全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 远期摇 摇 圆园员源年 猿月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
全球气候变暖对凋落物分解的影响 宋摇 飘袁张乃莉袁马克平袁等 渊员猿圆苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
从系统到景观院区域物质流分析的景观取向 张晓刚袁曾摇 辉 渊员猿源园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
论湿地生态系统服务的多维度价值评估方法 宋豫秦袁张晓蕾 渊员猿缘圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
保幼激素在昆虫中的分子作用机理 金敏娜袁林欣大 渊员猿远员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
岩画和壁画类文物微生物病害研究进展 李摇 强袁葛琴雅袁潘晓轩袁等 渊员猿苑员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 猿杂技术的图们江流域湿地生态安全评价与预警研究 朱卫红袁苗承玉袁郑小军袁等 渊员猿苑怨冤噎噎噎噎噎噎
跨界保护区网络构建研究进展 王摇 伟袁田摇 瑜袁常摇 明袁等 渊员猿怨员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
速生树种尾巨桉和竹柳幼苗耗水特性和水分利用效率 邱摇 权袁潘摇 昕袁李吉跃袁等 渊员源园员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
三种增温情景对入侵植物空心莲子草形态可塑性的影响 褚延梅袁杨摇 健袁李景吉袁等 渊员源员员冤噎噎噎噎噎噎噎
气象要素及土壤理化性质对不同土地利用方式下冬夏岩溶作用的影响 刘摇 文袁张摇 强袁贾亚男 渊员源员愿冤噎噎
施用纳米碳对烤烟氮素吸收和利用的影响 梁太波袁尹启生袁张艳玲袁等 渊员源圆怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 灾燥则燥灶燥蚤图的林分空间模型及分布格局研究 刘摇 帅袁吴舒辞袁王摇 红袁等 渊员源猿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
近自然毛竹林空间结构动态变化 仇建习袁汤孟平袁沈利芬袁等 渊员源源源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于种实性状的无患子天然群体表型多样性研究 刁松锋袁邵文豪袁姜景民袁等 渊员源缘员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同林分起源的相容性生物量模型构建 符利勇袁雷渊才袁孙摇 伟袁等 渊员源远员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
毛竹材用林林下植被群落结构对多花黄精生长的影响 樊艳荣袁陈双林袁杨清平袁等 渊员源苑员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
温度和 悦韵圆浓度升高下转 月贼水稻种植对土壤活性碳氮和线虫群落的短期影响
陈摇 婧袁陈法军袁刘满强袁等 渊员源愿员冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
中国东北地区近 缘园年净生态系统生产力的时空动态 李摇 洁袁张远东袁顾峰雪袁等 渊员源怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
遥感与 郧陨杂支持下的盘锦湿地水禽栖息地适宜性评价 董张玉袁刘殿伟袁王宗明袁等 渊员缘园猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
秦岭火地塘林区土壤大孔隙分布特征及对导水性能的影响 陆摇 斌袁张胜利袁李摇 侃袁等 渊员缘员圆冤噎噎噎噎噎噎
磷浓度对铜绿微囊藻尧大型溞和金鱼藻三者相互作用的影响 马剑敏靳摇 萍袁郭摇 萌袁等 渊员缘圆园冤噎噎噎噎噎噎
普生轮藻浸提液对两种淡水藻类的化感抑制作用及其数学模型 何宗祥袁刘摇 璐袁李摇 诚袁等 渊员缘圆苑冤噎噎噎噎
北京永定河鄄海河干流河岸带植物的区系分析 修摇 晨袁欧阳志云袁郑摇 华 渊员缘猿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于河流生境调查的东河河流生境评价 王摇 强袁袁兴中袁刘摇 红袁等 渊员缘源愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
应用 杂宰粤栽模型研究潮河流域土地利用和气候变化对径流的影响 郭军庭袁张志强袁王盛萍袁等 渊员缘缘怨冤噎噎
长白山不同海拔树木生长对气候变化的响应差异 陈摇 力袁尹云鹤袁赵东升袁等 渊员缘远愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
石家庄市空气花粉散布规律及与气候因子的关系 李摇 英袁李月丛袁吕素青袁等 渊员缘苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同放牧梯度下呼伦贝尔草甸草原土壤碳氮变化及固碳效应 闫瑞瑞袁辛晓平袁王摇 旭袁等 渊员缘愿苑冤噎噎噎噎噎
南四湖区农田土壤有机质和微量元素空间分布特征及影响因素 武摇 婕袁李玉环袁李增兵袁等 渊员缘怨远冤噎噎噎噎
资源与产业生态
跨国土地利用及其生态影响 陆小璇 渊员远园远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆愿愿鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿园鄢圆园员源鄄园猿
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封面图说院 图们江河流中段要要要图们江位于吉林省东南边境袁发源于长白山东南部的石乙水袁河流的绝大部分是中国与朝鲜的
界河袁下游很小一段为俄罗斯与朝鲜的界河袁并由这里流入日本海袁我国珲春距离日本海最近的地方仅有 员缘噪皂遥 图
们江是我国重要的国际性河流之一袁随着我国经济的迅速崛起袁图们江地区进入到多国合作联合开发阶段袁湿地生
态系统处于中度预警状态袁并有向重度预警发展的趋势袁生态安全面临的威胁越来越严重遥 对该区域进行湿地生态
安全评价与预警研究袁可为图们江流域生态环境的可持续发展提供依据遥 图中河道的远方为朝鲜尧河道近方为
中国遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 6 期
2014年 3月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.6
Mar.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家林业公益性行业科研专项(201204102)资助
收稿日期:2013鄄04鄄19; 摇 摇 修订日期:2013鄄09鄄10
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: zhqzhang@ bjfu.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201304190746
郭军庭,张志强,王盛萍, Strauss Peter,姚安坤.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.生态学报,2014,34(6):1559鄄1567.
Guo J T, Zhang Z Q, Wang S P, Strauss Peter, Yao A K.Appling SWAT model to explore the impact of changes in land use and climate on the streamflow
in a Watershed of Northern China.Acta Ecologica Sinica,2014,34(6):1559鄄1567.
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
郭军庭1,2,张志强1,*,王盛萍3, Strauss Peter4, 姚安坤1
(1. 教育部水土保持与荒漠化防治重点实验室,北京林业大学水土保持学院,北京摇 100083;2.中国林业科学研究院湿地研究所,北京摇 100091;
3. 华北电力大学资源与环境研究院 /区域能源环境系统优化教育部重点实验室,北京摇 102206;
4. Federal Agency for Water Management,Institute for Land and Water Management Research,Pollnbergstrasse 1,A鄄3252 Petzenkirchen,Austria)
摘要: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郾 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 2.98
mm,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郾 1%,林地和耕地情景下年径流分别减少 23.7% 和 41郾 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郾 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。
关键词:土地利用变化;气候变化;产水量变化;SWAT模型;潮河流域
Appling SWAT model to explore the impact of changes in land use and climate on
the streamflow in a Watershed of Northern China
GUO Junting1, 2, ZHANG Zhiqiang1,*, WANG Shengping3, STRAUSS Peter4, YAO Ankun1
1 Key Laboratory Soil and Water Conservation and Desertification Combating, Ministry of Education, College of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry
University, Beijing 10083, China
2 Institute of Wetland Research, Chinese Academy of Forestry, Beijing 10091, China
3 North China Electric Power University, Beijing 102206, China
4 Federal Agency for Water Management,Institute for Land and Water Management Research,Pollnbergstrasse 1,A鄄3252 Petzenkirchen,Austria
Abstract: Global warming and intensive changes in land use / cover have posted unprecedented impacts on the watershed
hydrology and thus the water security at the global scale. To quantitatively analyze the impacts of land use change and
climate variability on the streamflow of Chaohe Watershed located in North China, we calibrated and validated a distributed
hydrological model鄄SWAT by using the multi鄄site calibration procedure. The effects of land use changes and climate
variability on the stream of the watershed were then explored by using scenario analysis approach. Two indices, the p鄄factor,
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r鄄factor as well as efficiency of objective function,were used to assess the calibration / uncertainty performance of the SWAT
model at the hydrological stations of Dage, Daiying and Xiahui within the research watershed. Results showed that p鄄factors
in the calibration and validation periods were 0.70 and 0.77, 0.87 and 0.82, 0.92 and 0.78 respectively for the three
stations. The r鄄factors in the calibration and validation periods were 0. 63 and 0. 90, 0. 97 and 0. 79, 0. 88 and 0. 92
respectively for the three stations. The objective function of efficiency of SWAT was 0.66, suggesting that the model was
capable for simulating runoff responses to changes of land use and climate variability in the watershed. Compared with the
baseline period (1981—1990), land use change caused an annual streamflow reduction of 4.1 mm whereas climate change
gave rise to an annual streamflow reduction of 29.7mm in the period from 1991 to 2000. For the period of 2001—2009 land
use change reduced runoff by 3.0 mm, whereas climate change decreased runoff for 14.3 mm. When the land use in 1999
was set as the reference, the annual streamflow would increase by 158.2% and 4.1% for the shrub land scenario and the
grassland scenario, respectively. Contrarily, the farmland scenario and the woodland scenario could induce 41. 7% and
23郾 7% annual streamflow reductions, respectively. The climate variability scenario analysis indicated that a 10% increase
in annual precipitation could lead to 23.9% annual streamflow increase and a 12% increase in annual mean air temperature
could lead to a 6% reduction in annual streamflow. We, therefore, concluded that the annual streamflow variation was more
sensitive to precipitation than to temperature in the region. It is of critical importance to develop explicitly integrated “cause鄄
effect冶 land use planning and strategies for adaptive land and water management at watershed scale under the global change.
Key Words: land use change; climate change; runoff change; SWAT model; Chaohe Watershed
摇 摇 气候与土地利用变化对流域水文水资源的影响
是适应性流域管理的重要基础[1鄄2]。 评价气候变化,
特别是降水变化对水资源及水循环的影响非常迫
切,研究结果对未来水资源规划和开发利用具有重
要意义[3]。 相对于气候变化的长期性特点,土地利
用和覆被变化是短期内流域水文变化的主要驱动因
素之一。 它通过影响冠层截流、地表入渗、蒸散发和
地表径流等,对流域水文循环产生作用。 目前定量
分析二者对流域径流的影响多采用对比流域试验、
统计分析和模型模拟等方法[4]。 对比流域试验不能
应用于地质地貌等存在显著空间差异的中大尺度流
域,且其重点在于考察流域土地利用变化对流域水
文的影响[5]。 统计方法可以用来分析水文气象数据
的变化趋势,但不能考虑流域空间异质性以及土地
利用和气候变化对流域水文的作用机理。 因此,基
于物理过程的分布式水文模型近来被广泛用于评价
气候变异和土地利用变化的水文响应[6鄄7]。 其优点
在于模型既考虑了流域的空间异质性,同时也对流
域水文过程物理过程进行刻画,可以描述流域确定
时间范围内土地利用变化后的长期影响,并进行连
续模拟,因此适用于空间特征差异较大的流域。
在全球气候变化背景下,华北地区 1951—2009
年间多年平均降水量呈现减少趋势,近 59 年间减少
了 26.8 mm[8],在 2040 年之前仍可能呈现减少趋
势[9]。 该地区的密云水库上游潮河流域 1961—2009
年间年和汛期(6—9 月)降水量呈减少趋势但不显
著,而非汛期降水量显著增加并于 1979 年发生突
变,即年际降水变化趋势不明显,但年内降水变率减
小[4]。 潮河流域作为北京市主要地表饮用水源供应
地之一,从 20世纪 80年代开始,开展了国家“三北冶
防护林重点建设工程、国家级水土流失重点治理工
程和京津风沙源区防沙治沙项目等。 大规模的退耕
还林还草等生态措施被用来治理水土流失和改善水
质。 同时,随着经济发展,人口增加,城镇化速度加
快,流域内建设用地迅速增加。 流域土地利用和覆
被发生变化进而改变该流域下垫面产流环境。 因
此,潮河流域内气候和土地利用都发生变化的情况
下,定量评价二者对流域产水量的影响,是评价前期
生态治理措施并为后续措施调整及科学开展流域治
理的重要基础和前提[10鄄11]。 在该流域业已开展的相
关研究采用不同的方法,包括经验回归模型[4,12],集
总式模型[13],以及分布式模型[1,14],分析了气候和人
类活动引起的土地利用变化对流域产水量的影响。
各研究尽管方法不同,但研究结果指出人类活动主
导的土地利用变化是驱动流域产水量变化的主要因
素之一。 但是,目前该流域内缺乏对单一土地利用
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类型以及潜在气候变化对产流影响的定量研究。
SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是
美国农业部开发的分布式水文模型,被广泛应用于
流域尺度各种土地管理措施及气候变化对流域水文
影响的模拟和预测[6, 7, 15鄄19]。 本文的目的在基于
SWAT水文模型,建立潮河流域分布式水文模拟系
统,通过模拟径流对气候和土地利用变化的响应,定
量分析不同时期二者对流域产流的影响,并进一步
分析单一土地利用类型对产水量的影响,以及分析
不同气候变化情景对产水量的影响,为应对气候变
化和水资源短缺的适应性流域管理和水资源规划提
供科学依据。
1摇 材料和方法
1.1摇 研究区概况
本研究中潮河流域是指密云水库以上潮河流域
部分(不包括牤牛河、安达木河和清水河等二级支
流),总面积 4 855.9 km2,占密云水库以上集水流域
面积的 31%。 流域位于华北土石山区(116毅 10忆—
117毅35忆E,40毅35忆—41毅37忆N),流域地势西北高,东南
低,以低山和中山为主,山地面积约占总面积 80%以
上(图 1)。 流域气候类型属于中温带向暖温带及半
干旱向半湿润过渡的大陆性季风气候,多年平均气
温为 8.3 益,多年平均降水量为 511 mm,汛期(6—9
月)占年降水量的 75%以上。 汛期多以暴雨形式出
现,土壤侵蚀严重,山区多年平均土壤侵蚀总量(轻
度以上)为 2 174 万 t,土壤平均侵蚀模数为 2682 t
km-2 a-1,多发生于上游河谷阶地黄土覆盖区[20]。 流
域内土壤类型以棕壤和褐土为主,占总面积的 80%
以上。
根据我国土地利用现状分类标准(GB鄄T21010—
2007),将流域内土地利用类型分为耕地、草地、灌木
图 1摇 潮河流域位置图
Fig.1摇 Location of Chaohe Watershed
林地、有林地、城乡建设用地、水域和未利用地 7 类;
潮河流域主要的土地利用类型为耕地、草地、灌木林
和有林地,四者占流域总面积 95%以上(表 1)。 与
1987年相比,1999年耕地面积增加了 6.1%,草地面
积减少 26.5%,有林地面积增加 23.57%,灌木林地增
加 7.73%。 从 1999年到 2009年,草地面积大幅减少
了 45.9%,耕地减少 31.91%,而有林地和灌木林地分
别增加了 27.96%和 17.8%。 潮河流域土地利用变化
结果表明:耕地和草地面积减少,有林地和灌木林地
面积增加。 20世纪 70 年代末期流域修建了一些塘
坝和小水库,由于设计不合理及缺乏经费维持,到 80
年代中后期塘坝等逐步废弃。 从 20 世纪 80 年代末
开始,流域所处地区先后实施了大量水土保持工程,
主要采取以植被恢复为主的生物措施。 工程措施主
要是水平梯田和谷坊,但所占面积相对较小。
截至2005年底,流域内累计水土保持措施面积为
表 1摇 潮河流域不同时期土地利用对比
Table 1摇 Comparison of land use between different periods in Chaohe watershed
年份
Year
耕地
Farmland
草地
Grassland
水域
Water body
未利用地
Bare land
灌木林
Shrubland
建筑用地
Building land
有林地
Forest land
面积 Area / km2 1987 424.14 1621.75 53.62 13.59 1598.11 31.06 1113.60
1999 450.02 1191.98 59.83 15.58 1721.60 40.82 1376.03
2009 306.41 644.83 55.17 13.05 2028.01 47.68 1760.71
面积变化率 1987—1999 6.10 -26.50 11.58 14.64 7.73 31.45 23.57
Area change / % 1999—2009 -31.91 -45.90 -7.79 -16.22 17.80 16.81 27.96
1651摇 6期 摇 摇 摇 郭军庭摇 等: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 摇
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2735.69 km2,其中植被恢复面积 2678.47 km2,修建
水平梯田 57.27 km2 [12]。
1.2摇 研究方法
1.2.1摇 SWAT模型数据输入及运行
本研究采用 ArcGIS9.3环境下的 Arc鄄SWAT2005
版本。 模型输入数据主要包括:从国际科学数据服
务平台获取的流域 ASTAR 数字高程模型数据
(Digital Elevation Model, DEM),空间分辨率为 30
m;1987,1999和 2009 年 3 期 Landsat TM 多波段遥
感影像数据,空间分辨率为 30 m。 通过校正后,选用
接近地表真实情景的 7 / 4 / 2 波段假彩色合成,根据
土地利用现状分类标准,采用人机交互进行图像解
译。 土壤数据由联合国粮农组织提供的全球土壤分
布图库获取,分辨率为 100 m。 使用 ArcGIS 将土地
利用图和土壤分布图转换为与 DEM 具有相同投影
坐标信息以及栅格大小的数据,则 SWAT 模型运算
的空间分辨率统一为 30 m。 SWAT 模型根据 DEM、
土地利用和土壤数据将整个流域划分为若干个子流
域。 大阁、戴营和下会 3 个水文站 1981—2009 年的
径流数据以及流域内 8个雨量站的数据分别由河北
水文水资源局和北京水文总站提供。 密云、丰宁和
承德 3 个气象站的气象数据由国家气象局提供,包
括 1961—2009年的日降水,气温,风速,相对湿度和
太阳辐射。 将距离子流域形心最近的气象站的数据
赋予该流域,实现气象数据由点及面的空间插值。
SWAT模型自带天气发生器(WXGEN)可以用来生
成气候数据,并且填补缺失数据。 本文构建 WXGEN
所需的参数是通过近 40 年的气象数据统计获得多
年逐月气象资料,主要包括月日均降水量、月日均最
高和最低气温、月日均太阳辐射总量、月日均露点温
度、月日均风速等。 本研究中采用 SWAT 官方提供
的统计软件 pcpSTAT及 dew02软件对气象资料进行
统计,求算以上参数。
1.2.2摇 模型校准和验证
本文分别选择位于流域上中下游的大阁,戴营
和下会 3个水文站,代表流域内不同空间特征,采用
多站校准检验的方法,以月为模拟步长,对流域
1981—1991年的月径流进行模拟,将 1981—1982 年
作为模型预热期, 1983—1986 年为模型校准期,
1987—1991年为模型验证期,最后确定模型参数值。
首先用 LH鄄OAT采样法[20],进行参数敏感性分析,选
取对模拟结果灵敏度大的参数进行校准和验证。 应
用 SUFI鄄2算法[7, 21鄄22]进行迭代运算,模拟过程中所
有不确定性因素(参数,模型概念,数据输入等)统一
用参数的不确定性表示,将参数不确定性能够对所
有不确定性因素解释的程度定义为 p 因子,即 95%
预测不确定性(95% Prediction Uncertainty,95PPU)
包含观测数据的比例。 95PPU的计算是采用拉丁抽
样法选取累积频率位于 2.5%与 97.5%之间的模拟
值,剔除了 5%极坏模拟; 95PPU的平均厚度除以观
测值的标准偏差定义为 r 因子。 p 取值介于 0 到
100%,r介于 0到无穷大。 理论上 p 为 1 且 r 值为 0
代表实测数据和模拟结果完全吻合。 由于测量误差
和模型的不确定性,理论最佳模拟值很难达到。 因
此本文中模拟结果同时满足以下两个条件:(1) p 值
大于 0.7,即超过 70%的观测数据落在 95%的预测不
确定性内;(2) r值小于 1,即 95%预测不确定性值范
围的平均厚度(即不确定性程度)小于观测数据的标
准偏差[7, 15],则认为模拟结果与实测值相符合。 另
外,本文进一步采用 Karuse[23]定义的有效评价方法
比较潮河流域月径流模拟值对观测值的有效性:
椎=
| b |R2, | b |臆1
| b | -1R2, | b{ | >1 (1)
式中,R2是模拟值与观测值的决定系数,b 是回归曲
线斜率。 对于同时模拟流域多个流量观测点,模型
目标函数为区域内所有模拟站点的 椎的平均值:
g = 1
n移
n
i = 1
椎i (2)
式中,g是模型目标函数最佳值,n 是观测站个数。
上述有效性评价中 椎值变化范围为(0,1)。 相对于
目标函数取纳什系数(Nash鄄Sutcliffe)等函数时,最佳
模拟值以及优化过程会受到个别较差模拟值的影
响,而该函数值则不受较差模拟值的影响,目标函数
最佳值大于 0.6时认为模拟效果较好[23]。
1.2.3摇 情景设置与模型分析
当模型校准和验证完成后,应用 SWAT 模型模
拟不同时期的土地利用和气候变化下流域出口下会
站径流的响应。 具体情景设置如表 2,在模拟过程中
相应改变植被模块的参数和土壤水力参数:以情景 1
为基准期,将情景 4,5与其对比,获取土地利用和气
候变化二者共同对产流量的影响;将情景 2,3 分别
与情景 1比较,获取气候变化对产流量的影响;再将
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情景 4,5 与分别与情景 2,3 比较,获取对应时期土
地利用变化对产流量的影响。 最终,定量分析不同
时期土地利用和气候变化对整个流域产流的影响。
表 2摇 模型模拟情景设置
Table 2摇 Scenarios for modeling analysis
情景
Scenarios
土地利用
Land use
气象数据
Meterological data
1 1987 1981—1990
2 1987 1991—2000
3 1987 2001—2009
4 1999 1991—2000
5 2009 2001—2009
为进一步探讨单一土地利用类型在产流量中所
起的作用,剔除土地利用变化中地形、地貌等不确定
性因素的影响,采用极端土地利用变化情景模拟进
行分析,具体设置为:以 1999 年土地利用现状为基
础,保留流域内的居民区和交通建设用地以及水域
外,将流域内其它所有土地利用类型依次设置为草
地情景、灌木林地情景、林地情景和耕地情景,并分
别改变相应的植被模块的参数和土壤水力参数,模
拟 1999—2009年不同土地利用情景下的年径流量。
为探讨气候变异对流域出口产水量的影响,根
据未来气候变异的可能范围[24],给定降水和气温的
变化值,设定如下情景:保持现有降水状况不变(多
年平均降水 511 mm),增加 10% / 20% / 30%和减少
10% / 20% / 30%降水共 7种方案;采用保持现有温度
不变(多年平均气温 8.3 益),降低 1 益 (-12%),升
高 1 益(12%) / 2 益(24%)4种方案,总共有 28 种不
同的气候变异组合方案。 通过不同的气候变异方
案,模拟径流对气候变异的响应。 年径流量的变化 b
的求解如下:
b=(yi-y0) / y0伊100% (3)
式中,yi为第 i中气候方案下的年均径流量(m3 / s);
y0为真实情景下的年均径流量(m3 / s)。
2摇 结果与分析
2.1摇 模型校准与验证
将研究流域 1987 年的土地利用和 3 个水文站
1981—1986与 1987—1991 年的水文气象数据代入
模型,通过 LH鄄OAT 采样法选取模型中前 14 位对径
流模拟结果敏感性高的参数进行校准和验证。
图 2为潮河流域月径流模拟结果。 在校准期,
大阁站 1983 和 1986 年汛期模拟峰值大于实测值,
1984年汛期模拟值小于实测值。 p 和 r 值分别为
0郾 70和 0.84,决定系数 R2为 0.63。 戴营站 1985 年
汛期模拟峰值大于实测值,而 1986 年和 1983 年的
汛期模拟值与实测值基本吻合,p 值和 r 值分别为
0郾 87和 0.97,决定系数 R2为 0.68。 流域出口下会站汛
期峰值模拟与实测值基本吻合,p 值为 0.87,r 值为
0郾 97,决定系数 R2为 0.72。 由于模型在运行前期,许
多变量,如土壤含水量的初始值为零,会影响模型模
拟的结果,所以需要将模拟初期作为模型的预热期,
合理估算模型参数的初始值。 因此,本文将 1981—
1982年作为预热期,从而减少此类误差的影响。
在验证期,大阁径流模拟变化趋势与观测值一
致,模拟峰值却大于观测峰值,相应的 p 值,r 值相分
别为 0.77和 0.90,决定系数 R2为 0.71。 戴营站 1989
和 1990 年模拟峰值小于观测值,1987 和 1991 年模
拟峰值与观测值基本吻合,对应的 p 值为 0.82,r 值
为 0.79,决定系数 R2为 0.86。 下会站的径流模拟峰
值在 1987 年和 1990 年比观测值小,在 1989 年和
1991年模拟峰值大于观测值,在 1988年模拟峰值与
实测值基本一致。 该站的验证期的 p 值为 0.78,r 值
为 0.82,决定系数 R2为 0.82。
运用多站校准验证方法,经过 SUFI鄄 2法迭代运
算,3个测站的 p值都大于 0.7,r 值小于 1,模型模拟
目标函数 g最佳值为 0.66,说明该模型在潮河有一
定的适用性,可以满足该流域产水量的模拟预测。
流域出口下会站敏感参数最佳值如表 3所示。
2.2摇 情景模拟
根据情境设置,对潮河流域土地利用和气候变
化的径流响应进行定量研究。 结果如表 4 所示:情
景 1的年均径流量为 42.18 mm,情景 4 的年均径流
量为 67.76 mm,情景 5 的年均径流量为 24.90 mm。
根据 1.2.4中的方法描述,基于情景 1,情景 4中土地
利用变化引起产水量减少了 4.1 mm,而气候变化增
加了 29.68 mm 径流量;情景 5 中,土地利用变化造
成产水量减少 2.98 mm,气候变化造成产水量减少了
14.3 mm。 情境 4相对于情境 1,流域的林地面积增
加了 23.57%(表 1),导致流域蒸散发量增加。 同时,
该时段内年均降水比情境 1 多,特别是 1994 年和
1998年潮河流域发生全流域性的大洪水,降水迅速
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图 2摇 SWAT模型对潮河月径流模拟的校准和验证
Fig.2摇 Calibration and validation of SWAT model for monthly runoff in Chaohe Watershed
表 3摇 潮河流域下会径流模拟敏感参数最佳值
Table 3摇 Optimal values of sensitive parameters for runoff in Chaohe watershed
参数名称
Parameter name
参数定义
Parameter defenition
初始值范围
Original value
最佳值
Optimal value
敏感性排序
Sensibility order
v__GWQMN 浅层地下水径流系数 [10,500] 261.125 1
v__ESCO 土壤蒸发补偿系数 [0.224,0.574] 0.404 2
r__CN2 SCS径流曲线系数 [-0.259,-0.075] -0.214 3
r__SOL_AWC(1) 表层土壤可利用的有效水 [0.030,0.280] 0.258 4
v__SOL_Z(1) 表层土壤层的厚度 / mm [0.568,678.455] 500.510 5
v__CANMX 最大冠层蓄水量 / mm [21.349,54.742] 52.655 6
v__ALPHA_BF 基流消退系数 [0.028,0.254] 0.1945 7
v__GW_REVAP 地下水再蒸发系数 [0.124,0.166] 0.164 8
v__REVAPMN 浅层地下水再蒸发系数 [120,220] 211.250 9
r__SOL_K(1) 饱和水力传导系数 [-0.381,0.276] 0.169 10
v__CH_K2 河道有效水力传导系数 [2,6] 2.950 11
v__GW_DELAY 地下水滞后系数 [314.188,439.331] 425.253 12
v__EPCO 植物蒸腾补偿系数 [0.564,0.745] 0.693 13
v__RCHRG_DP 深蓄水层渗透系数 [0.150,0.456] 0.276 14
摇 摇 r__表示参数值被赋予原值的若干倍数,v__表示为参数值被赋予给定值取代初始值
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表 4摇 潮河流域土地利用和气候变化对径流量影响的模拟结果
Table 4摇 Simulated response of runoff to land use and climate changes in Chaohe watershed
情景
Scenarios
年均降水
Mean annual
precipitation / mm
年均潜在蒸发散
Mean annual
PET / mm
模拟年径流量
Simulating annual
runoff / mm
土地利用变化
对径流量的影响
Effects of land use
change on runoff / mm
气候变化
对径流量的影响
Effects of climate
varibility on runoff / mm
1 514.0 1088.9 42.18
4 522.4 1125.7 67.76 -4.1 29.68
5 486.7 1108.2 24.90 -2.98 -14.3
转为地表径流直接流出流域。 虽然该阶段的潜在蒸
发散也显著增加[4],但潜在蒸发散和温度等对流域
径流的影响较小[25],所以年径流量增加较大。 情境
5中,林地和灌木林地面积继续增加(表 1),年均降
水减少,土地利用和气候变化都减少流域的产水量。
因此,在气候变化的背景下,根据水资源管理目标,
可以通过流域管理措施的调整,包括对土地利用类
型和空间分布等进行调整,减缓气候变化对水资源
的负面效果。
以 1999年土地利用情景下的模拟径流为基准,
对比四种不同极端情境下的径流变化情况。 其中,
灌木林地情景中径流增加了 158.2%,草地情景中径
流增加了 4. 1%。 但是林地情景中径流减少了
23郾 7%,耕地情景中径流减少 41.7%。 结果表明,灌
木林地和草地均增加流域径流,从而增加下游流域
供水量。
根据表 5所示,潮河流域降水保持不变,当温度
比现有温度降低 12%(减少 1 益),多年平均径流量
增加 4.1%。 温度比现有气温升高 12%和 24%,则径
流分别减少 6%和 5.9%。 温度变化对水文效应有正
负作用。 随着温度升高,流域内的蒸发增加,在降雨
不变情况下,径流减少。 当温度升高超过一定水平,
蒸发量增加,空气中水汽含量增多,云层增厚进而导
致蒸发能力降低。 当流域可供蒸发的水量不变,则
径流变化只对降水量变化敏感,而对温度的变化不
敏感。 因此,温度变化对径流的影响较为复杂。 流
域内年均径流随降水的增多而增多,且径流增加的
幅度大于降水的增幅。 降水增加 10%,20%,30%,
径流分别增加 21.6%,45.5%,71.8%;年均径流随降
水的减少而减少,减少的幅度也随降水的逐步减少
而减小。 另外,年均径流随降水减少的减幅小于随
降水增加的增幅。 模拟结果表明潮河流域径流对降
水的变化更加敏感。
表 5摇 不同气候变异情景下年均径流深的相对变化 / %
Table 5摇 Relative variation of mean annual runoff depth for different climate scenarios / %
温度
Temprature
降水 Precipitation
-30% -20% -10% 0 10% 20% 30%
-12% -56.3 -41.9 -24.5 4.1 16.8 41.5 68.4
0 -52.6 -37.8 -19.3 0.0 21.6 45.5 71.8
12% -54.6 -40.4 -24.2 -6.0 14.5 37.6 63.4
24% -53.4 -39.4 -23.5 -5.9 14.1 36.4 61.1
3摇 讨论
经过 SWAT模型校准和验证,3个水文站点的模
拟结果同时满足应用的标准,即 p 值大于 0.7,r 值小
于 1,并且模拟目标函数 g 最佳值为 0. 66。 文中
SWAT模型在构建过程中充分考虑了水文和气象观
测站点分布、土地利用类型、土壤和坡度等因素,虽
然在 80年代后期流域内的塘坝和小型水库已逐步
废弃,对模型模拟结果影响较小,但由于数据条件限
制,该研究中未将湿地等作为单独土地利用类型而
是统一归为水域进行分析;另外,流域内是否有地质
灾害如滑坡等发生,都会在一定时间内影响局部水
文循环。 由于缺乏流域内部水量迁移数据,如灌溉
抽水与废水排放等,所以本研究采用流域受干扰较
少时期的径流观测数据对后续的数据进行了还原,
从一定程度减少上述不确定性的干扰。
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同时,数据的不确定性同样会导致模型模拟的
不确定性。 SWAT模型中基于气象和水文观测站点
的海拔梯度计算流域平均降水和气温,这在一定程
度上消除了站点空间分布的误差。 本文选用 3 个气
象站点(丰宁,密云,承德)分别处于流域上下游。 每
个子流域选取距离其形心距离最近站点的气象数据
为用。 本文选用 8个降水站点,3个气象站点和 3 个
水文观测站点,尽可能增大的观测站点分布密度,提
高子流域的数据的准确性,减少数据输入引起的模
型不确定性。
该研究对流域分处上中下游的 3 个水文站产水
量进行研究。 由于流域空间异质性的存在,每个子
流域的具有不同的属性特征。 研究流域的上游为黄
土覆盖区,土层厚,而中下游流域为土石山区,土层
薄。 在模拟过程中所有子流域被赋予相同的土壤参
数值,这在一定程度上导致上下游站点径流模拟效
果存在差异。 要辨析环境变化影响以及各种误差来
源引起的模拟不确定性,Bormann[26]提出引入“信号
噪声比(signal鄄to鄄noise ratio)冶的概念,判断环境变化
影响效应是否较模拟不确定性显著。 因此在后续工
作中有必要对模型模拟的不确定性进行进一步探讨
验证[27鄄28]。 本文主要关注流域尺度土地利用和气候
变化对产水量的影响,而非强调水文过程对二者变
化的响应。 因此,根据 p 值,r 值以及 g 值对模拟效
果的评价分析,表明本研究中潮河流域 SWAT 模型
模拟的不确定性对模拟结果影响不显著,该模型可
以很好的模拟流域的产水量变化,在潮河流域具有
一定的适用性。
4摇 结论
本文应用分布式水文模型(SWAT),通过多站点
校准和验证,定量模拟分析潮河流域土地利用和气
候变化对产水量的影响,结果表明:
(1)流域内 3 个水文站校准和验证阶段 p 值分
别为:0.70和 0.77,0.87 和 0.82,0.92 和 0.78,r 值分
别为 0.63和 0.90,0.97 和 0.79,0.88 和 0.92。 SWAT
模型在潮河流域模拟的目标函数最佳值为 0.66,说
明该模型对潮河流域的产水量模拟具有一定的适
用性。
(2)不同时期的土地利用和气候变化对流域产
水量的影响不同。 与基准期相比,情景 4 中土地利
用变化引起的产水量减少了 4.1 mm,而气候变化增
加了 29.58 mm 径流量;情景 5 中,土地利用变化造
成产水量减少 2.98 mm,气候变化造成产水量减少了
14.3 mm。 在未来流域管理中,可以考虑采取不同的
流域管理措施,如调整土地利用结构和面积等,来应
对气候变化对流域产水量的影响。
(3)模型模拟结果表明:潮河流域径流量随降水
的增加而增大,随气温的增加而减少。 潮河流域径
流以降水补给为主,当降水增加时,径流量增大。 气
温升高,蒸发量增加,在降水不变的情况下,径流量
减少。
(4)不同土地利用类型产流模拟结果表明:灌木
林地情景中径流增加了 158.2%,草地情景中径流增
加了 4.1%。 林地和耕地情景下径流减少。 因此,潮
河流域作为密云水库水源区,未来流域管理过程中,
在满足流域内用水需求的同时,通过调整土地利用
类型,合理布局,从而增加流域出水量,保证流域下
游用水。
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粤悦栽粤 耘悦韵蕴韵郧陨悦粤 杂陨晕陨悦粤 灾燥造援猿源袁晕燥援远 酝葬则援袁圆园员源渊杂藻皂蚤皂燥灶贼澡造赠冤
悦韵晕栽耘晕栽杂
云则燥灶贼蚤藻则泽 葬灶凿 悦燥皂责则藻澡藻灶泽蚤增藻 砸藻增蚤藻憎
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云则燥皂 泽赠泽贼藻皂 贼燥 造葬灶凿泽糟葬责藻院 贼澡藻 燥贼澡藻则 燥则蚤藻灶贼葬贼蚤燥灶 燥枣 则藻早蚤燥灶葬造 皂葬贼藻则蚤葬造 枣造燥憎 葬灶葬造赠泽蚤泽 在匀粤晕郧 载蚤葬燥早葬灶早袁 在耘晕郧 匀怎蚤 渊员猿源园冤噎噎噎噎噎
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耘枣枣藻糟贼泽 燥枣 灶葬灶燥糟葬则遭燥灶 葬责责造蚤糟葬贼蚤燥灶 燥灶 灶蚤贼则燥早藻灶 葬遭泽燥则责贼蚤燥灶 葬灶凿 怎贼蚤造蚤扎葬贼蚤燥灶 燥枣 枣造怎藻鄄糟怎则藻凿 贼燥遭葬糟糟燥
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阅陨粤韵 杂燥灶早枣藻灶早袁 杂匀粤韵 宰藻灶澡葬燥袁 允陨粤晕郧 允蚤灶早皂蚤灶袁藻贼 葬造 渊员源缘员冤
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孕燥责怎造葬贼蚤燥灶袁 悦燥皂皂怎灶蚤贼赠 葬灶凿 耘糟燥泽赠泽贼藻皂
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责造葬灶贼葬贼蚤燥灶 云粤晕 再葬灶则燥灶早袁 悦匀耘晕 杂澡怎葬灶早造蚤灶袁 再粤晕郧 匝蚤灶早责蚤灶早袁藻贼 葬造 渊员源苑员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
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源员远员 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 猿源卷摇
叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
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迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
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叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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本期责任副主编摇 薛建辉摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
第 猿源卷摇 第 远期摇 渊圆园员源年 猿月冤
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