWAT94. 2、SW AT 96. 2、SWAT98. 1、
SW AT 99. 2、SW AT2000、SWAT 2003 以 及 SW AT2005[ 9- 10]。 目前
较为成熟的版本 是 SW AT 2005, 其 主要技 术优势 是在基 于 A rc M ap平台的 A rcSW AT 模块上加入了参数 自动敏 感性分 析和参
! E m ai:l w ang shaow e@i m ai.l bnu. edu. cn
人 民 黄 河 ! 2010年第 5期
渭河。泾河全长 450 km, 流域 面积 为 45 421 km2, 其中张 家山 水文站控制面积为 43 216 km2。泾河流 域处于黄 土高原 腹地, 属温带半干旱半湿润 大陆性季风气候区, 气象灾 害频繁。流域 内存在部分次生林, 植被稀少。
随着计算机技 术的 发展, 基于 G IS 技术、具 有物 理基 础的 分布式水文模型为分 析土地利用 /土地覆 被变化的水 文效应提 供了更有效的 手段。然 而, 用模 型模拟 土地 利用 /土 地覆 被变 化的水文效应只是刚 刚起步, 研究工作还比较薄弱 [ 8] 。
近年 来, 泾河流 域开展 了大规 模的水土 保持工 作, 土地利 用 /土地覆被 发 生 了 显 著 的 变 化。笔 者 借 助 SWAT ( So il and W a ter A ssessm ent T ool)模型 [ 9- 10] 模拟了各种土 地利用 /土地覆 被情景下泾河流域径 流量变化。
H arg reaves等计算 潜在蒸散发能力的 方法, 笔者选 用 Penm an M onte ith法。
SWAT 模 型采用动力贮水方法 计算壤 中流, 下渗到 土壤中 的水以不同的方式 运动, 可以 被植 物吸收 或蒸 腾而 损耗, 可以
渗漏到土壤底层最终 补给地下水, 也可以形成壤中流。
2! SWAT模型在泾河流域的应用
1! 模型概述
SWAT 模型 是美 国 农业 部 ( U SDA ) 农 业研 究 局 ( AR S) 在 SWR BB模型基础上发展 起来的一个长时段 流域分布式 水文模 型, 具有很强的 物理 基础。 作为 流域 尺度 的模 型, SW AT 可以 用于模拟地表水和 地下水 的水 质、水量, 预测 土地 管理措 施对 大尺度流域水文、泥沙和农业化学物质的影响。
1. 1! SWAT 模型的特点
从模型结构看, SW AT 属 于第 二类 分布式 水文 模型 [ 11], 即 在每一个网格单元 (或子流域 ) 上应用传 统的概 念性模 型来推 求净雨, 再进行汇流 演算, 最 后求得 出口 断面流 量。从建 模技 术看, SW AT 采用先 进的 模块 化设 计思 路, 水循 环的 每一 个环 节对应一个子模块, 十分方便模型的扩 展和应用。从 运行方式 看, SW AT 采用独特的命令代码 控制水流 在子流 域间和 河网中 的演进过程, 使添加水库调 蓄作用 变得异 常简单。 SWAT 模型 功能强大, 能够用来模拟和分析水土流失、非点 源污染、农业管 理等, 并能在资料缺乏 地区建 模, 在加 拿大和 北美 寒区得 到了 较为广泛的应用 [ 12- 16] 。
! ! 随着资源、环境和人口问题的日 益突出, 土地利用 /土地覆 被变化已成为 全球变 化研 究的 热点 [ 1- 3] , 其 对区 域水 资源、水 文过程、干旱、洪涝灾 害和 社会经 济的 影响以 及可 持续发 展适 应对策, 已成为土地利用 /土地覆被 变化研究 领域的重要 课题, 流域尺度的 土 地利 用 /土 地覆 被 变化 水文 效 应研 究也 日 益活 跃 [ 4- 7] 。
3! 情景分析
3. 1! 情景模式的建立
为了掌握土地利 用 /土地覆被状况对 流域径流量 的影响过 程, 在分析泾河流域 多年土 地利 用 /土 地覆被 变化 及景观 特征 状况 的基础 上, 对 未来流 域内土 地利用 /土地覆 被构建 5种情 景: 情景 1, 地表无 任何植 被覆盖, 全部 为裸地; 情 景 2, 地 表全 部被林地和高密度草 地覆盖; 情景 3, 地表 符合退耕 政策, 耕地 林地草地并存; 情景 4, 地表 土地进 一步退 化, 为 低密度 草地和 裸地; 情景 5, 地表为率定验证期状况。
价结果见表 3。 表 3! 月平均径流模拟效果评价
模拟期 率定期 验证期
R e /% 10. 29 13. 83
R 0. 79 0. 76
E 0. 77 0. 75
! ! 从模拟结果的评 价指标来看 , SWAT 模型在 泾河流 域模拟 的效果是比较好的。模型参数 的空间差异性显 著, 模 拟时间跨 度较大, 且人类活动 作用 明显, 影响 了模 拟结果。 如果能 获得 较为详细的下垫面 资料, 例如 更为 详尽准 确的 气象 资料、土壤 属性参数、土地利用属 性参数 等, 同时 考虑流 域内 水库的 取用 水情况, 模型精度会进一步提高。对于适 用于丰富资 料地区的 SWAT 模型来讲, 资料的贫乏限 制了模型 在大尺 度流域 水文模 拟上优势的发挥。
2. 3! 模型参数敏感性分析及模型参数率定验证 2. 3. 1! 模型参数敏感性分析
最新版本的 A rcSWAT 提 供了 自动 参数 敏感 性分 析模 块, 使用 LH S 法和 OAT 法相 结合 的方 式来 确定 参数 敏感 性。在 LHS法选出一个适 当的 变量 随机 抽样 组合, 然 后利 用 OAT 方 法直接确定参数敏感 度。应用 此模块, 确 定了对流域 输出有重 要影 响 的 11 个 敏感 性 参数, 按先 后 顺序 依 次 为径 流 曲 线数 CN2、地 表径流滞 后系 数 SURLAG、河道 有效 水 力传 导度 CH _ K 2、土壤蒸发补 偿系数 ESCO、基 流 系数 ALPHA _BF、土壤可 利用水量 SOL _AW C、土 壤深度 SO L _Z、湿 润土壤 反照率 SO L _ ALB、平均坡度 SLO PE、饱和水力传导 度 SO L _K、主河道 曼宁系 数 CH _N。
第 32卷第 5 期 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 人 ! 民 ! 黄 ! 河 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! V ol. 3 2, N o. 5 ! ! 2010年 5 月 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! YELLOW ! R IVER! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! M ay, 2010! !
2. 1! 泾河流域概况
泾河发源于泾源 县, 流 经宁夏、甘肃、陕 西 3省 (区 ), 注入
! 收稿日期: 2009 10 20 ! 基金项目: 国家自然科学基 金资助项目 ( 50579003) ; 教育 部高等学校博士学科 点专项科研基金资助项目 ( 20040027005) 。 ! 作者简介: 王韶伟 ( 1983∀ ) , 男, 河南 陕县人, 博士研 究生, 研究方 向为水 文与 水资源。
数自动优化模块, 模型运行效率较高。
1. 2! SWAT 模型的水文过程
模型中采用的水 量平衡方程为
t
# SW t = SW 0 +
( Rday - Q surf - E a - W seep - Q gw ) ( 1)
i= 1
式中: SW t 为土 壤 最 终含 水 量, mm; SW 0 为 土 壤 前期 含 水 量,
SWAT 模 型所要求的气象参数 比较多, 其模 拟时间 步长可 为年、月、日。根据实际月气象资料定义一个 ( 天气发生器 ), 如 果流域内某些数据难以获得时 , ( 天气发生器 )可以根据事先提 供的多年月平均资 料来模 拟逐日 气象资 料。 ( 天 气发生器 )所 需的参数包括月平 均最高 气温、月 平均最 低气 温、最高气 温标 准偏差、最低气温标准偏差、月 平均降雨量、月平均降 雨量标准 偏差、降雨的偏度系数、月 内干 日数、月内 湿日 数、平均降 雨天 数、露点温度、月平均太阳辐射量、月平均 风速以及最 大半小时 降雨量等。
2. 2! 数 ! 据 2. 2. 1! 空间数据
将数字高程模型 ( DEM )、土地利用类型图及土壤类型图统 一转换为 A lbe rs等积圆锥投影方式, 投影参数见表 1。
表 1! 研究区投影参数
第一标准 纬线
第二标准 纬线
中央经线
椭球体
单位
33∃N
39∃N
108∃E
K础地理信息中心 提供的全国 1 %25 万 DEM 中提取。土地利用类型图采用中 国科学院地 理科学与 资源研 究所提 供的 1 % 100 万黄河 流域土地 利用类 型图, 根据 土地利用类型原来 的分类 系统, 结 合研究 区特 点, 将土地 利用 划分为耕地、林地、草地、水 域、城乡 工矿居民用地和裸 地 6类。 土壤类型图采用 1 % 400万中国土 壤类型图。
地理属性数据主 要包括土层厚度、密 度、有 机碳、有效可利
用水量和土壤饱和 水力 传导 率等。研 究中所 需要 的土壤 参数 主要取自 &中国土壤 ∋和 &黄河 流域农业 土壤志 ∋。 SWAT 模型 中有关土地利用和植 被覆盖的数 据通过 DBF 文 件进行 存储和 计算。
2. 3. 2! 模型参数率定验证
SWAT 模 型的自动率定模块采 用 SCE - UA 单纯多 边形进 化算法, 参数率定目标方程采用 SSQ 方程。选择张家 山水文站 1992∀ 1997年 实测日径流进行参数率定, 结果见表 2。
表 2! 参数率定结果
参数名
CN 2 SU RLAG
ESCO SOL _AWC
mm; t为计算时段, d; Rday 为第 i天降雨量, mm; Q surf 为第 i天的
地 表径流深, mm; E a 为第 i天的蒸发量, mm; W seep 为第 i天土壤
侧向流量, mm; Q gw 为第 i天地下径流量, mm。
SWAT 模型提供了两种计 算地表 径流 量的 方法: SCS 曲线
24
SWAT 模型的主要版本有 SWAT94. 2、SW AT 96. 2、SWAT98. 1、
SW AT 99. 2、SW AT2000、SWAT 2003 以 及 SW AT2005[ 9- 10]。 目前
较为成熟的版本 是 SW AT 2005, 其 主要技 术优势 是在基 于 A rc M ap平台的 A rcSW AT 模块上加入了参数 自动敏 感性分 析和参
! E m ai:l w ang shaow e@i m ai.l bnu. edu. cn
人 民 黄 河 ! 2010年第 5期
渭河。泾河全长 450 km, 流域 面积 为 45 421 km2, 其中张 家山 水文站控制面积为 43 216 km2。泾河流 域处于黄 土高原 腹地, 属温带半干旱半湿润 大陆性季风气候区, 气象灾 害频繁。流域 内存在部分次生林, 植被稀少。
随着计算机技 术的 发展, 基于 G IS 技术、具 有物 理基 础的 分布式水文模型为分 析土地利用 /土地覆 被变化的水 文效应提 供了更有效的 手段。然 而, 用模 型模拟 土地 利用 /土 地覆 被变 化的水文效应只是刚 刚起步, 研究工作还比较薄弱 [ 8] 。
近年 来, 泾河流 域开展 了大规 模的水土 保持工 作, 土地利 用 /土地覆被 发 生 了 显 著 的 变 化。笔 者 借 助 SWAT ( So il and W a ter A ssessm ent T ool)模型 [ 9- 10] 模拟了各种土 地利用 /土地覆 被情景下泾河流域径 流量变化。
H arg reaves等计算 潜在蒸散发能力的 方法, 笔者选 用 Penm an M onte ith法。
SWAT 模 型采用动力贮水方法 计算壤 中流, 下渗到 土壤中 的水以不同的方式 运动, 可以 被植 物吸收 或蒸 腾而 损耗, 可以
渗漏到土壤底层最终 补给地下水, 也可以形成壤中流。
2! SWAT模型在泾河流域的应用
1! 模型概述
SWAT 模型 是美 国 农业 部 ( U SDA ) 农 业研 究 局 ( AR S) 在 SWR BB模型基础上发展 起来的一个长时段 流域分布式 水文模 型, 具有很强的 物理 基础。 作为 流域 尺度 的模 型, SW AT 可以 用于模拟地表水和 地下水 的水 质、水量, 预测 土地 管理措 施对 大尺度流域水文、泥沙和农业化学物质的影响。
1. 1! SWAT 模型的特点
从模型结构看, SW AT 属 于第 二类 分布式 水文 模型 [ 11], 即 在每一个网格单元 (或子流域 ) 上应用传 统的概 念性模 型来推 求净雨, 再进行汇流 演算, 最 后求得 出口 断面流 量。从建 模技 术看, SW AT 采用先 进的 模块 化设 计思 路, 水循 环的 每一 个环 节对应一个子模块, 十分方便模型的扩 展和应用。从 运行方式 看, SW AT 采用独特的命令代码 控制水流 在子流 域间和 河网中 的演进过程, 使添加水库调 蓄作用 变得异 常简单。 SWAT 模型 功能强大, 能够用来模拟和分析水土流失、非点 源污染、农业管 理等, 并能在资料缺乏 地区建 模, 在加 拿大和 北美 寒区得 到了 较为广泛的应用 [ 12- 16] 。
! ! 随着资源、环境和人口问题的日 益突出, 土地利用 /土地覆 被变化已成为 全球变 化研 究的 热点 [ 1- 3] , 其 对区 域水 资源、水 文过程、干旱、洪涝灾 害和 社会经 济的 影响以 及可 持续发 展适 应对策, 已成为土地利用 /土地覆被 变化研究 领域的重要 课题, 流域尺度的 土 地利 用 /土 地覆 被 变化 水文 效 应研 究也 日 益活 跃 [ 4- 7] 。
3! 情景分析
3. 1! 情景模式的建立
为了掌握土地利 用 /土地覆被状况对 流域径流量 的影响过 程, 在分析泾河流域 多年土 地利 用 /土 地覆被 变化 及景观 特征 状况 的基础 上, 对 未来流 域内土 地利用 /土地覆 被构建 5种情 景: 情景 1, 地表无 任何植 被覆盖, 全部 为裸地; 情 景 2, 地 表全 部被林地和高密度草 地覆盖; 情景 3, 地表 符合退耕 政策, 耕地 林地草地并存; 情景 4, 地表 土地进 一步退 化, 为 低密度 草地和 裸地; 情景 5, 地表为率定验证期状况。
价结果见表 3。 表 3! 月平均径流模拟效果评价
模拟期 率定期 验证期
R e /% 10. 29 13. 83
R 0. 79 0. 76
E 0. 77 0. 75
! ! 从模拟结果的评 价指标来看 , SWAT 模型在 泾河流 域模拟 的效果是比较好的。模型参数 的空间差异性显 著, 模 拟时间跨 度较大, 且人类活动 作用 明显, 影响 了模 拟结果。 如果能 获得 较为详细的下垫面 资料, 例如 更为 详尽准 确的 气象 资料、土壤 属性参数、土地利用属 性参数 等, 同时 考虑流 域内 水库的 取用 水情况, 模型精度会进一步提高。对于适 用于丰富资 料地区的 SWAT 模型来讲, 资料的贫乏限 制了模型 在大尺 度流域 水文模 拟上优势的发挥。
2. 3! 模型参数敏感性分析及模型参数率定验证 2. 3. 1! 模型参数敏感性分析
最新版本的 A rcSWAT 提 供了 自动 参数 敏感 性分 析模 块, 使用 LH S 法和 OAT 法相 结合 的方 式来 确定 参数 敏感 性。在 LHS法选出一个适 当的 变量 随机 抽样 组合, 然 后利 用 OAT 方 法直接确定参数敏感 度。应用 此模块, 确 定了对流域 输出有重 要影 响 的 11 个 敏感 性 参数, 按先 后 顺序 依 次 为径 流 曲 线数 CN2、地 表径流滞 后系 数 SURLAG、河道 有效 水 力传 导度 CH _ K 2、土壤蒸发补 偿系数 ESCO、基 流 系数 ALPHA _BF、土壤可 利用水量 SOL _AW C、土 壤深度 SO L _Z、湿 润土壤 反照率 SO L _ ALB、平均坡度 SLO PE、饱和水力传导 度 SO L _K、主河道 曼宁系 数 CH _N。
第 32卷第 5 期 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 人 ! 民 ! 黄 ! 河 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! V ol. 3 2, N o. 5 ! ! 2010年 5 月 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! YELLOW ! R IVER! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! M ay, 2010! !
2. 1! 泾河流域概况
泾河发源于泾源 县, 流 经宁夏、甘肃、陕 西 3省 (区 ), 注入
! 收稿日期: 2009 10 20 ! 基金项目: 国家自然科学基 金资助项目 ( 50579003) ; 教育 部高等学校博士学科 点专项科研基金资助项目 ( 20040027005) 。 ! 作者简介: 王韶伟 ( 1983∀ ) , 男, 河南 陕县人, 博士研 究生, 研究方 向为水 文与 水资源。
数自动优化模块, 模型运行效率较高。
1. 2! SWAT 模型的水文过程
模型中采用的水 量平衡方程为
t
# SW t = SW 0 +
( Rday - Q surf - E a - W seep - Q gw ) ( 1)
i= 1
式中: SW t 为土 壤 最 终含 水 量, mm; SW 0 为 土 壤 前期 含 水 量,
SWAT 模 型所要求的气象参数 比较多, 其模 拟时间 步长可 为年、月、日。根据实际月气象资料定义一个 ( 天气发生器 ), 如 果流域内某些数据难以获得时 , ( 天气发生器 )可以根据事先提 供的多年月平均资 料来模 拟逐日 气象资 料。 ( 天 气发生器 )所 需的参数包括月平 均最高 气温、月 平均最 低气 温、最高气 温标 准偏差、最低气温标准偏差、月 平均降雨量、月平均降 雨量标准 偏差、降雨的偏度系数、月 内干 日数、月内 湿日 数、平均降 雨天 数、露点温度、月平均太阳辐射量、月平均 风速以及最 大半小时 降雨量等。
2. 2! 数 ! 据 2. 2. 1! 空间数据
将数字高程模型 ( DEM )、土地利用类型图及土壤类型图统 一转换为 A lbe rs等积圆锥投影方式, 投影参数见表 1。
表 1! 研究区投影参数
第一标准 纬线
第二标准 纬线
中央经线
椭球体
单位
33∃N
39∃N
108∃E
K础地理信息中心 提供的全国 1 %25 万 DEM 中提取。土地利用类型图采用中 国科学院地 理科学与 资源研 究所提 供的 1 % 100 万黄河 流域土地 利用类 型图, 根据 土地利用类型原来 的分类 系统, 结 合研究 区特 点, 将土地 利用 划分为耕地、林地、草地、水 域、城乡 工矿居民用地和裸 地 6类。 土壤类型图采用 1 % 400万中国土 壤类型图。