全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 34 卷 第 2 期摇 摇 2014 年 1 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
连续免耕对不同质地稻田土壤理化性质的影响 龚冬琴,吕摇 军 (239)…………………………………………
下辽河平原景观格局脆弱性及空间关联格局 孙才志,闫晓露,钟敬秋 (247)……………………………………
完全水淹环境中光照和溶氧对喜旱莲子草表型可塑性的影响 许建平,张小萍,曾摇 波,等 (258)……………
赤潮过程中“藻鄄菌冶关系研究进展 周摇 进,陈国福,朱小山,等 (269)……………………………………………
盐湖微微型浮游植物多样性研究进展 王家利,王摇 芳 (282)……………………………………………………
臭氧胁迫对植物主要生理功能的影响 列淦文,叶龙华,薛摇 立 (294)……………………………………………
啮齿动物分子系统地理学研究进展 刘摇 铸,徐艳春,戎摇 可,等 (307)…………………………………………
生态系统服务制图研究进展 张立伟,傅伯杰 (316)………………………………………………………………
个体与基础生态
NaCl胁迫下沙枣幼苗生长和阳离子吸收、运输与分配特性 刘正祥,张华新,杨秀艳,等 (326)………………
不同生境吉首蒲儿根叶片形态和叶绿素荧光特征的比较 向摇 芬,周摇 强,田向荣,等 (337)…………………
小麦 LAI鄄2000 观测值对辐亮度变化的响应 王摇 龑,田庆久,孙绍杰,等 (345)…………………………………
K+、Cr6+对网纹藤壶幼虫发育和存活的影响 胡煜峰,严摇 涛,曹文浩,等 (353)…………………………………
马铃薯甲虫成虫田间扩散规律 李摇 超,彭摇 赫,程登发,等 (359)………………………………………………
种群、群落和生态系统
莱州湾及黄河口水域鱼类群落结构的季节变化 孙鹏飞,单秀娟,吴摇 强,等 (367)……………………………
黄海中南部不同断面鱼类群落结构及其多样性 单秀娟,陈云龙,戴芳群,等 (377)……………………………
苏南地区湖泊群的富营养化状态比较及指标阈值判定分析 陈小华,李小平,王菲菲,等 (390)………………
盐城淤泥质潮滩湿地潮沟发育及其对米草扩张的影响 侯明行,刘红玉,张华兵 (400)…………………………
江苏省农作物最大光能利用率时空特征及影响因子 康婷婷,高摇 苹,居为民,等 (410)………………………
1961—2010 年潜在干旱对我国夏玉米产量影响的模拟分析 曹摇 阳,杨摇 婕,熊摇 伟,等 (421)………………
黑龙江省 20 世纪森林变化及对氧气释放量的影响 张丽娟,姜春艳,马摇 骏,等 (430)…………………………
松嫩草原不同演替阶段大型土壤动物功能类群特征 李晓强,殷秀琴, 孙立娜 (442)…………………………
小兴安岭 6 种森林类型土壤微生物量的季节变化特征 刘摇 纯,刘延坤,金光泽 (451)…………………………
景观、区域和全球生态
黄淮海地区干旱变化特征及其对气候变化的响应 徐建文,居摇 辉,刘摇 勤,等 (460)…………………………
我国西南地区风速变化及其影响因素 张志斌,杨摇 莹,张小平,等 (471)………………………………………
青海湖流域矮嵩草草甸土壤有机碳密度分布特征 曹生奎,陈克龙,曹广超,等 (482)…………………………
基于生命周期评价的上海市水稻生产的碳足迹 曹黎明,李茂柏,王新其,等 (491)……………………………
研究简报
荒漠草原区柠条固沙人工林地表草本植被季节变化特征 刘任涛,柴永青,徐摇 坤,等 (500)…………………
跨地带土壤置换实验研究 靳英华,许嘉巍 ,秦丽杰 (509)………………………………………………………
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
魏摇 冲,宋摇 轩,陈摇 杰 (517)
…………………………………
…………………………………………………………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*288*zh*P* ￥ 90郾 00*1510*29*
室室室室室室室室室室室室室室
2014鄄01
封面图说: 高原盐湖———中国是世界上盐湖分布比较稠密的国家,主要分布在高寒的青藏高原以及干旱半干旱地区的新疆、内
蒙古一带。 尽管盐湖生态环境极端恶劣,但它们依然是陆地特别是高原生态系统中十分重要的组成部分。 微微型
浮游植物通常是指粒径在 0. 2—3 滋m之间的光合自养型浮游生物。 微微型浮游植物不仅是海洋生态系统中生物量
和生产力的最重要贡献者,也是盐湖生态系统最重要的组成部分。 研究显示,水体矿化度是影响微微型浮游植物平
面分布及群落结构组成的重要因子,光照、营养成分和温度等也会影响盐湖水体中微微型浮游植物平面分布及群落
结构组成(详见 P282)。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 34 卷第 2 期
2014年 1月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.2
Jan.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40971128);水体污染控制与治理专项课题资助项目(2011ZX07213鄄001)
收稿日期:2013鄄03鄄07; 摇 摇 修订日期:2013鄄10鄄11
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: jchen@ zzu.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201303070366
魏冲,宋轩,陈杰. 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.生态学报,2014,34(2):517鄄525.
Wei C, Song X, Chen J. Sensitivity analysis of swat model on changes of landscape pattern: a case study from Lao Guanhe Watershed in Danjiangkou
Reservoir Area.Acta Ecologica Sinica,2014,34(2):517鄄525.
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
魏摇 冲1,2,宋摇 轩1,2,陈摇 杰1,2,*
(1. 郑州大学水利与环境学院,郑州摇 450001;2. 郑州大学自然资源与生态环境研究所,郑州摇 450001)
摘要: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。
关键词:SWAT模型;非点源污染;景观格局;土地利用;敏感性分析
Sensitivity analysis of swat model on changes of landscape pattern: a case study
from Lao Guanhe Watershed in Danjiangkou Reservoir Area
WEI Chong1,2, SONG Xuan1,2, CHEN Jie1,2,*
1 School of Water Conservancy and Environment, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China
2 Institute of Natural Resource and Eco鄄Environment, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China
Abstract: A number of studies have demonstrated effects of the landscape composition and spatial configuration on the
runoff, sediment yield and non鄄point pollution in a watershed. The SWAT model( Soil and Water Assessment Tool) was
widely employed to explore the significance of land management practices on water, sediment, and agricultural chemical
yields, which subdivides a watershed into sub鄄basins connected by a stream network and contain many Hydrologic Response
Units (HRUs) characterized by unique combinations of land cover, soil and slope attributes. In a variety of the previous
studies, the interaction between hydrographic features and landscape characteristics was taken for granted in the SWAT
model, and calibrated model was frequently used to predict the eco鄄hydrological variation induced by possible land use
changes without investigating sensitivity of model on changes of landscape pattern, and the results of model would be used to
provide scientific foundation for decision鄄making in land use management. For a better understanding of SWAT model
response to different landscape patterns, this study obtained a series of SWAT model outputs in Lao Guanhe watershed
which is one of the head source of Danjiangkou Reservoir Area, by setting two land use scenarios with different landscape
metrics, which are characterized by landscape composition and configurations, and proposed to quantify landscape pattern.
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By comparing the results of SWAT model using the real land鄄use data in 2000 to that using the simulated land use data,
which have exactly same mean slope and area of each land use type in each sub鄄basin as the real land use map. It was found
that, the SWAT model could display a substantial correlation between the runoff, sediment yields, non鄄point source
pollutants and with slope and area of land use type, but failed to demonstrate the sensitivity of the results of SWAT model to
the difference in landscape metrics. Perhaps because the model calculated each HRU separately, then summarized them for
the output of the watershed. That is to say, if the SWAT model was applied to evaluate the effects of planting trees in the
riparian strips on water quality of a stream, only the increase of forest land area and the descent of forest land slope would
be taken in account. However, the interaction between forest land and other land use types, which might be more significant
in eco鄄hydrological dynamics, could not play a part in water quality evaluation by using SWAT model. With further
analysis, it is found that the runoff outputs of SWAT model, by using land鄄use data with different landscape characteristics,
could not only match the measured data, but perfectly match each other, just by adjusting model parameters. Therefore, an
outwardly reasonable output of SWAT model could be a perfect simulation of real situations, or come from shrewd calibration
of model parameters. As a result, the SWAT model is not the default one to simulate the hydrologic process changed by the
change of landscape spatial configuration, the sensitivity of SWAT model on changes of landscape pattern can be enhanced
by defining slopes with different gradients.
Key Words: SWAT model; non鄄point source pollution; landscape pattern; land use; sensitivity analysis
摇 摇 土地利用空间格局和类型组成不仅对坡面水文
过程具有直接的控制作用[1],而且也是影响流域内
水分循环和水体质量的重要因素[2]。 因此水土流失
与非点源污染负荷不仅与流域土地面积结构有关,
同时与土地利用格局密切相关[3]。 土地利用中植被
空间分布格局能够改变径流和泥沙运移路径的连通
性,在流域的不同坡度设立植被条带,控制水土流失
的效率有所不同[4]。 如林地、耕地等自然与半自然
斑块破碎度越低、面积比越大,对流域内非点源污染
的缓冲与抑制作用越强[5鄄6]。
水文模型模拟是研究水土流失和非点源污染的
重要手段,SWAT 模型是美国农业部(United States
Department of Agriculture, USDA ) 农 业 研 究 署
(Agricultural Research Service,ARS)开发的基于 GIS
平台的流域分布式水文模型,能够模拟较长时段内
复杂大面积流域的水文过程,广泛应用于分析和预
测因土地利用变化等引起的径流、泥沙及非点源污
染的变化。 Mahesh Sahu 等通过对 Walnut Creek 流
域设置情景模拟,假设研究区某坡度带土地利用类
型发生改变,利用 SWAT 模型分析和预测景观格局
变化下的水文变化过程[7]。 在国内外相关研究中,
往往默认 SWAT模型能够模拟不同土地利用空间分
布变化对水文过程的影响[8鄄12],在此基础上分析不
同坡度种植植被条带对水土流失和非点源污染的控
制效率,从而为流域土地利用管理决策提供重要支
持。 但是,由于 SWAT 模型在一定空间尺度上概化
了土地利用空间差异[13],因此有必要了解模型对土
地利用景观格局变化的敏感性,从而判断模型模拟
各种情景假设的精度。
本文以丹江口库区的老灌河流域为例,模拟两
幅土地利用图,利用 Fragstats 3.3 计算和分析两者在
景观格局指数方面的差异;并分别将其代入 SWAT
模型,通过对比结果和相关关系分析模型对不同景
观空间配置的敏感性;对比基于真实与模拟土地利
用图的 SWAT 模型校准过程与参数变化,分析模型
精度,针对模拟土地利用情景假设提出建议,增加模
型对不同坡度土地利用景观空间变化的敏感性,从
而提高模型精度。
1摇 研究地区与方法
1.1摇 研究区概况
老灌河流域位于东经 110毅49忆 — 111毅50忆,北纬
33毅18忆— 33毅59忆之间,总面积 2612 km2(图 1),是河
南境内一支重要的丹江口水库源头;河流落差大,水
力资源丰富。 年平均气温 12.1 益,年日照 2103 h,年
均降水量 862.8 mm,无霜期 198 d。 该区地形复杂,
北部是海拔高、坡度大的中低山地,南部是灌河谷
地,两侧为低山丘岭区。
815 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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图 1摇 老灌河流域示意图
Fig.1摇 Map of Lao Guanhe watershed
1.2摇 研究方法
1.2.1摇 SWAT模型产流、产沙原理
SWAT作为分布式模型,通过设定阈值将研究
区划分为多个具有一定拓扑关系的子流域,每个子
流域包含至少一个以上的水文响应单元(HRU) [14],
每个水文响应单元包含唯一的土地利用类型、土壤
类型和坡度等级且假定有统一的水文过程[15]。 因
此,景观格局变化在 SWAT 模型中主要表现为 HRU
在形状、面积、分布等方面的变化;通过对每个 HRU
的负荷进行计算,汇总在一起确定子流域的负荷。
SWAT模型中主要包含有水文过程子模型和土
壤侵蚀子模型。 其中对于水文循环的陆地阶段,模
型中采用水量平衡表达式进行模拟[14]:
SWt = SW0 + 移
t
i = 1
(Rday + Qsurf - Ea - Wseep - Qgw)
(1)
式中,SWt为土壤最终含水量(mm);SW0为土壤初期
含水量(mm);t为时间步长(d);Rday为第 i天的降水
量(mm);Qsurf为第 i 天地表径流量(mm),与流域各
土地利用类型面积和平均坡度直接相关;Ea为第 i天
蒸散发量(mm);Wseep为第 i 天透过土壤层的渗透量
和侧流量(mm);Qgw为第 i天的地下水含量,mm。
SWAT模型采用修正的通用土壤流失方程来分
别计算每个 HRU的土壤侵蚀量[14],公式如下:
msed = 11.8 伊 (Q 伊 qfeng 伊 AHRU) 0.56 伊 K 伊 C 伊 P 伊 LS 伊
CFRG (2)
式中,msed为单个 HRU 的总土壤侵蚀量( t);Q 为地
表径流 ( mm / h); qfeng为洪峰径流 ( m3 / s); AHRU为
HRU面积(hm2);K为土壤可蚀性因子;C 为植被覆
盖与管理因子;P为水土保持措施因子;LS 为地形因
子,与 HRU 平均坡度直接相关; CFRG 为粗糙度
因子。
1.2.2摇 景观格局指数
景观格局指数是度量景观格局的指标,是对景
观格局信息的高度浓缩,主要包括类型组成和空间
配置两个方面。 景观类型组成不涉及空间因素,主
要包括土地利用类型的面积与比例;景观的空间配
置则主要对土地利用类型的分布情况、空间排列以
及各斑块的形状和相对位置等进行刻画。 本文选取
土地利用类型组成指数包括流域面积(TA)和最大
斑块面积(LP),空间配置指数包括斑块密度(PD)、
景观丰度(PR)、边缘密度(ED)、总边缘长度(TE)
和最大形状指数(LSI) [16鄄17]。
1.2.3摇 SWAT模型输入数据
SWAT 模型的输入数据包括数字高程图
(DEM),土壤数据,土地利用数据和气象数据。
DEM是对地形地貌的一种离散的数学表达,数
据来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学
数据服务平台,精度为 30 m(图 2)。
图 2摇 研究区 DEM
Fig.2摇 DEM of study area
土壤数据是生成水文响应单元 HRU 的重要基
础,通过栾川、西峡、卢氏 3县的 1颐5万土壤图的数字
化得到 78种土壤类型,最后根据河南省土壤分类标
准合并生成 65种土壤类型(图 3),其中编号 42的中
砾质薄层淡岩黄砂石土面积占流域 23.56%,为研究
区主导土壤类型。 各类土壤的物理属性数据通过查
阅上述 3县的土壤普查报告得到。
915摇 2期 摇 摇 摇 魏冲摇 等: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 摇
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图 3摇 土壤分布图
Fig.3摇 The distribution of soil map
摇 摇 实际土地利用数据(Land Use / Land Cover data,
LUC)通过对 2000 年 Landsat鄄TM 影像监督分类(数
据来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学
数据服务平台,精度 30 m,日期:2000 年 4 月 12 日,
条带号:125,行编号:37),并结合国土资源部门土地
利用现状图生成,得到 10种土地利用类型(图 4)。
土地利用类型面积和平均坡度直接影响模型各
子流域的产流、产沙结果,因此分析 SWAT模型对不
同景观空间配置的敏感性应首先排除上述因素对模
型结果的影响。 研究利用 ArcGIS 9. 3 的 Create
Random Raster(整型随机分布)功能随机生成两幅土
地利用图 LUC鄄A和 LUC鄄B,设置 LUC鄄A和 LUC鄄B各
子流域各土地利用类型面积与 2000 年实际土地利
用一致,并保持两幅模拟图之间各子流域中每种土
地利用类型的平均坡度对应相同。 LUC鄄A和 LUC鄄B
最小象元分别为 90 m和 30 m,保证两幅模拟图在景
观空间配置上存在较大差别。 LUC鄄A 和 LUC鄄B 在
研究区相同区域的局部放大图如图 4 所示,分辨率
均为 30 m,可以直观清晰地看出二者在景观格局上
存在较大差别。
图 4摇 实际土地利用图和模拟土地利用局部放大图
Fig.4摇 Land use map and locally enlarged simulated land use map
LUC: Land Use / Land Cover data
摇 摇 气象数据来自栾川、西峡、卢氏三县气象站,时
段为 1971年—2000年,主要包括:逐日降雨量、最高
气温、最低气温、太阳辐射强度、相对湿度和风速数
据,逐日太阳辐射强度通过日照时间计算[18]得到。
025 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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水文数据来自河南省西峡站 1993—2000 年逐日观
测数据。
2摇 结果与分析
2.1摇 模拟土地利用图景观格局指数对比与分析
表 1 为 LUC鄄A 和 LUC鄄B 各子流域景观格局指
数。 从表中看出,在两幅模拟生成的土地利用图中,
景观类型组成指数的流域面积(TA)和最大斑块面
积(LP)在各子流域中都是相同的;空间配置指数的
斑块密度(PD),景观丰度(PR),边缘密度(ED),总
边缘长度(TE)和最大形状指数(LSI)在各子流域中
差别明显,符合研究对两幅模拟土地利用图的要求。
其中,在相同子流域中,LUC鄄B 的 PR 值与 PD 值更
大,反映出模拟的土地利用破碎度更高,说明在该模
拟图中各土地利用类型分布更加破碎;LUC鄄B 的 ED
值较 LUC鄄A更大,表明异质景观斑块之间单位面积
的边缘长度更长;由于除 13 号子流域,各子流域占
主导地位的景观类型均为林地,更容易截留泥沙与
氮磷,从而降低污染物汇入河道的风险。 LUC鄄B 中
较大的景观类型指数 LSI 值不仅表明景观的斑块分
布更加破碎,同时景观的类型分布也较为破碎。 由
于在景观设计中剔除了坡度影响,根据以往研
究[1鄄6,19],在其他因素相同的情况下,基于不同的土
地利用景观类型,流域产流、产沙和非点源污染的结
果应该有所差别。
表 1摇 LUC鄄A和 LUC鄄B各子流域景观格局指数
Table 1摇 The landscape metrics of LUC鄄A and LUC鄄B in each sub鄄basin
子流域
Sub鄄basin
相同指数
Same value of
landscape metrics
流域面积
TA
最大斑
块面积
LP
土地利用模拟图鄄A
LUC鄄A
景观
丰度
PR
斑块
密度
PD
边缘
长度
TE
边缘
密度
ED
最大形
状指数
LSI
土地利用模拟图鄄B
LUC鄄B
景观
丰度
PR
斑块
密度
PD
边缘
长度
TE
边缘
密度
ED
最大形
状指数
LSI
1 41882 32688 8073 19 3462938 83 43 72655 173 10388813 248 129
2 6375 5733 661 10 263043 41 9 5945 93 789128 124 27
3 4978 3209 1119 22 585208 117 21 10074 202 1755625 352 64
4 28557 22549 5029 18 2264950 79 34 45259 159 6794850 238 102
5 41369 34799 6547 16 2605545 63 33 58919 143 7816634 189 98
6 13754 13249 604 4 218288 16 5 5435 40 654864 48 15
7 15257 14508 890 6 321705 21 7 8012 52 965115 64 21
8 9492 9043 536 6 193388 20 5 4820 51 580163 61 16
9 24243 22978 1488 6 541789 22 9 13393 55 1625366 67 28
10 28272 25643 2950 10 1097169 39 17 26549 94 3291508 117 50
11 10514 9365 1266 12 472450 45 12 11392 108 1417350 135 36
12 28581 25907 3009 11 1116230 39 17 27082 95 3348690 117 51
13 7914 5293 1995 25 899892 114 26 17959 227 2699676 341 78
摇 摇 LUC: Land Use / Land Cover data; TA: Total Area; LP: Largest Patch; PR: Patch Richness; PD: Patch Density; TE: Total Edge; ED: Edge
Density; LSI: Landscape Shape Index
摇 摇 由于真实的土地利用图与模拟图相比,各景观
类型的平均坡度不同,SWAT 模型结果受其他参数
影响较大,不能直接对比,因此首先对比模型未校准
前模拟土地利用图的结果。
2.2摇 模型的设置与运行
利用土地利用模拟图 LUC鄄A 和 LUC鄄B 分别建
立 SWAT模型。 根据数字高程模型,研究区被划分
为 13个子流域(图 1)。 然后通过在各子流域内部
分别叠加模拟土地利用图(LUC鄄A、LUC鄄B)和土壤
类型图生成 HRU,最后输入气象数据对每个 HRU分
别模拟,经河网汇集得到整个流域 2000 年的产流、
产沙和非点源污染(有机氮)结果。 为保证模拟土地
利用图的每个斑块都参与运算,设置该阈值为 0%,
同时选择主导土壤类型代表整个流域,以排除土壤
因子对 HRU 划分的影响。 采用平均精度和 Nash鄄
Stucliffe(Ens)确定性系数对两个模型模拟结果的吻
合度进行评价,平均精度和 Ens越接近 1,两个模型模
拟结果越接近,当 Ens>0.75,可以认为模型模拟效果
125摇 2期 摇 摇 摇 魏冲摇 等: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 摇
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好。 模型运行结果分别如下(表 2)。
表 2摇 基于 LUC鄄A和 LUC鄄B的各子流域 SWAT模型结果
Table 2摇 Results of SWAT model based on LUC鄄A and LUC鄄B in each sub鄄basin
子流域
Sub鄄basin
土地利用模拟图鄄A
LUC鄄A
HRU
划分
个数
HRU
林地平
均坡度
Slp / (毅)
产出径流
Flow
/ (m3 / s)
泥沙
SED
/ kg
有机氮
产量值
ORGN
/ kg
土地利用模拟图鄄B
LUC鄄B
HRU
划分
个数
HRU
林地平
均坡度
Slp / (毅)
产出
径流
Flow
/ (m3 / s)
泥沙
SED
/ kg
有机氮
产量值
ORGN
/ kg
相对误差
Relative error
林地平
均坡度
Slp / %
产出
径流
Flow / %
泥沙
SED
/ %
有机氮
产量值
ORGN / %
1 9 37.6 7.9 60.6 31.6 9 37.8 7.9 61.4 31.7 0.53 0.00 1.30 0.32
2 6 43.4 0.7 0.9 0.8 6 43.3 0.7 0.9 0.8 -0.23 0.00 0.00 0.00
3 7 46.2 0.5 1 1.4 7 46 0.5 1 1.4 -0.43 0.00 0.00 0.00
4 10 37.6 3 7.7 5.1 10 37.7 3 7.7 5.1 0.27 0.00 0.00 0.00
5 9 41.1 7.8 39 19.7 9 41.2 7.8 39.3 19.7 0.24 0.00 0.76 0.00
6 9 39.5 2.6 5.1 3.4 9 38.6 2.6 4.9 3.3 -2.33 0.00 -4.08 -3.03
7 9 42.6 2.9 9.4 4.2 9 42.8 2.9 9.5 4.3 0.47 0.00 1.05 2.33
8 9 40.5 2.1 11.2 6.9 9 40.5 2.1 11.3 7 0.00 0.00 0.88 1.43
9 8 41.5 4.6 12.3 6.6 8 41 4.6 12 6.5 -1.22 0.00 -2.50 -1.54
10 9 39.7 5.3 27.6 13.8 9 39.7 5.3 27.6 13.8 0.00 0.00 0.00 0.00
11 7 40.3 2.3 11.2 11.2 7 41.7 2.3 12 11.8 3.36 0.00 6.67 5.08
12 10 36.8 6.4 31.2 33.3 10 35.7 6.4 29.4 32.9 -3.08 0.00 -6.12 -1.22
13 10 24.6 1.7 5.3 21.8 10 25.1 1.7 5.6 22.3 1.99 0.00 5.36 2.24
平均精度 Average precision 1 0.97 0.98
效率系数 Ens 1 0.99 0.99
摇 摇 HRU: Hydrologic Response Unit; Slp: Average slope of forest; Flow: Stream flow; SED: Sediment; ORGN: Organic nitrogen
摇 摇 从表 2发现,未校准前,基于两幅模拟土地利用
方式的 SWAT 模型模拟结果差别很小,对各子流域
径流、泥沙及非点源污染的平均精度分别为 1、0.97
和 0.98,Ens均为 1。 两个模型模拟的结果几乎是相
同的。 两个模型各子流域间产沙、有机氮的微小相
对误差与研究区主要土地利用类型林地的平均坡度
差别呈现显著的正相关性。 因此可以发现,当输入
的土地利用方式只有景观空间配置差异时,SWAT
模型模拟结果几乎不发生改变。
2.3摇 景观格局指数与模型模拟结果的相关性分析
分别将两个模型各子流域模拟结果与对应的子
流域景观格局指数进行 spearman 相关性分析,结果
如表 3。
表 3摇 SWAT模型主要结果与景观格局指数相关性分析
Table 3摇 Results of correlation analysis on landscape metrics and main results of SWAT model
土地利用模拟图鄄A LUC鄄A
流域
面积
TA
景观
丰度
PR
斑块
密度
PD
最大斑
块面积
LP
边缘
密度
ED
最大形
状指数
LSI
土地利用模拟图鄄B LUC鄄B
流域
面积
TA
景观
丰度
PR
斑块
密度
PD
最大斑
块面积
LP
边缘
密度
ED
最大形
状指数
LSI
径流 FLOW 0.981** 0.375 0.009 0.898** -0.081 0.283 0.982** 0.373 0.01 0.896** -0.082 0.287
泥沙 SED 0.848** 0.293 -0.013 0.882** -0.093 0.211 0.848** 0.29 -0.016 0.87** -0.096 0.216
总氮 N 0.61** 0.335 0.177 0.53** 0.127 0.337 0.611** 0.337 0.181 0.537** 0.126 0.337
总磷 P 0.644** 0.346 0.174 0.616** 0.116 0.339 0.646** 0.348 0.177 0.614** 0.114 0.336
硝酸盐 NO-3 0.892** 0.379 0.11 0.817** 0.075 0.326 0.89** 0.381 0.119 0.819** 0.078 0.326
摇 摇 **在 0.01水平上显著相关
摇 摇 可以看出,同一景观格局指数与基于不同土地
利用模拟图的 SWAT模拟结果间的关系值几乎是相
同的。 景观类型组成的子流域面积 TA 和子流域最
主要景观所占面积 LP 与 SWAT 模拟结果之间有着
225 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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较为显著的相关性,但在景观水平下,景观空间配置
的主要参数与 SWAT模拟结果之间没有显著的相关
关系。 SWAT模型不能很好地反映景观空间变化对
产流、产沙和非点源污染的影响。
进一步对比 LUC鄄A、LUC鄄B 模型 HRU划分可以
看出,各子流域基于不同景观格局类型生成的 HRU
个数都是相等的(表 2)。 虽然土地利用类型都是由
一个或多个空间上不连续的斑块组成,但每个斑块
在 SWAT模型中并没有形成独立的 HRU,模型通过
聚集相同的土地利用类型和土壤类型构成唯一的水
文响应单元,从而模糊了土地利用类型下各斑块的
形状、地理位置等空间配置。 以利用 SWAT 模型模
拟土地利用情景模拟为例,当增加某坡度带如河流
岸边带林地面积时,HRU 数量不会改变,模型更多
是反映代表林地的 HRU因面积增加,平均坡度降低
而减少非点源污染的结果,忽视了林地不同的景观
空间位置对非点源污染的调节作用,从而使模拟的
结果很难真实反映不同坡度带林地的实际作用。
因此,当研究者基于不同坡度假设土地利用情
景模拟时,应利用 SWAT 模型 HRU 划分中 Mutiple
Slope选项,将流域划分为多个坡度类,从而增加子
流域 HRU的数量,缩小每个土地利用类型斑块的坡
度与所属坡度带平均坡度差值,当增大或减小不同
坡度的土地利用面积,能够显著地修改 HRU 平均坡
度,增加了模型对不同坡度土地利用的敏感性,从而
有利于对岸边带等特殊坡度的模拟。
2.4摇 SWAT模型径流模拟与校准对比
利用 SWAT模型,分别对 LUC和 LUC鄄A进行模
拟,在生成 HRU时,定义所有阈值为 0,保证所有的
土地利用类型和土壤类型参与运算。 经模型敏感性
分析,SWAT校准需要调整 6个与径流模拟有关的参
数,分别为 CN2(径流曲线数),SOL_AWC(土壤有效
水容量),ESCO(土壤蒸发补偿系数),GW_REVAP
(地下水 revap系数),REVAPMN(发生 revap 的浅层
含水层水位阈值)和 GWQMN(发生回归流所需的浅
层含水层水位阈值)。 利用西峡水文站 1993—1996
年实测径流数据校准两个 SWAT 模型,1997—2000
年实测径流数据用于模型验证。 结果表明,当两个
模型的 6个校准参数都相等时,基于 LUC 和 LUC鄄A
的 SWAT 模型径流模拟在校准期分别为 0. 88 和
0郾 86,验证期分别为 0.90和 0.87,2 个模型模拟的径
流结果与观测值的拟合度都很高(图 5)。 即便是不
符合真实流域景观特征的 LUC鄄A,SWAT 模型也能
够在验证期内较为准确地模拟老灌河流域的径流
状况。
图 5摇 西峡站点月平均模拟值与实测值的比较(校准期:1993—1996,验证期:1997—2000)
Fig.5摇 Simulated and observed runoff on a monthly step at Xixia station (Calibration stage: 1993—1996, validation stage: 1997—2000)
2.5摇 模型产沙模拟与校准对比
由于缺少实测泥沙数据,研究设置基于实际土
地利用(LUC)的 SWAT 模型产沙数据为校准数据,
对基于 LUC鄄A的 SWAT模型进行校准,经敏感性分
析确认,需要对以下参数进行调整,结果如表 4。
从表 4可以看出,在基于 LUC鄄A的模型中,河道
的单位降雨侵蚀力造成的土壤侵蚀量(Ch_erod)和
河道水流冲蚀之比(Ch_cov)以及 USLE 方程中的覆
盖和管理因子(USLE_C)和河道挟沙能力计算的待
定幂指数相比目标模型都有不同程度的降低。 即,
模型通过其他方面的弥补来缩小因景观格局指数变
化造成的产沙差别,从而造成上述因子可能与实际
325摇 2期 摇 摇 摇 魏冲摇 等: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 摇
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的进一步背离。
表 4摇 基于 LUC和 LUC鄄A的 SWAT模型参数率定最终值及结果对比
Table 4摇 Final values of SWAT model parameters based on LUC鄄A and LUC鄄B after calibration
参数
Parameters
LUC最终值
LUC value
LUC鄄A最终值
LUC鄄A value
参数差
D鄄value
效率系数
Ens
土壤侵蚀量 Ch_erod 0.28 0.13 0.15 0.93
河道水流冲蚀比 Ch_cov 0.23 0.11 0.12
USLE方程覆盖和管理因子 USLE_C 耕地:0.21 耕地:0.2 0.01
林地:0.0015 林地:0.0012 林地:0.0003
果园:0.003 果园:0.002 果园:0.001
河道挟沙能力待定幂指数 Spexp 1.023 1 0.023
摇 摇 参数差:指 SWAT模型基于 LUC参数值减去基于 LUC鄄A的参数最终值;D鄄value: Difference value
摇 摇 同时还可以发现,基于 LUC鄄A的模型对 LUC 的
产沙结果拟合度很高:Ens达到 0.93。 如果后者能够
通过调整泥沙参数反映真实的产沙情况,那么前者
也能够经参数率定使模型反映该流域同时期的产沙
状况;但两个模型在河道挟沙能力和水土保持因子
等参数上的差别,会影响模型对其他指标的计算,从
而产生误差。
3摇 结论
本研究表明,由于模型采用每个 HRU 负荷单独
计算,汇总确定流域总负荷的方式,使 SWAT 模型能
够反映每种景观类型因平均坡度改变,引起产流、产
沙等指标的变化,但无法反映除坡度和面积变化外,
各类型斑块之间因景观空间格局改变对流域非点源
污染的影响。 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。 研究者可以通过划分坡
度带,增加子流域 HRU 的数量,缩小每个土地利用
类型斑块的坡度与所属坡度带平均坡度差值,提高
模型对不同坡度土地利用的敏感性。
通过进一步研究发现,在保持流域景观类型组
成比例不变的情况下,基于模拟土地利用类型与真
实土地利用类型的 SWAT 模型,经过校准都能够很
好地反映该流域的产流情况;同时,模型通过对其他
参数的修改,使两个模型的产沙数据也能够高度拟
合。 但二者在泥沙参数上的差异,反映出当模型对
一种数据的分析存在不足与误差时,会通过其他参
数的调整来达到新的平衡。 因此,一个能够反映当
地近年产流产沙数据的 SWAT 模型,不一定是建立
在当地各种真实情况的基础上产生的,而是各个参
数之间平衡的结果。
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525摇 2期 摇 摇 摇 魏冲摇 等: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 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 34,No. 2 Jan. ,2014(Semimonthly)
CONTENTS
Frontiers and Comprehensive Review
Effects of soil texture on variations of paddy soil physical and chemical properties under continuous no tillage
GONG Dongqin,L譈 Jun (239)
………………………
………………………………………………………………………………………………………
Evaluation of the landscape patterns vulnerability and analysis of spatial correlation patterns in the lower reaches of Liaohe River
Plain SUN Caizhi, YAN Xiaolu,ZHONG Jingqiu (247)……………………………………………………………………………
Effects of light and dissolved oxygen on the phenotypic plasticity of Alternanthera philoxeroides in submergence conditions
XU Jianping, ZHANG Xiaoping, ZENG Bo, et al (258)
……………
……………………………………………………………………………
A review of the relationship between algae and bacteria in harmful algal blooms
ZHOU Jin, CHEN Guofu,ZHU Xiaoshan, et al (269)
………………………………………………………
………………………………………………………………………………
Biodiversity and research progress on picophytoplankton in saline lakes WANG Jiali, WANG Fang (282)……………………………
Effects of ozone stress on major plant physiological functions LIE Ganwen, YE Longhua, XUE Li (294)……………………………
The current progress in rodents molecular phylogeography LIU Zhu, XU Yanchun, RONG Ke, et al (307)…………………………
The progress in ecosystem services mapping: a review ZHANG Liwei, FU Bojie (316)………………………………………………
Autecology & Fundamentals
Growth, and cationic absorption, transportation and allocation of Elaeagnus angustifolia seedlings under NaCl stress
LIU Zhengxiang, ZHANG Huaxin, YANG Xiuyan, et al (326)
…………………
……………………………………………………………………
Leaf morphology and PS域chlorophyll fluorescence parameters in leaves of Sinosenecio jishouensis in Different Habitats
XIANG Fen, ZHOU Qiang,TIAN Xiangrong, et al (337)
………………
…………………………………………………………………………
Response of change of wheat LAI measured with LAI鄄2000 to the radiance
WANG Yan, TIAN Qingjiu, SUN Shaojie, et al (345)
……………………………………………………………
……………………………………………………………………………
Effects of K+ and Cr6+ on larval development and survival rate of the acorn barnacle Balanus reticulatus
HU Yufeng, YAN Tao, CAO Wenhao, et al (353)
………………………………
…………………………………………………………………………………
Diffusion of colorado potato beetle, Leptinotarsa decemlineata, adults in field LI Chao, PENG He, CHENG Dengfa, et al (359)……
Population, Community and Ecosystem
Seasonal variations in fish community structure in the Laizhou Bay and the Yellow River Estuary
SUN Pengfei, SHAN Xiujuan, WU Qiang, et al (367)
……………………………………
……………………………………………………………………………
Variations in fish community structure and diversity in the sections of the central and southern Yellow Sea
SHAN Xiujuan, CHEN Yunlong, DAI Fangqun, et al (377)
……………………………
………………………………………………………………………
Research on the difference in eutrophication state and indicator threshold value determination among lakes in the Southern Jiangsu
Province, China CHEN Xiaohua, LI Xiaoping, WANG Feifei,et al (390)………………………………………………………
Effection of tidal creek system on the expansion of the invasive Spartina in the coastal wetland of Yancheng
HOU Minghang, LIU Hongyu, ZHANG Huabing (400)
…………………………
……………………………………………………………………………
The spatial and temporal variations of maximum light use efficiency and possible driving factors of Croplands in Jiangsu Province
KANG Tingting, GAO Ping, JU Weimin, et al (410)
……
………………………………………………………………………………
Simulation of summer maize yield influenced by potential drought in China during 1961—2010
CAO Yang,YANG Jie, XIONG Wei,et al (421)
………………………………………
……………………………………………………………………………………
Forest change and its impact on the quantity of oxygen release in Heilongjiang Province during the Past Century
ZHANG Lijuan,JIANG Chunyan,MA Jun,et al (430)
……………………
………………………………………………………………………………
Soil macro鄄faunal guild characteristics at different successional stages in the Songnen grassland of China
LI Xiaoqiang, YIN Xiuqin, SUN Lina (442)
……………………………
………………………………………………………………………………………
Seasonal dynamics of soil microbial biomass in six forest types in Xiaoxing忆an Mountains, China
LIU Chun, LIU Yankun, JIN Guangze (451)
……………………………………
………………………………………………………………………………………
Landscape, Regional and Global Ecology
Variation of drought and regional response to climate change in Huang鄄Huai鄄Hai Plain XU Jianwen,JU Hui,LIU Qin,et al (460)…
Wind speed changes and its influencing factors in Southwestern China
ZHANG Zhibin,YANG Ying,ZHANG Xiaoping,et al (471)
…………………………………………………………………
………………………………………………………………………
Characteristics of soil carbon density distribution of the Kobresia humilis meadow in the Qinghai Lake basin
CAO Shengkui, CHEN Kelong, CAO Guangchao, et al (482)
…………………………
……………………………………………………………………
Life cycle assessment of carbon footprint for rice production in Shanghai CAO Liming, LI Maobai, WANG Xinqi, et al (491)………
Research Notes
Seasonal changes of ground vegetation characteristics under artificial Caragana intermedia plantations with age in desert steppe
LIU Rentao, CHAI Yongqing, XU Kun, et al (500)
……
………………………………………………………………………………
The experimental study on trans鄄regional soil replacement JIN Yinghua,XU Jiawei,QIN Lijie (509)…………………………………
Sensitivity analysis of swat model on changes of landscape pattern: a case study from Lao Guanhe Watershed in Danjiangkou
Reservoir Area WEI Chong, SONG Xuan, CHEN Jie (517)………………………………………………………………………
625 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34 卷摇
《生态学报》2014 年征订启事
《生态学报》是由中国科学技术协会主管,中国生态学学会、中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊,创刊于 1981 年,报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果。 坚持“百花齐放,百家
争鸣冶的方针,依靠和团结广大生态学科研工作者,探索生态学奥秘,为生态学基础理论研究搭建交流平台,
促进生态学研究深入发展,为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务、为国民经济建设和发展服务。
《生态学报》主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果。 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方法、新技术介绍;新书评价和
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第 34 卷摇 第 2 期摇 (2014 年 1 月)
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Vol郾 34摇 No郾 2 (January, 2014)
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