城市化流域的土地利用变化对水文过程的影响——以秦淮河流域为例

以城市化流域--秦淮河流域为例,采用SWAT分布式水文模型,结合遥感和地理信息系统技术,对流域1987~2000年的土地利用变化对水文过程的影响进行探讨和研究。结果表明,13年中秦淮河流域的土地利用变化对流域的径流影响较大,2000年土地利用情景相对于1987年的模拟结果,1980s~1990s年径流增加约为5%~6%;在相同的土地利用变化条件下,枯水年的水文响应最强,其次是平水年,丰水年响应最弱;在任意降雨条件,林地向建设用地转化,其径流系数增加0.3以上,水田向建设用地、旱地向建设用地转化,其径流系数增加0.2~0.3,林地向旱地、水田向旱地、林地向水田的转化,其径流系数增加幅度在0.1以下。     

土地利用变化对赣江流域径流的影响研究

论文以赣江流域为研究区,基于SWAT分布式水文模型及SUFI-2 算法,利用流域DEM、土地利用、土壤、气象等数据,结合GIS和RS技术,对流域土地利用变化的径流响应进行定量分析与研究。结果表明:影响模型模拟效果前3 位的敏感参数分别为ALPHA_BF、CN2、ESCO,得出率定期和验证期的模拟值与实测流量过程拟合程度较优,其R²和Nash-Sutcliffe 效率系数E_{NS均高于0.90,相对误差|Re|均小于3%;流域内1990 年与2000 年土地利用均以林地、水稻田、草地为主,此3 种类型约占流域总面积的85%;在相同气象条件下,两期土地利用情景下的月、年均径流量变化趋势较为一致,2000 年土地利用情景下的年径流量比1990 年略大;相比1990 年土地利用情景,2000 年产水量增加最为显著的区域主要为赣江流域东部、东南部和西南部,建筑用地、水浇地和裸岩面积的增加、林地面积的减少可能是引起产水量增加的主要因素。}     

基于SWAT-FLUS的采煤沉陷区水文过程情景模拟

采煤区沉陷不仅会影响地表结构,还会显著改变流域水文循环,从而影响区域水资源供给。以淮南西淝河流域为研究对象,利用SWAT-FLUS集成模型模拟流域水文过程及未来情景。结果表明:1)该集成模型能准确模拟由土地利用变化带来的水文情势演变过程,并用于情景预测。2)对未来不同塌陷速率情景模拟结果显示,各情景下流域蒸散发均呈增加趋势,其中无修复模式主要为水面蒸散增加,2种修复模式主要为陆面蒸散增加;无修复模式增加了流域入渗量,2种修复模式则相反。3)从典型水文年内径流分布来看,无修复模式显著影响了地表径流的年内分布规律及径流峰值,普通修复及生态修复模式则无明显影响。4)从年际间水文变化来看,若无修复措施,流域内水文关系将在2020-2022年发生根本性转变;至2030年,地表径流将减少27.1%,普通修复模式下地表径流将减少2.5%,而生态修复可使流域地表径流增加4.4%。     

基于SWAT模型定量分析自然因素与人为因素对水文系统的影响——以漳卫南运河流域为例

“干旱”是由大尺度的气候变化所引起的水分亏缺现象,“水资源短缺”则是因人类长期对水资源不可持续利用引起的水资源亏缺现象。前者无法被水资源管理系统规避,后者则受水资源管理方针政策的影响。然而,通常一个地区由干旱与水资源短缺引起的水分亏缺经常同时发生而且难以区分。因此,论文提出了一种可以定量区分自然因素（干旱）和人为因素（水资源短缺）对水文系统影响的框架,并以漳卫南运河流域为研究对象,利用SWAT模型模拟结果（无人为影响情景下）和观测数据（自然因素和人为因素共同作用结果）,对研究区1976—1995年的日径流量序列进行了初步对比和差异性分析。结果表明：1）经率定和验证的SWAT模型能够有效模拟漳卫南运河流域的径流过程;2）无论是丰水年还是枯水年,水资源短缺现象均导致了夏季径流洪峰时期的消失;3）人为因素是引起漳卫南运河流域水文系统发生变化的主要原因,并且人为因素影响造成的径流损失量是自然因素造成径流损失量的4倍。论文提出的框架可以定量化分析自然因素和人为因素对水文系统的相对影响,有助于水资源管理者制定适应干旱与水资源短缺状况的管理政策。     

快速城市化地区土地利用变化对流域水文过程影响的模拟研究——以深圳市布吉河流域为例

以深圳市布吉河流域为例,系统模拟了不同土地利用条件下的流域水文过程,并分析了土地利用变化的影响。对布吉河流域土地利用进行分类的结果表明1980-2005年期间该流域的耕地、林地及灌草地的比例由93.54%减少为34.79%,而城镇用地由1.65%增至54.25%;在对SWAT（Soil Water Assessment Tool）模型在布吉河流域的应用进行验证的基础上,分析了快速城市化过程中土地利用变化对流域水文要素可能产生的各种影响。结果表明,土地利用条件的不同可导致流域水文过程发生极大的差异：以2005年的土地利用作为输入与以1980年的土地利用作为输入相比,流域蒸散发量、土壤水含量和地下径流深度分别减少了42.09、28.10和279.74mm,而地表径流则平均增加了431.97mm;土地利用变化还导致各水文要素的空间和年际分布特征发生改变。     

降雨变化对鄱阳湖区乐安河流域非点源产污的影响

以鄱阳湖典型入湖河流乐安河为例,构建SWAT模型,基于流域2020年土地利用类型空间差异特征,选取2011(枯水年),2014(平水年),2015(丰水年)作为典型降雨年份探究降雨差异对流域营养盐产污规律的影响。结果表明：不同降雨条件下流域营养盐产污负荷顺序为丰水年>平水年>枯水年。下游沿主支分布区域径流量以及中下游德兴-鄱阳万年段的TN和TP对降雨量增加的响应更为敏感;流域径流量对降雨量减少的响应空间差异不显著,婺源-德兴段的TN和TP对降雨量减少的响应程度高,而鄱阳-万年段对降雨量减少的响应程度则较低。研究结果可为流域制定针对性污染控制措施,进一步有效削减入鄱阳湖营养物负荷提供科学参考。     

基于SWAT模型定量分析自然因素与人为因素对水文系统的影响——以漳卫南运河流域为例

"干旱"是由大尺度的气候变化所引起的水分亏缺现象,"水资源短缺"则是因人类长期对水资源不可持续利用引起的水资源亏缺现象。前者无法被水资源管理系统规避,后者则受水资源管理方针政策的影响。然而,通常一个地区由干旱与水资源短缺引起的水分亏缺经常同时发生而且难以区分。因此,论文提出了一种可以定量区分自然因素(干旱)和人为因素(水资源短缺)对水文系统影响的框架,并以漳卫南运河流域为研究对象,利用SWAT模型模拟结果(无人为影响情景下)和观测数据(自然因素和人为因素共同作用结果),对研究区1976—1995年的日径流量序列进行了初步对比和差异性分析。结果表明:1)经率定和验证的SWAT模型能够有效模拟漳卫南运河流域的径流过程;2)无论是丰水年还是枯水年,水资源短缺现象均导致了夏季径流洪峰时期的消失;3)人为因素是引起漳卫南运河流域水文系统发生变化的主要原因,并且人为因素影响造成的径流损失量是自然因素造成径流损失量的4倍。论文提出的框架可以定量化分析自然因素和人为因素对水文系统的相对影响,有助于水资源管理者制定适应干旱与水资源短缺状况的管理政策。     

输入数据精度与准确性对SWAT模型模拟的影响

以潮河流域为研究区域,利用潮河流域1990~2013年监测数据,构建SWAT模型,在模型结构和参数不改变的情况下,探究输入数据精度（DEM分辨率）与准确性（降水插值）对径流和总氮模拟结果影响.结果显示：DEM分辨率变化（30~300m）对径流及总氮模拟效果不同,对径流模拟影响不明显,纳什系数（ENS）和R²可达到0.87以上;对总氮模拟结果影响较大,分辨率越精细,模拟效果越好.不同水文年,DEM分辨率变化对总氮负荷模拟表现不同.丰水年对总氮负荷影响较大,负荷量差异较为明显,枯水年影响相对较小;不同DEM分辨率下,年均（1993~2002年）总氮负荷强度空间分布相似,高负荷区均位于潮河中游,潮河上游及下游的负荷强度相对较低.不同降水输入数据站点分布、站网密度和准确性不同,流域内降水空间分布差异显著.总体上,基于站点较少的气象站插值数据与雨量站实测降水数据,径流和总氮模拟效果较为接近;基于SWAT官方雨量站插值数据,径流和总氮模拟效果较差.不同降水数据输入情景下,模拟的总氮负荷强度模拟的空间分布差异明显;降水量分布较高的区域,负荷量也较高;不同水文年下,不同降水输入对总氮负荷模拟表现不同.丰水年和枯水年,基于气象站插值数据的总氮模拟结果与基于雨量站实测数据的模拟结果较为接近,而基于SWAT官方雨量站插值的模拟误差较大;平水年,基于SWAT官方雨量站插值的模拟结果较气象站插值数据的模拟结果更好.该研究可为流域开展模型构建提供科学参考和借鉴.     

四湖流域径流及蓝水绿水资源时空分布模拟

为了解四湖流域的水文特征及蓝水绿水资源时空分布,通过水系概化、子流域划分、总出口概化、湖泊概化,完成SWAT模型构建,采用SUFI-2算法分析了模型参数的敏感性,基于决定系数R2、Nash-Sutcliffe效率系数E_NS与相对误差|R_e|评价了模型的有效性。结果表明:1)对四湖流域径流模拟影响较大的参数有ALPHA_BF (基流α系数)、GWQMN (基流判定系数)、CH_K2(河道水力传导系数)、CN2_AGRL[SCS曲线系数(耕地)]、CH_N2(主河道曼宁系数)和SOL_AWC (土壤层含水率参数),表明地下水模块参数和河网概化参数对四湖流域水文过程影响较大;2)月径流模拟过程与实测水文过程拟合较好,率定期和验证期R2与E_NS分别为0.75、0.72和0.69、0.63,|R_e|均在5%以内,均达到令人满意的结果;3)四湖流域绿水资源量年度变化相比蓝水资源更为稳定,降雨量与蓝水资源呈正相关,在空间上蓝水资源分布较为均匀,绿水资源分布呈西北部、东南部多,中部少的分布特征,绿水系数与绿水资源分布特征相似,降雨量对蓝水资源空间分布影响较大。     

潮白河流域1980—2013年平均水平衡特征研究

论文采用潮河、白河流域1980—2013年间气象、水文资料,基于水热耦合模型方法,分析了潮河、白河流域水循环要素相应于不同土地覆被类型结构变化和水平衡的特征。通过对未来10 a流域下垫面状况的预估,预测了未来变化环境条件下流域径流量的变化情况。研究对预测潮白河流域水资源变化特征、确保密云水库水资源安全具有重要意义。研究结果显示:该模型在潮、白河流域适用;在现有下垫面资料的基础上,利用林地面积和草地流域下垫面参数相结合的方法,对潮河流域和白河流域未来下垫面的变化分别做出了11种预测情景,并在11种情景的基础上预测两流域的未来10 a径流变化,结果显示潮河流域的径流深在26.47~53.55mm范围内波动,而白河流域的径流深在17.57~41.53 mm范围内变动。研究的创新点为,在对未来下垫面状况预测的基础上,利用水热耦合模型预测流域未来的可能径流状况。     

基于土地利用的厦门市生态水文调节服务评估

生态系统具有重要的水文调节服务,通过对降水截留、过滤、吸收等手段,能够起到削峰补枯、缓和地表径流、增加地下径流的作用.以厦门市为研究对象,采用SWAT（soil and water assessment tool）水文模型评估了2015年厦门市生态系统水文调节服务;以土地利用为驱动变量,对2010年厦门市生态水文调节服务进行了评估,分析近年来厦门市加快城市绿化和海绵城市建设背景下土地利用变化对厦门市生态水文调节服务的影响.结果表明:2015年厦门市生态水文调节量为5.43×108 m3,时空差异较为明显.从各辖区来看,位于北部山区的同安区调节量（2.91×108 m3）最高,单位面积生态水文调节量（44.61×104 m3/km2）亦最高;建成区内的湖里区调节量和单位面积调节量均最低.从年内分布来看,5—9月生态水文调节量占全年的84.96%,生态系统有效减缓了径流输出,起到削峰的作用;10—11月,生态系统通过拦蓄降水,将其转换为土壤水和地下径流,使得该时期的实际径流大于潜在径流,起到补充枯期径流的作用.在相同气象条件下,2010年和2015年厦门市生态水文调节能力的空间分布整体一致,相比于2010年,2015年厦门市生态水文调节能力有明显提高,各辖区调节量和单位面积调节量均有所增加.研究显示,厦门市生态水文调节服务受气象条件和土地利用的共同作用,降水量越大,生态水文调节量越大,并且北部高植被覆盖区的生态水文调节能力高于南部建成区.      

漳卫南运河流域非点源污染负荷估算及最佳管理措施优选

制定实施流域TMDL(total maximum daily load)计划的一项关键技术就是借助水文模型量化流域非点源污染负荷,设置BMPs(best management practices),实施非点源负荷削减.采用构建的SWAT模型估算了漳卫南运河流域不同水平年(丰、平、枯)非点源负荷大小,分析了非点源负荷的空间分布特征.丰水年总氮非点源负荷占总负荷的0.07%,总磷非点源负荷占总负荷的27.24%.空间上,流域非点源输出负荷较大的区域主要为具有一定坡度的农业用地和城镇居民用地.对照基准情景非点源输出负荷,通过对47种不同BMPs控制措施的模拟,核算出不同BMPs对8个优先控制子流域的有机氮、有机磷、硝酸盐氮、溶解态磷和矿物磷共5种污染物的削减效率.通过对比分析不同BMPs的费用效益,优选出漳卫南运河流域最佳的总氮和总磷污染物削减措施为修建植被型沟渠,其TN、TP单位削减费用分别介于16.11～151.28元.kg-1和100～862.77元.kg-1之间,该项措施是47种BMPs中最经济有效的.相关研究结果可以为流域非点源污染负荷削减提供科学依据,为流域水环境改善和水生态修复提供技术支撑.     

全球增温1.5℃和2.0℃对淮河中上游径流影响预估

论文应用第5次耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5,CMIP5)中5个全球气候模式(Global Climate Models,GCMs)和3种典型浓度路径(Representative Concentration Pathways,RCPs)在全球增温1.5℃和2.0℃下的预估结果,分析了淮河中上游地区未来的气候变化特征。进一步基于SWAT(Soil and Water Assessment Tool)水文模型定量预估了气候变化对该区域径流量的影响,并量化了预估结果的不确定性。结果表明:SWAT模型在淮河中上游对月径流量具有较好的模拟能力。在全球增温1.5℃和2.0℃下,淮河中上游年平均气温分别较基准期(1986—2005年)增加1.1℃和1.7℃;年降水量较基准期分别相应增加4%和7%;基于SWAT模型预估的年径流量较基准期分别增加5%和8%。未来气候变化不会改变月径流分布特征,年内径流仍集中在盛夏和初秋(6—9月)。预估的月丰水流量明显增加,尤其当全球增温达到2.0℃后,出现洪涝的风险明显增大。未来降水量和径流量预估都存在较大的不确定性,不确定性主要来源于GCMs,在全球增温2.0℃下预估的不确定性更大。     

西苕溪流域径流对土地利用变化的空间响应分析

针对流域土地利用变化所引起的径流空间变异问题,论文以太湖上游西苕溪流域为例,基于SWAT模型（Soil and Water Assessment Tool）模拟的不同土地利用情景下月尺度径流过程,通过GWR模型（Geographically weighted regression）在空间上定量评估了土地利用/覆被变化对流域径流过程的影响。结果表明：径流变化在流域空间分布上存在一定非平稳性,其与子流域内面积变化较大的土地利用类型相关性显著,其中城镇用地影响最大,林草地和耕地影响次之。径流变化对城镇用地的空间响应关系表现为由上游到下游逐渐增强,而对林草地和耕地的响应关系表现为从流域上游到下游逐渐减弱。对比发现,多因子GWR模型相对于单因子GWR模型更适合综合分析径流对土地利用/覆被变化的空间响应关系。     

巢湖流域土地利用/覆被变化的水文效应研究

土地利用/覆被变化的水文效应导致水资源量变化,显著影响流域生态和社会经济发展。利用DEM、土壤数据库、三期土地利用数据及流域周边六个国家基本气象站1964-2000年气象、流域出口断面裕溪闸水文站1964-1989年水文资料,依托德国PIK研究所HBV-D模型建立巢湖流域降水径流关系,分析流域土地覆被变化对径流量影响：①利用HBV-D模型模拟流域降水径流关系,率定后系统相对误差控制在3%左右,纳希效率系数达约83%,适合巢湖流域土地利用/覆被变化水文效应研究;②分析得出单位面积的农业用地、居民用地和水域影响径流深大小分别为-0.134469、0.074908和-0.0015244,即巢湖流域农业用地对径流影响程度要高于居民用地且为负,农业用地减少将增加径流量,居民用地增长利于径流量增加,水域对径流量影响相对较小。     

黄土丘陵区土地利用与土壤水分的时空关系

论文根据连续两年土壤水分的定点和观测数据,对黄土丘陵区不同土地利用类型及其结构与土壤水分的时空关系进行了分析。结果表明:①在欠水年,土地利用间土壤水分的差异显著,而在丰水年,土地利用间土壤水分的差异不显著;②在丰水年,土壤水分的年内变化只有灌木地为消耗型,间作地、果园、林地、草地、撂荒地和农地等6种土地利用类型为平衡型或增长型,欠水年所有土地利用均为消耗型;③从丰水年到欠水年,土壤水分的剖面结构类型降低型向波动型转化,波动型向增长型转化;④单一土地利用结构的土壤水分从坡顶到坡脚具有增长的趋势,而土地利用结构复杂的土壤水分沿坡面分布复杂。