基于SWAT模型的昌江流域土地利用变化对水环境的影响研究

土地利用快速变化对水环境带来较大影响,定量分析土地利用与水环境污染的关系是土地利用结构调整的重要依据。利用3S技术,通过SWAT模型对1983年与2012年昌江流域的水量和水质模拟,分析了土地利用时空变化,结合氨氮、总磷模拟数据,定量分析了土地利用变化下该流域的水环境污染负荷。研究结果表明:该区域林地、草地、水域、城镇及建设用地呈增加趋势,耕地则呈减小趋势。林地占比最大,为70%左右,其次为水田。水田为水环境非点源负荷贡献的第一大来源,且其占流域略多于20%的面积,贡献了该区域总磷总量的53.48%~57.01%和氨氮总量的51.86%~56.57%;农业耕作以25%的地类面积,贡献了60%~65%的非点源污染负荷;旱地的单位面积贡献污染负荷高于林地及城镇及建设用地,表明农业非点源污染是该区域水环境非点源污染的主要来源。     

土壤侵蚀对土地利用和降雨变化响应和空间分布特征——以金沙江一级支流小江流域为例

全球变化引起了一系列环境效应,土壤侵蚀是全球变化最为敏感环境效应之一。选择生态极其脆弱区小江流域作为研究对象,通过遥感影像和雨量站点获取3期土地利用和降雨变化信息,结合区域基础地理信息数据,利用通用土壤流失方程（USLE模型）对该区域土壤侵蚀对土地利用和降雨变化的响应进行了分析。研究表明：（1）降雨量在1981~1990年为降雨量较小年份,1991~2000年为降雨量较大时间段,2001~2005年降雨量开始急剧减少;（2）1987、1995和2005年的平均侵蚀量分别为：7058、8008和7981 t/（hm2〖DK1〗·a),中度侵蚀以上面积分别占总面积的2992%、3383%和3318%,其中极强度侵蚀分别占915%、1281%和1263%;（3）在分布特征上,强度侵蚀和极强度侵蚀主要分布在小江流域的中下游地段。极强度侵蚀主要分布在中海拔区域（1 600~2 800 m）,所占的比例呈持续下降的趋势,但在高海拔区域,极强度侵蚀呈增加趋势;同时,极强度侵蚀集中分布在高坡度段（>35°）上,占其面积的85%以上,且呈持续增加趋势,在中坡度段（15°~35°）上,极强度侵蚀呈现明显的减少趋势。USLE模型可以较好的反映出全球变化条件下土壤侵蚀效应,为合理开发土地资源和人类经济活动提供科学依据     

分布式TOPMODEL模型在清江流域降雨径流模拟中的应用

以清江流域上游为研究区域,探讨TOPMODEL模型在大流域的应用;对比了SRTM和地形图两种DEM数据在流域地形指数计算及降雨径流模拟中的差异,结果表明,虽然不同DEM计算得到的地形指数和模型率定参数存在较大差异,但是模拟效率基本相同,SRTM数据作为全球覆盖的免费高分辨率DEM数据将极大促进TOP-MODEL模型的应用;分析了TOPMODEL模型在大流域中应用存在的局限性,在此基础上,构建了基于子流域的松散耦合的分布式TOPMODEL模型,提出了利用流域实际下垫面数据进行模型参数率定的方法,探讨了子流域划分详细程度对模拟结果的影响,结果表明,分布式TOPMODEL模型充分考虑了流域降雨和下垫面属性空间不均匀性对水文过程的影响,模拟效率高于传统TOPMODEL模型,随着子流域数目的增加,模型在率定期和校验期的效率均呈上升趋势,但是到达一定程度之后,受降雨等输入参数及模型计算误差所限,增加子流域个数不能继续提高模拟效率。     

基于流域地形地貌特征的分布式汇流方法

以长江三峡区间沿渡河流域为例,采用HEC-HMS水文模型系统为模拟工具,基于流域下垫面特征和水动力条件提出了一种分布式单位线方法,并应用于降雨径流过程模拟。以自然分水线划分子流域,基于DEM数据和GIS工具提取河网水系特征。采用7种模型评估指标,分别从总量平衡,过程拟合,高水流量和低水流量4个角度评判模型的模拟效果及精度,并给出了模型模拟结果的量化统计指标。模拟结果表明:25场洪水中,洪峰流量相对误差小于20%的有80%,径流深相对误差小于20%的有96%,Nash-Sutcliffe效率系数大于0.8的有84%。由此可知,提出的分布式汇流方法可有效利用流域下垫面特征和GIS工具提取模型参数信息,适应于无资料流域的降雨径流过程模拟应用。     

分布式TOPMODEL模型在清江流域降雨径流模拟中的应用

以清江流域上游为研究区域,探讨TOPMODEL模型在大流域的应用;对比了SRTM和地形图两种DEM数据在流域地形指数计算及降雨径流模拟中的差异,结果表明,虽然不同DEM计算得到的地形指数和模型率定参数存在较大差异,但是模拟效率基本相同,SRTM数据作为全球覆盖的免费高分辨率DEM数据将极大促进TOPMODEL模型的应用;分析了TOPMODEL模型在大流域中应用存在的局限性,在此基础上,构建了基于子流域的松散耦合的分布式TOPMODEL模型,提出了利用流域实际下垫面数据进行模型参数率定的方法,探讨了子流域划分详细程度对模拟结果的影响,结果表明,分布式TOPMODEL模型充分考虑了流域降雨和下垫面属性空间不均匀性对水文过程的影响,模拟效率高于传统TOPMODEL模型,随着子流域数目的增加,模型在率定期和校验期的效率均呈上升趋势,但是到达一定程度之后,受降雨等输入参数及模型计算误差所限,增加子流域个数不能继续提高模拟效率.     

城镇化地区水文过程实验观测与模拟——以太湖西苕溪流域安吉实验小区为例

城镇化的发展使不透水面积不断增加,往往导致地区的水文过程发生较为明显的改变。以太湖上游西苕溪流域内的安吉城镇化实验小区为例,在对研究流域50多a长系列水文气象资料和区域城镇化特征作较详细分析的基础上,结合2005~2008年短时间尺度降雨径流观测实验,通过雨量、水位以及下垫面等数据分析,选用Storm Water Management Model这一暴雨洪水管理模型对该地区的典型洪水过程进行了模拟,对其降雨径流规律进行了分析。结果表明：该模型对该区域的模拟效果较好,误差较小,可以用于该城镇化地区的降雨径流过程模拟和洪水规律定量分析;分析该实验小区降雨径流过程可知,城镇化使该地区洪水上涨过程明显加快,6场典型洪水的峰型系数均值为305,洪峰流量增大而滞时缩短,较快的汇流速度使该地区的防洪压力较大。实验观测方法及模拟分析成果将有助于对太湖地区小流域城镇洪水过程特征与规律的认识,对我国东部城镇地区的防洪、规划与管理也具有重要的借鉴意义     

紫色土坡地泥沙养分与泥沙流失的耦合特征

通过人工降雨模拟试验,研究紫色土坡地泥沙全氮、全磷与泥沙三者流失的耦合特征及其受降雨和地形的影响。结果表明,泥沙全氮流失量随坡度及雨强的增加而减小,而全磷的流失量受雨强及坡度的影响均较小;相关性分析表明泥沙流失量愈大,全氮流失量愈小,而全磷愈大。全氮与泥沙流失随降雨时间而呈峰值特征,而全磷随时间变化较小。泥沙养分流失量的累积过程与泥沙累积过程一致,随泥沙累积量的增加而增加,且全氮流失累积量明显低于全磷流失累积量;坡地泥沙流失养分的富集比具差异性,即泥沙流失量愈大,氮富集比越低,磷富集比越高。分析坡地泥沙流失养分的富集比,可知全磷与泥沙的耦合稳定性较全氮高,更易呈现影响下游水质的滞后效应。     

基于AnnAGNPS模型的三峡库区小江流域非点源污染负荷评价

运用AnnAGNPS模型对三峡库区小江流域2002～2004年的径流量、输沙量、氮磷负荷量进行模拟估算,并分别采用宝塔窝水文站（控制范围占流域面积的62%）2002～2004年实测数据对径流和泥沙模拟值进行校准和验证,采用小江流域出口2002～2004年实测年均数据对总氮、总磷模拟负荷进行校准和验证,通过敏感性分析确定了影响流域非点源污染负荷输出的主要因子,结果表明模型模拟结果相对可靠,适合于三峡库区流域非点源污染负荷评价。根据模型预测结果,模型对径流输出的模拟精度高于对泥沙和养分的输出模拟,小江流域多年年均泥沙输出量为26189 万t,总氮输出为8 33523 t,总磷输出为43686 t。研究成果对于AnnAGNPS模型在三峡库区的应用具有很好的示范性     

基于InVEST模型的太行山淇河流域土壤侵蚀特征研究

基于土地利用数据、数字高程模型数据(DEM)、土壤类型数据、降雨数据、植被覆盖指数(NDVI),结合地理信息系统(GIS)和遥感,计算降雨侵蚀力因子(R)、土壤可蚀性因子(K)、植被覆盖因子(C)、水土保护措施因子(P),借助InVEST模型对淇河流域2015年山地生态系统的土壤侵蚀进行研究。结果表明:(1)淇河流域微度侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀和剧烈侵蚀面积分别为932. 80、617. 13、282. 46、159. 58、141. 64和93. 84 km~2;土壤侵蚀总量为7 225 839. 54 t,平均土壤侵蚀模数为32. 45 t/(hm~2·a);(2)在各土地利用类型中,土壤侵蚀主要发生在林地、草地和耕地。草地和林地多分布在地形起伏度较大的高海拔区,潜在的土壤侵蚀量较大,土壤侵蚀强度也较大。虽然未利用地占流域总面积很小,但侵蚀模数最大;(3)淇河流域土壤侵蚀与坡度、海拔和地形起伏度等地形因子具有密切关系,土壤侵蚀模数随着海拔的升高先增大后降低,海拔在1 200 m处达到峰值,土壤侵蚀模数随着坡度和地形起伏度的增加而不断增大。坡度和起伏度越大,坡面土壤的不稳定性愈大,在外力作用下发生下移的可能性就愈大。海拔600～1 200 m、坡度大于15°、地形起伏度70～500 m的区域土壤侵蚀状况严重,是土壤侵蚀防治的重点区。土壤侵蚀是山地生态脆弱性响应的重要指标,山地流域的土壤侵蚀研究对评估区域生态环境质量有重要意义。     

基于DEM的分布式水文模型在清江流域的应用

基于清江上游水布垭区域的数字高程模型(DEM)数据,提取出了研究区域水系、勾画了研究区域边界,并计算了研究区域地形指数分布。采用基于数字高程模型(DEM)的分布式水文模型(DDRM)来进行降雨 径流模拟。在Nash Sutcliffe效率系数、洪峰相对误差、径流深相对误差等方面对基于DEM的分布式水文模型和三水源新安江模型进行了比较分析。结果表明：在径流深模拟方面新安江模型略好于DDRM,在洪峰流量及峰现时间方面DDRM略好于新安江模型,模拟的Nash Sutcliffe效率系数两者相当,总体上基于DEM的分布式水文模型和三水源新安江模型模拟效果相当。基于DEM的分布式水文模型与三水源新安江模型相比,其优点是模型结构简单、参数较少、物理过程明确,而且能够模拟流域土壤含水量和径流量的空间分布。     

基于GIS和USLE的小流域土壤侵蚀定量评价

通过气象数据分析、实地调查、野外采样及室内分析、DEM计算、遥感解译等,建立了南水北调中线水源地丹江口水库区典型小流域地理数据库,确定了计算USLE因子指标的方法。在ArcGIS支持下,模拟了小流域土壤侵蚀强度的空间分布。将模拟结果分为微度、低度、中度、强度、剧烈侵蚀5级,建立土壤侵蚀与土地利用/土地覆盖类型及坡度之间的关系。结果表明：研究区年均土壤侵蚀量2414 t/hm2,远超该地区容许土壤流失量5 t/（hm2·a）。96%的侵蚀区及95%的土壤侵蚀总量位于<25°区域。就土地利用/土地覆盖类型而言,陡坡耕作区是主要的土壤流失区。研究结果为水源区的土壤侵蚀治理提供参考意见,同时为USLE在无土壤类型图地区的应用提供一种方法借鉴     

三峡库区坡地果园间植草篱的水土保持效应

坡地果园水土流失对三峡库区生态环境和农业可持续性发展构成双重压力。以皇竹草篱为纽带间植于坡地果园营建复合生态模式,对草篱拦蓄泥沙、径流的效应进行了长期观测。结果表明：草篱间植的应用能有效减少坡地果园的水土流失,尤以侵蚀量减少更为显著,与传统果园经营模式相比,径流量减少了5871%~6574%,侵蚀量减少了7070%~7792%。同时,草篱间植的应用对减少养分的流失总量效果也相当显著,对减少库区面源污染,保持和提高坡地果园的土地生产力具有重要作用,为三峡库区坡地果园的利用与保护提供了技术与模式支撑。     

基于GIS与RUSLE的武陵山区小流域土壤侵蚀评价研究

以长江中下游武陵山区女儿寨小流域为研究区,基于数据观测积累及实地调查采样等方法,计算了研究区降雨侵蚀力、土壤可蚀性等因子,运用GIS与RUSLE评价了流域土壤侵蚀强度并分析了其与土地利用方式、海拔高度的关系。结果表明,流域平均土壤侵蚀强度为78844 t/（km2·a）,属微度侵蚀,流域面积9518%的范围发生轻度以下的侵蚀,强烈以上侵蚀仅占1.19%。从土地利用类型来看,耕地、果园侵蚀强度较大,均达到中度侵蚀,有林地除竹林地为轻度侵蚀外均属微度侵蚀,耕地、果园、竹林地是今后水土流失防治的主要地类。不同海拔高度中,低海拔（200～400 m）区域侵蚀量占到流域侵蚀总量的6442%,是水土流失防治的重点地带。研究为应用修正通用土壤流失方程在武陵山区进行土壤侵蚀评价提供范例,为研究区防治土壤侵蚀和流域管理规划决策提供相应参考     

基于土壤侵蚀模型的滑波临界雨量估算探讨

针对滑坡临界雨量确定目前存在的问题,提出一种基于土壤侵蚀模型的滑坡临界雨量估算的新方法。该方法基本思路是：降雨引起土壤侵蚀,当土壤侵蚀达到一定强度时可诱发滑坡,因此利用土壤侵蚀模型可以推算滑坡临界雨量。以湖北省秭归县为例进行试验,从降雨-土壤侵蚀-滑坡的成灾机理入手,利用卫星资料、地理信息资料及降雨资料,计算降雨侵蚀力、土壤可蚀性、地形（坡长、坡度）、植被覆盖和土地利用类型等因子,基于USLE土壤侵蚀模型,计算滑坡发生时土壤侵蚀强度,通过分析多个滑坡个例,确定滑坡临界土壤侵蚀强度,再根据降雨侵蚀力与降雨量之间的关系,推算不同预警点滑坡临界雨量。相比以往仅仅分析灾情与降雨之间关系的传统方法,该方法有较为清晰的物理意义,实际业务中也易于实现,在滑坡预警预报中有较高实用价值     

基于InVEST模型的秦岭山地土壤流失及土壤保持生态效益评价

为了解秦岭山地土壤侵蚀及土壤保持生态服务功能的空间分布特征,采用InVEST 土壤保持模型,从研究区、流域、县域3个尺度,对其潜在与实际土壤侵蚀量进行计算,在此基础上进一步应用该模型量化研究区土壤保持生态服务价值,得到土壤保持服务价值空间分布图。研究结果表明：（1）2012年秦岭山地潜在与实际土壤侵蚀量分别为4588×108 t、152×108 t,五大流域和各县区以轻度侵蚀和中度侵蚀为主,较为严重的地区为汉江流域南部紫阳县6323 t/(hm2[DK]·a)[JP2]和岚皋县5869 t/(hm2[DK]·a),属强烈侵蚀。（2）全区土壤保持总量4337×108 t,[JP]其中泥沙持留量143×108 t,单位面积土壤保持量为71979 t/(hm2[DK]·a);减少泥沙疏浚工程和水质治理花费的土壤保持服务价值共计4184亿元。各县区土壤保持服务价值量在001亿元至475亿元不等,价值量在096~191亿元之间的县区占全区的4413%,其次为191~285亿元（2522%）。（3）对于秦岭山地土壤侵蚀的防治及其生态效益的建设,保证林地面积的绝对优势是首要条件;对于大于25°的坡耕地,应继续推行还林还草政策     

三峡水库上游流域非点源颗粒态磷污染负荷研究

为有效控制三峡水库上游流域因水土流失产生的非点源颗粒态磷污染，改善库区水质，以美国通用土壤流失方程为基础，从影响土壤流失年际变化的水文条件和人类活动两个主导因素着手，并从地形指数的角度考虑泥沙输移比的空间分布，提出了能反映流域输沙量逐年动态变化的新估算方法。在此基础上，建立了流域颗粒态磷污染年负荷模型。在GIS辅助下，应用所建模型，对研究流域1990~2006年颗粒态磷污染负荷进行了空间分布模拟和定量研究。结果表明：所建年输沙量模型和颗粒态磷年负荷模型有良好的模拟精度；金沙江中下游流域，雅砻江中下游流域和岷江的大渡河流域是颗粒态磷污染的主要源区，嘉陵江流域通过治理水土流失和颗粒态磷流失情况明显好转；“长治”工程后，三峡水库上游流域的颗粒态磷年负荷总体上有下降趋势，近5年的年均负荷为16 482 t/a，比治理初期的1990年减少约37%。     

Rare earth elements tracing the soil erosion processes on slope surface under natural rainfall

A field experiment using rare earth elements (REEs) as tracers was conducted to investigate soil erosion processes on slope surfaces during rainfall events. A plot of 10 m × 2 m × 0.16 m with a gradient of 20° (36.4%) was established and the plot was divided into two layers and four segments. Various REE tracers were applied to the different layers and segments to determine sediment dynamics under natural rainfall. Results indicated that sheet erosion accounted for more than 90% of total erosion when the rainfall amount and density was not large enough to generate concentrated flows. Sediment source changed in different sections on the slope surface, and the primary sediment source area tended to move upslope as erosion progressed. In rill erosion, sediment discharge mainly originated from the toe-slope and moved upwards as erosion intensified. The results obtained from this study suggest that multi-REE tracer technique is valuable in understanding the erosion processes and determining sediment sources.     

太湖洑东流域陆地侵蚀与入湖物质通量的定量关系研究

在太湖流域选择了一个典型的半封闭洑东小流域,通过对该流域及入湖口区域沉积物的元素和同位素地球化学研究,建立了反映流域陆地侵蚀与入湖物质输入量之间的定量关系模型。研究结果表明:近40 a来洑东流域的入湖物质通量约为6074 t/a,与实际监测结果一致。根据流域土地利用类型和土壤侵蚀速率的分布,估算出流域土壤侵蚀总量为25670 t/a,说明侵蚀总量的237%进入湖泊,其余在河道或土地内部沉积下来。近40 a来太湖宜溧河湖交界区入湖物质通量〖WTBX〗（Q）与流域土壤侵蚀速率（E）和流域面积（A）的数学关系为：E=422Q/A。〖WTBZ〗结合湖泊沉积物来源分析结果,计算出流域内不同土地利用类型的平均土壤侵蚀速率,林地、茶园和水田的土壤侵蚀速率分别为1266、58355和17293 t/（km2·a）。该结果与¹³⁷Cs示踪法计算结果基本一致,表明利用湖泊沉积记录可以较好地反演流域不同土地类型土壤侵蚀量及其入湖营养通量的变化。