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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 12 期摇 摇 2012 年 6 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
河口湿地人为干扰度时空动态及景观响应———以大洋河口为例 孙永光,赵冬至,吴摇 涛,等 (3645)…………
鄱阳湖南矶湿地优势植物群落及土壤有机质和营养元素分布特征 张全军,于秀波,钱建鑫,等 (3656)………
青岛市湿地生态网络评价与构建 傅摇 强,宋摇 军,毛摇 锋,等 (3670)……………………………………………
大堤型湖滨带生态系统健康状态驱动因子———以太湖为例 叶摇 春,李春华,王秋光,等 (3681)………………
绿色屋顶径流氮磷浓度分布及赋存形态 王书敏,何摇 强,张峻华,等 (3691)……………………………………
坡度对农田土壤动物群落结构及多样性的影响 何先进,吴鹏飞,崔丽巍,等 (3701)……………………………
枣园桃蛀果蛾寄生蜂种类及其与寄主的关系 姚艳霞,赵文霞,常聚普,等 (3714)………………………………
基于逻辑斯蒂回归模型的鹭科水鸟栖息地适宜性评价 邹丽丽,陈晓翔,何摇 莹,等 (3722)……………………
温度、盐度和 pH对马氏珠母贝稚贝清滤率的联合效应 朱晓闻,王摇 辉,刘摇 进,等 (3729)…………………
鸡桑药共生模式库区土壤养分变化及流失风险 赵丽平,杨贵明,赵同科,等 (3737)……………………………
黑河中游典型土地利用方式下土壤粒径分布及与有机碳的关系 张俊华,李国栋,南忠仁 (3745)……………
DEM栅格分辨率和子流域划分对杏子河流域水文模拟的影响 邱临静,郑粉莉,Yin Runsheng (3754)………
粒度变化对城市热岛空间格局分析的影响 郭冠华,陈颖彪,魏建兵,等 (3764)…………………………………
基于景观连接度的森林景观恢复研究———以巩义市为例 陈摇 杰,梁国付,丁圣彦 (3773)……………………
城市能源利用碳足迹分析———以厦门市为例 林剑艺,孟凡鑫,崔胜辉,等 (3782)………………………………
高寒牧区村域生态足迹———以甘南州合作市为例 王录仓,高摇 静 (3795)………………………………………
太湖湖滨带生态系统健康评价 李春华,叶摇 春,赵晓峰,等 (3806)………………………………………………
秦岭大熊猫栖息地巴山木竹生物量 党坤良,陈俊娴,孙飞翔,等 (3816)…………………………………………
盐胁迫对盐生植物黄花补血草种子萌发和幼苗生长的影响 尤摇 佳,王文瑞,卢摇 金,等 (3825)………………
海南霸王岭山地原始林与伐后林中木质藤本对支持木的选择 刘晋仙,陶建平,何摇 泽,等 (3834)……………
闽楠幼树光合特性及生物量分配对光环境的响应 王振兴,朱锦懋,王摇 健,等 (3841)…………………………
基于形态及分子标记的濒危植物夏蜡梅自然居群的遗传变异研究 金则新,顾婧婧,李钧敏 (3849)…………
不同径级油松径向生长对气候的响应 姜庆彪,赵秀海,高露双,等 (3859)………………………………………
珍稀濒危植物长蕊木兰种群的年龄结构与空间分布 袁春明,孟广涛,方向京,等 (3866)………………………
巨桉与 5 种木本植物幼树的耗水特性及水分利用效率的比较 胡红玲,张摇 健,万雪琴,等 (3873)……………
银木凋落叶腐解过程对小白菜生长和抗性生理的影响 黄溦溦,胡庭兴,张念念,等 (3883)……………………
基于氘示踪剂和热扩散技术的栓皮栎水分运输速率与效率研究 孙守家,孟摇 平,张劲松,等 (3892)…………
石漠化干旱环境中石生藓类水分吸收特征及其结构适应性 张显强,曾建军,谌金吾,等 (3902)………………
含铜有机肥对土壤酶活性和微生物群落代谢的影响 陈摇 琳,谷摇 洁,高摇 华,等 (3912)………………………
钝叶柃不同性别花的花部形态与传粉特征比较 王摇 茜,邓洪平,丁摇 博,等 (3921)……………………………
我国春玉米潜在种植分布区的气候适宜性 何奇瑾,周广胜 (3931)………………………………………………
烯效唑干拌种对小麦氮素积累和运转及籽粒蛋白质品质的影响 樊高琼,杨恩年,郑摇 亭,等 (3940)…………
专论与综述
中国产业共生发展模式的国际比较及对策 石摇 磊,刘果果,郭思平 (3950)……………………………………
研究简报
吉林省镇赉县近 10 年景观格局变化 张国坤,卢京花,宋开山,等 (3958)………………………………………
杨树人工林生态系统通量贡献区分析 金摇 莹,张志强,方显瑞,等 (3966)………………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*330*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*35*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄06
封面图说: 鸳鸯———在分类上属雁形目,鸭科。 英文名为 Mandarin Duck(即“中国官鸭冶)。 鸳指雄鸟,鸯指雌鸟,故鸳鸯属合成
词。 常常栖息于山地河谷、溪流、湖泊、水田等处,雌雄偶居,以植物性食物为主,也食昆虫等小动物。 繁殖期 4—9
月间,雌雄配对后迁至营巢区。 巢往往置于树洞中,用干草和绒羽铺垫,每窝产卵 7—12 枚。 江西省婺源鸳鸯湖是
亚洲最大的野生鸳鸯越冬栖息地。 鸳鸯是一种美丽的禽鸟,中国传统文化又赋予它很多美好的寓意,因此,在许多
文学艺术作品中经常用以表达爱情。
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 32 卷第 12 期
2012 年 6 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 12
Jun. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金项目(40871137);农业部“948冶项目(2010鄄S16)
收稿日期:2011鄄12鄄01; 摇 摇 修订日期:2012鄄05鄄02
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: flzh@ ms. iswc. ac. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201112011841
邱临静,郑粉莉,Yin Runsheng. DEM栅格分辨率和子流域划分对杏子河流域水文模拟的影响.生态学报,2012,32(12):3754鄄3763.
Qiu L J, Zheng F L, Yin R S. Effects of DEM resolution and watershed subdivision on hydrological simulation in the Xingzihe watershed. Acta Ecologica
Sinica,2012,32(12):3754鄄3763.
DEM栅格分辨率和子流域划分对
杏子河流域水文模拟的影响
邱临静1,2,郑粉莉1,2,*,Yin Runsheng3
(1. 西北农林科技大学 林学院,杨凌摇 712100;
2. 中国科学院水利部水土保持研究所,黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,杨凌摇 712100;
3. Department of Forestry, Michigan State University, East Lansing 48824, USA)
摘要:以黄土丘陵沟壑区杏子河流域为研究区,采用数字滤波法分割了杏子河招安水文站 1958—1974 年的基流量,评价了
SWAT模型在该流域水文模拟的适用性,并分析了 DEM栅格分辨率和子流域划分对 SWAT水文模拟的影响。 结果表明,SWAT
模型适用于该流域年河川径流、地表径流、基流及产沙量的模拟。 当 DEM栅格分辨率在 20—150 m之间时,SWAT能有效地模
拟年河川径流、地表径流、基流及产沙量,各水文要素模拟结果的 R2 和 NSE分别在 0. 93 和 0. 51 以上,RSR在 0. 43 以下;而当
栅格分辨率大于 150 m时,各水文要素的模拟效果存在差异。 子流域划分对流域产流模拟影响较小,而对产沙模拟影响较大。
当子流域提取阈值在 12—100 km2 之间时,不同的子流域划分对产沙量几乎没有影响,若超出该阈值范围,模型会低估产沙量。
因此,可针对不同的水文要素选择合适的 DEM和子流域提取阈值,以提高模拟精度和运行效率。
关键词:杏子河流域;DEM栅格分辨率;子流域划分;水文模拟;SWAT模型
Effects of DEM resolution and watershed subdivision on hydrological simulation
in the Xingzihe watershed
QIU Linjing1,2, ZHENG Fenli1, 2,*, YIN Runsheng3
1 College of Forestry, Northwest A&F University, Yangling 712100, China
2 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and
Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China
3 Department of Forestry, Michigan State University, East Lansing 48824, USA
Abstract: The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) is a watershed鄄based, semi鄄distributed hydrologic model that has
become one of the most powerful tools for simulating hydrological processes at different spatial scales. The SWAT model
utilizes geographic information systems and digital elevation model (DEM) to delineate watersheds and extract the stream
network. The simulation accuracy depends on how well the model inputs describe the watershed. High resolution DEM
generates more accurate topographic estimations, but such information is costly to obtain, especially in the hilly and gully
region of China忆s Loess Plateau. In addition, the size of the extracted subwatersheds strongly depends on the pre鄄selected
threshold value of the watershed subdivision. The size and number of subwatersheds can also affect the watershed modeling
process and subsequent results; however, there are no accepted guidelines for selecting the threshold value, making the
extraction of subwatersheds a subjective process. Therefore, the objective of this study was to investigate the effect of DEM
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resolution and watershed subdivision on the simulation of hydrological processes at the outlet of the Xingzihe watershed in
the hilly and gully region of the Loess Plateau. In our study, the digital filter method was used to separate base flow from
the measured streamflow data at the Zhao忆an hydrological station from 1958 to 1974. The applicability of the SWAT model
in the Xingzihe watershed was assessed on an annual basis. The impacts of DEM resolution and watershed subdivision on
the simulation of annual streamflow, surface runoff, base flow, and sediment yield were evaluated by running the model
with ten DEMs (20, 30, 60, 90, 150, 300, 500, 1000, 1500 and 2000 m) and seven threshold values (10, 12, 15, 30,
50, 100 and 200 km2) for the watershed subdivision. The results showed that the SWAT model accurately simulated annual
streamflow, surface runoff, base flow, and sediment yield in the Xingzihe watershed. DEMs with fine resolution (i. e. , 20
to 150 m) were required to simultaneously simulate annual streamflow, surface runoff, base flow and sediment yield with a
high degree of accuracy (R2>0. 93, NSE>0. 51, RSR<0. 43). For DEM resolutions greater than 150 m, the accuracy of
the simulation varied among the hydrologic elements. The threshold values of the watershed subdivision had little effect on
streamflow, surface runoff and base flow. However, the threshold values had a large effect on sediment yield. Watershed
subdivision threshold values of 12 to 100 km2 were required to adequately predict sediment yield. Threshold values less than
12 km2 or greater than 100 km2 led to the underestimation of sediment yield. These findings indicated that choices regarding
the DEM resolution and threshold value of the watershed subdivision should be based on the hydrological element of
interest. The SWAT model was limited in its ability to simultaneously simulate all of the hydrologic elements in the Xingzihe
watershed at short time scales ( i. e. , daily and monthly); therefore, this paper did not discuss the effects of DEM
resolution and watershed subdivision threshold values under different time scales. Additional research is needed to ascertain
if the results will change when running the model at different time scales.
Key Words: The Xingzihe watershed; DEM resolution; watershed subdivision; hydrological simulation; SWAT model
量化水沙变化特征对水资源管理及深入认识流域的水土流失规律具有重要的意义。 基于数字高程模型
(DEM鄄Digital Elevation Model)的数字流域技术现已成为揭示河流运动变化规律和预测河流特定行为的有力
工具[1]。 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型在水文水资源[2鄄3]及非点源污染[4鄄6]等研究领域得到了
广泛的应用,其模拟的精度很大程度上依赖于空间数据对流域特征的描述。 尽管高精度的空间数据有利于准
确描述流域特征,但这会增加数据收集的难度。 为了兼顾准确性和计算效率,很多学者探讨了不同分辨率的
DEM[7]、土壤数据[8]及土地利用数据[9]对 SWAT水文模拟的影响,但这些研究只是在地形较为单一的流域开
展的,未涉及黄土丘陵沟壑区地形复杂、沟谷密集的区域。 此外,很多 SWAT模型使用者通常采用默认的子流
域提取阈值来划分子流域,并没有考虑不同阈值对模拟结果的影响[10]。 Kim 等[10]认为,子流域划分对模拟
结果的影响大于参数调节对结果的影响,而且在地形复杂、坡度较大的流域,不同子流域数量使模拟精度存在
不确定性。 由于模拟目标的不同,SWAT 模型对初始设置以及输入数据的要求有所不同,如何选择合适的
DEM和子流域划分初始值来提高 SWAT模型在黄土丘陵沟壑区的应用效果是一个值得探讨的问题。
基流作为水资源的重要组成部分,它不仅在流域产流研究中有重要意义,而且在水资源供给和非点源污
染评价中起重要作用[11]。 但目前应用 SWAT模型对基流的研究较少。 本研究以黄土丘陵沟壑区杏子河流域
为研究区域,运用数字滤波技术估算了基流;在此基础上,评价了 SWAT模型在杏子河流域的适用性,并重点
分析了不同 DEM分辨率和子流域提取阈值对年河川径流、地表径流、基流以及产沙量的影响,以期为 SWAT
模型在黄土高原水土流失及环境污染评价中的应用提供参考。
1摇 资料与方法
1. 1摇 研究区概况
杏子河地处黄土高原中部(108毅41忆—109毅21忆E,36毅46忆—37毅12忆N),为延河的一级支流,发源于陕西省白
云山的南坡,自西北向东南流经靖边、安塞和志丹三县,全长 106 km,流域面积 1486 km2。 流域属暖温带半干
5573摇 12 期 摇 摇 摇 邱临静摇 等:DEM栅格分辨率和子流域划分对杏子河流域水文模拟的影响 摇
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旱气候区,年平均气温 8. 2益,多年平均降水量为 513 mm,年内降水分配极不均匀,70%以上多集中在 6—9
月[12]。 黄绵土占流域面积的 77%左右,另有黑垆土、红胶土和淤积土分布。 流域属黄土丘陵沟壑区第二副
区,沟谷密集,地形起伏较大,水土流失严重,年侵蚀模数高达 1. 52伊104 t / km2[12]。
图 1摇 杏子河流域位置及气象、水文站点分布
摇 Fig. 1摇 Location of the Xingzihe watershed and its meteorological
and hydrological stations
1. 2摇 数据来源及处理
本文所用气象水文数据的观测站分布见图 1。 数
据来源于靖边、志丹和安塞县气象站和《黄河流域水文
资料》,包括 1958—1974 年各气象站的降水、最高温度、
最低温度、相对湿度、平均风速逐日数据和招安雨量站
降水逐日数据,太阳辐射数据及各观测站点所缺的历史
资料由模型内嵌的天气生成器根据月值资料模拟得到;
径流泥沙数据来自招安水文站,其控制面积为 1275
km2,1975 年起该站仅观测降水,因此,本研究采用
1958—1974 年数据序列比较完整的径流和泥沙数据进
行模型的率定与验证。 建模所需的流域数字化资料均
来自中国科学院水利部水土保持研究所,包括空间分辨
率为 20m伊20 m 的 DEM 和土壤数据,以及由 1975 年
MSS遥感影像的解译获得的土地利用数据。 根据本文
的研究需要,将土地利用类型合并为 6 种土地利用类
型:耕地、 林地、草地、水体、 建设用地以及未利用地。
基流是干旱或半干旱地区枯水季节河川径流的主要补给源。 国际上将河川径流分为地表径流和地下径
流(基流),主要通过自动分割法来实现。 豆林等[13]在黄土区比较了多种分割方法后发现,数字滤波法[14]分
割的基流与实际基流更为相符。 因此,本研究采用该法对招安站的日河川径流量进行分割,将地表径流(高
频信号)和基流(低频信号)划分出来。 其滤波方程为:
qt = 茁 qt -1 +
1 + 茁
2
(Qt - Qt -1) (1)
bt =Qt-qt (2)
式中, qt 为 t 时刻内过滤出的快速响应信号,即地表径流;茁 为滤波参数,Nathan 和 McMahon[14]认为 茁 值为
0郾 925 时能得到较好的分割结果;Qt 为实测河川径流量;bt 为基流。 本文采用 SWAT 模型官方网站推荐使用
的数字滤波基流分割程序来分割基流。 程序计算时总径流通过 3 道滤波,分别按式(1)和式(2)反复计算以
摈除前一次计算中的失真数据,主要步骤为:滤波 1,从起始至末时刻顺序,按式(1)从总径流中过滤出地表径
流,再据式(2)从总径流中减去地表径流得到初次基流量;滤波 2,从末时刻至起始时刻,按式(1)和式(2)再
次计算获得一组基流数据;滤波 3,再按起始时刻至末时刻顺序,按式(1)和式(2)计算获得最终基流数据。
1. 3摇 SWAT模型的构建及评价方法
本研究选用 ArcSWAT 2. 3. 4 版本,模型原理参见 SWAT2005 理论文档[15],其对产流的模拟采用径流曲线
数法 ( SCS鄄CN) [16],对产沙的模拟采用改进的通用土壤流失方程 (MUSLE鄄Modified Universal Soil Loss
Equation) [17]。 建模时,首先导入 20 m的 DEM,将子流域提取阈值设为 28 km2,并添加招安站为子流域出口,
由此产生 33 个子流域;此后将土地利用类型、土壤类型及坡度分级的阈值分别设为 10% ,10%和 10% ,共产
生 219 个水文响应单元(HRU鄄Hydrological Response Unit);最后输入气象数据文件进行模拟。 将 1956—1957
年作为模型的预热阶段,并利用招安站日径流和泥沙数据对模型相关参数进行敏感性分析。 率定模型时,先
手动调节相关参数,使模拟的河川径流、地表径流及基流量最大可能的接近招安站 1958—1967 年的实测数
据;然后运行自动率定程序,得出最优参数组合;最后,利用 1968—1974 年招安站实测径流资料对建立的模型
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进行验证。 当径流结果达到满意后,再利用招安站 1958—1967 年的泥沙数据率定产沙量,并用 1968—1974
年的泥沙数据对模型进行验证。 本研究采用决定系数(R2)、Nash鄄Sutcliffe 效率系数 (NSE) [18]、均方根差与
标准偏差的比值(RSR) [19]来评判模拟结果的好坏。 通常认为,当 R2>0. 50,NSE>0. 50,0结果达到满意[19鄄20]。
1. 4摇 DEM栅格分辨率和子流域划分对 SWAT水文模拟的影响评价
分析 DEM分辨率对 SWAT水文模拟的影响时,先利用前期率定好的参数模拟 1958—1974 年杏子河流域
出口的逐年河川径流、地表径流、基流及产沙量,作为参照(假定为实测值);然后,将栅格分辨率为 20 m 的
DEM在 Arcgis 9. 3 平台下重采样得到分辨率为 30、60、90、150、300、500、1000、1500 和 2000 m的 DEM;最后,
在保证气象、土地利用和土壤数据不变的情况下,分别导入不同栅格分辨率的 DEM,并模拟各水文要素在
1958—1974 年期间的逐年河川径流、地表径流、基流及产沙量,再与实测值进行对比,计算统计指标 R2、NSE
和 RSR,并将各要素的多年平均值绘图。 在此过程中,不对模型参数进行率定,因为模型的率定会掩盖不同输
入数据对模拟结果的影响。 分析子流域划分对 SWAT模型的影响时,分别将子流域提取阈值设为 10、12、15、
30、50、100 和 200 km2 并运行模型,其余步骤和原理与分析 DEM栅格分辨率对 SWAT水文模拟的影响相同。
2摇 结果与分析
2. 1摇 SWAT模型在杏子河流域的适用性评价
2. 1. 1摇 基流分割结果
将流域招安水文站 1958—1974 年的逐日径流量分割后得出径流通过 3 个滤波通道后的基流参数及基流
占河川径流的比例(表 1)。 本文将频率最低的滤波 3 分割出的最终基流值作为与 SWAT 模拟结果对比的参
照值。
表 1摇 基流分割程序运行结果
Table 1摇 Output of the base flow filter program
基流占河川径流的比例
Fraction of streamflow contributed by base flow
that is estimated in different filter / %
滤波 1 Filter 1 滤波 2 Filter 2 滤波 3 Filter 3
退水个数
Number of individual
base flow recessions
基流退水常数 琢
Base flow recession
alpha factor
基流天数
Base flow days
51 40 34 3 0. 013 177
摇 摇 退水个数:用来推算主退水曲线时所使用的单个基流退水事件的个数;基流退水常数:基流对地下水补给变化的响应,表征基流消退的速
率;基流天数:在一个循环中基流消退的天数
2. 1. 2摇 SWAT模型在招安站的率定与验证
通过敏感性分析得到用于率定模型的参数,包括:影响地表径流的 SCS 径流曲线数(CN2)和最大植被冠
层截留量(CANMX),控制蒸发的土壤蒸发补偿系数(ESCO)和植物蒸腾补偿系数(EPCO),控制壤中流的土
壤饱和导水率(SOL_K)和土壤可利用有效水量(SOL_AWC),影响基流的基流回归系数(ALPHA_BF)、浅层
地下水再蒸发阈值深度(REVAPMN)和浅层地下水阈值深度(GWQMN),影响河道传输的河道水力传导率
(CH_K2);对产沙模拟比较敏感的参数有挟沙能力线性指数(SPCON),挟沙能力幂指数(SPEXP),USLE 方
程土壤可蚀性因子(USLE_K),沟道侵蚀因子(CH_EROD)和沟道覆被因子(CH_COV)。
通过对比各水文要素在率定期的模拟值与实测值发现,SWAT能较好地模拟年河川径流、地表径流、基流
及产沙量的年际变化趋势(图 2),且各水文要素的 R2、NSE和 RSR分别在 0. 74—0. 86、0. 55—0. 80 和 0. 28—
0. 34 之间(表 2),均达到满意的模拟效果。 从模拟的水文要素在验证期的表现可以看出,模拟值基本与实测
值相吻合(图 3),其 R2,NSE和 RSR分别在 0. 73—0. 80、0. 56—0. 74 和 0. 21—0. 39 之间,表明率定后的模型
对杏子河流域年际水文特征的模拟适用性较好,将各参数用于研究 DEM 栅格分辨率和子流域划分对 SWAT
水文模拟的影响是可行的。
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图 2摇 率定期各水文要素模拟值与实测值的年际变化对比
Fig. 2摇 Observed and simulated yearly hydrological characteristics for the Xingzihe watershed during the calibration period
表 2摇 SWAT模型在杏子河流域的适用性评价
Table 2摇 Assessment of SWAT performance in the Xingzihe watershed
时期
Period
河川径流
Streamflow
R2 NSE RSR
地表径流
Surface runoff
R2 NSE RSR
基流
Base flow
R2 NSE RSR
产沙量
Sediment yield
R2 NSE RSR
率定期 0. 86 0. 80 0. 28 0. 83 0. 80 0. 29 0. 78 0. 55 0. 34 0. 74 0. 65 0. 32
验证期 0. 73 0. 74 0. 21 0. 79 0. 61 0. 39 0. 80 0. 56 0. 25 0. 75 0. 71 0. 21
图 3摇 验证期各水文要素模拟值与实测值的年际变化对比
Fig. 3摇 Observed and simulated yearly hydrological characteristics for the Xingzihe watershed during the validation period
2. 2摇 不同 DEM栅格分辨率对 SWAT模型水文模拟的影响
随 DEM栅格分辨率的变化,DEM表征的流域属性也随之发生变化。 当 DEM 栅格分辨率在 20—300 m
之间时,SWAT提取的子流域个数均为 33,子流域的平均面积在 43. 9—44. 5 km2 之间(表 3);当栅格分辨率
大于 300 m时,SWAT描绘的子流域个数随分辨率的增大而降低,而子流域的平均面积却相应增大。 对高程
而言,DEM栅格分辨率对其的影响不大,当栅格分辨率在 20—2000 m之间时,其最小值、最大值、平均值和标
准偏差仅在一定范围内微小变动(表 3)。 但是,DEM 栅格分辨率对坡度影响较大,随栅格分辨率的增大,流
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域的最大坡度、平均坡度相应降低。 总体来看,不同 DEM栅格分辨率对流域坡度、子流域数量及面积影响较
大,而对高程影响较小,这与 Chaplot的研究结果一致[21]。
表 3摇 不同 DEM栅格分辨率下的流域特征
Table 3摇 Topography characteristics under different DEM resolution
DEM分辨率 / m
DEM resolution
子流域个数
No. of subbasin
子流域平均面积
Mean area of
subbasin / km2
高程 Elevation / m
Min Max Mean SD
坡度 Slope / (毅)
Min Max Mean SD
20 33 44. 5 904 1760 1367 129. 8 0. 0 83. 4 18. 1 9. 9
30 33 44. 5 904 1760 1367 129. 6 0. 0 81. 8 17. 4 9. 2
60 33 44. 4 906 1760 1367 129. 5 0. 0 75. 0 15. 5 7. 7
90 33 44. 4 975 1760 1366 129. 2 0. 0 63. 6 13. 8 6. 6
150 33 44. 2 1040 1760 1366 128. 7 0. 0 42. 0 11. 0 5. 1
300 33 43. 9 1040 1754 1364 127. 5 0. 0 19. 6 6. 7 3. 2
500 31 45. 8 1040 1760 1365 128. 2 0. 1 13. 0 4. 1 2. 1
1000 25 56. 1 1040 1720 1349 125. 1 0. 1 6. 3 2. 2 1. 1
1500 19 69. 8 1046 1720 1360 123. 4 0. 1 3. 8 1. 6 0. 8
2000 1 1264. 0 1040 1720 1375 130. 3 0. 1 3. 2 1. 2 0. 6
摇 摇 Min: 最小值;Max: 最大值;Mean: 平均值;SD:标准偏差
随栅格分辨率的增大,河川径流、地表径流及基流呈现 3 个阶段(图 4):当其从 20 m增大至 300 m时,河
川径流和基流呈微弱的下降趋势,而地表径流却呈上升趋势;当其大于 300 m而小于 1500 m 时,河川径流和
地表径流先上升,然后变得比较平缓,而此阶段基流量基本保持不变;当其大于 1500 m 时,河川径流量、地表
径流量及基流量均急剧下降,这与 DEM栅格分辨率过大导致模型低估了径流产生和传输的驱动因子———平
均坡度有关[22]。 对产沙量来说,DEM栅格分辨率小于 150 m时,模拟的产沙量相差不大(图 5);而当其大于
300 m时,产沙量差异增大,总体上随栅格分辨率的增大呈明显的下降趋势。 由于 SWAT依据 MUSLE 方程来
估计产沙量,而坡度是该方程的重要因子之一,随 DEM 栅格分辨率的增大,流域坡度变缓,导致了模拟偏
差[21]。 从各水文要素模拟效果的统计值来看(表 4),DEM栅格分辨率在 20—150 m时,SWAT模拟的河川径
流、地表径流、基流及产沙量均能达到满意,但当其大于 150 m时,各水文要素的模拟效果存在差异。 对河川
径流和地表径流而言,当其在 20—1500 m之间时,二者的 R2、NSE和 RSR分别在 0. 93—1. 00、0. 81—1. 00 和
0. 00—0. 24 之间,模拟结果均在可接受范围内;但分辨率大于 1500 m 时,二者的 R2、NSE 和 RSR 分别在
0郾 62—0. 70、-1. 22—-0. 15 和 1. 69—1. 99 之间,模拟结果均不能被接受。 对基流而言,DEM 栅格分辨率大
于 150 m时,NSE和 RSR分别在-3. 03—0. 08 和 0. 74—310. 15 之间变动,说明 DEM 栅格分辨率大于 150 m
时,基流模拟值与实测值相差很大。 对产沙量来说,DEM 栅格分辨率在 20—500 m 时,产沙量的多年平均值
在 17850. 9—20861. 3 t / km2 之间,R2、NSE和 RSR均显示出满意的模拟效果;而栅格分辨率在 1000—2000 m
之间时,产沙量明显降低,多年平均值在 12. 5—11627 t / km2 之间,NSE和 RSR显示模拟结果不能被接受。
摇 图 4摇 不同 DEM栅格分辨率对杏子河流域年际产流模拟的影响
Fig. 4 摇 Effects of different DEM resolution on annual flow
simulation in the Xingzihe watershed
摇 图 5摇 不同 DEM栅格分辨率对杏子河流域年际产沙模拟的影响
Fig. 5 摇 Effects of different DEM resolution on annual sediment
yield simulation in the Xingzihe watershed
9573摇 12 期 摇 摇 摇 邱临静摇 等:DEM栅格分辨率和子流域划分对杏子河流域水文模拟的影响 摇
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表 4摇 不同 DEM栅格分辨率下 SWAT年际水文特征模拟的统计特征
Table 4摇 Statistical evaluation of yearly hydrological simulation under different DEM resolution
DEM分辨率
DEM
resolution / m
河川径流
Streamflow
R2 NSE RSR
地表径流
Surface runoff
R2 NSE RSR
基流
Base flow
R2 NSE RSR
产沙量
Sediment yield
R2 NSE RSR
20 1. 00 1. 00 0. 00 1. 00 1. 00 0. 00 1. 00 1. 00 0. 00 1. 00 1. 00 0. 00
30 1. 00 0. 99 0. 01 1. 00 0. 99 0. 02 1. 00 0. 99 0. 04 1. 00 0. 99 0. 01
60 0. 99 0. 99 0. 04 0. 99 0. 99 0. 04 0. 99 0. 94 0. 14 0. 99 0. 99 0. 03
90 0. 99 0. 99 0. 08 0. 99 0. 98 0. 07 0. 98 0. 89 0. 23 0. 99 0. 99 0. 05
150 0. 99 0. 95 0. 16 0. 99 0. 96 0. 16 0. 93 0. 51 0. 43 0. 99 0. 98 0. 08
300 0. 98 0. 87 0. 23 0. 99 0. 94 0. 21 0. 91 0. 08 0. 74 0. 98 0. 94 0. 17
500 0. 97 0. 91 0. 17 0. 98 0. 81 0. 15 0. 89 0. 10 0. 51 0. 98 0. 86 0. 21
1000 0. 97 0. 91 0. 16 0. 98 0. 86 0. 16 0. 89 0. 07 0. 60 0. 89 0. 29 1. 22
1500 0. 93 0. 86 0. 24 0. 95 0. 91 0. 19 0. 90 0. 05 0. 66 0. 98 0. 17 1. 19
2000 0. 62 -1. 22 1. 99 0. 70 -0. 15 1. 69 0. 09 -3. 03 310. 15 0. 12 -2. 92 1319. 34
2. 3摇 子流域划分对 SWAT模型水文模拟的影响
通过设置不同的子流域提取阈值,得到 7 种子流域划分结果,随阈值的增大,子流域和水文响应单元的数
量逐渐降低,而二者的平均面积逐渐增大(表 5)。 不同阈值下模拟的多年平均基流量基本保持不变(图 6),
说明基流不受子流域划分的影响。 当子流域提取阈值从 10 km2 变至 100 km2 时,子流域的数量逐渐从 77 降
低至 7,而 SWAT模拟的多年平均河川径流和地表径流量没有发生明显变化,这与前人的研究结果基本一
致[23鄄24];但当子流域提取阈值为 200 km2 时,多年平均河川径流和地表径流量均有所减少,这说明当子流域提
取阈值超过某一范围,模拟的地表径流量有所降低,从而低估了流域出口的河川径流量。 张雪松等[25]将子流
域划分影响产流的原因归结为子流域划分数量改变了径流曲线数 CN 值的空间集总程度。 从评价各水文要
素模拟效果的统计值来看(表 6),7 种子流域划分方式模拟的年平均河川径流、地表径流及基流均可达到满
意的效果,说明产流模拟对子流域划分的敏感性不强[26]。
表 5摇 子流域划分对子流域特征的影响
Table 5摇 Effects of watershed subdivision on subbasin features
子流域提取阈值 / km2
Threshold of watershed subdivision
子流域 Subbasin
个数 No. 平均面积 Mean area / km2
水文响应单元 HRU
个数 No. 平均面积 Mean area / km2
10 77 19. 09 543 2. 71
12 65 22. 62 456 3. 22
15 43 34. 19 287 5. 12
30 29 50. 70 193 7. 62
50 15 101. 00 94 15. 64
100 7 216. 41 42 34. 99
200 3 504. 95 18 81. 67
不同子流域划分对产沙模拟的影响见图 7。 当阈值在 12—100 km2 之间变化时,其对产沙量的影响较小,
模拟的多年平均产沙量基本保持在 17851—19216 t / km2 之间,且 R2、NSE 和 RSR 均显示出满意的模拟效果
(表 6)。 当阈值为 10 km2 时,多年平均值降低为 9721 t / km2,且统计指标 NSE和 RSR表明模拟结果不能被接
受,这主要是 MUSLE方程(Sed = 11. 8伊(Qsurf伊areaHRU伊qpeak) 0. 56 伊K伊LS伊P伊C)低估了影响产沙量的 K(土壤可
蚀性)和 qpeak(峰值径流量)因子[15]。 阈值设置过小时,HRU 面积变得非常小,使流域内分布较少的土壤(黑
垆土、红胶土和淤积土)也被用于计算流域平均参数的范围内,而这些土壤的 K 值均小于占流域面积绝大多
数的黄绵土的 K值,使流域平均 K值降低,进而低估了产沙量;此外,qpeak 与 HRU面积的变化成正比[15],HRU
0673 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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面积减小,也会低估产沙量。 当子流域提取阈值为 200 km2 时,产沙量的多年平均值为 11671 t / km2,这与该
阈值下径流量的降低有关。 以上分析表明,子流域划分对流域产沙的影响存在上限下限两个阈值,且在阈值
范围内模拟结果相对稳定。
摇 图 6摇 子流域划分对杏子河流域年际产流模拟的影响
Fig. 6摇 Effects of different watershed subdivision on annual flow
simulation in the Xingzihe watershed
摇 图 7摇 子流域划分对杏子河流域年际产沙模拟的影响
Fig. 7 摇 Effects of different watershed subdivision on annual
sediment yield simulation in the Xingzihe watershed
表 6摇 不同子流域提取阈值下 SWAT年际水文特征模拟的统计特征
Table 6摇 Statistical evaluation of yearly hydrological simulation under different threshold of watershed subdivision
子流域提取阈值
Threshold of watershed
subdivision / km2
径流
Streamflow
R2 NSE RSR
地表径流
Surface runoff
R2 NSE RSR
基流
Base flow
R2 NSE RSR
产沙量
Sediment yield
R2 NSE RSR
10 1. 00 1. 00 0. 01 1. 00 1. 00 0. 01 1. 00 1. 00 0. 01 0. 93 0. 19 1. 36
12 1. 00 1. 00 0. 01 1. 00 1. 00 0. 01 1. 00 1. 00 0. 01 1. 00 0. 90 0. 10
15 1. 00 1. 00 0. 01 1. 00 1. 00 0. 00 1. 00 1. 00 0. 02 1. 00 1. 00 0. 01
30 1. 00 1. 00 0. 01 1. 00 1. 00 0. 00 1. 00 1. 00 0. 00 1. 00 1. 00 0. 01
50 1. 00 0. 99 0. 03 1. 00 0. 99 0. 03 1. 00 1. 00 0. 02 1. 00 1. 00 0. 02
100 1. 00 0. 99 0. 03 1. 00 0. 99 0. 04 1. 00 1. 00 0. 02 1. 00 1. 00 0. 04
200 0. 91 0. 73 0. 40 0. 87 0. 69 0. 59 0. 98 0. 91 0. 25 0. 76 0. 41 0. 73
3摇 结论与讨论
利用杏子河流域 1958—1974 年气象、水文实测资料,评价了 SWAT模型在该流域的适用性,探讨了 DEM
栅格分辨率和子流域划分对产流产沙模拟的影响,得到以下主要结论:数字滤波法能高效快捷地分割出基流,
可用于 SWAT模型的基流校准。 模型在率定期和验证期的结果表明,SWAT模拟的年河川径流、地表径流、基
流及产沙量与实测值基本吻合,各水文要素的 R2 和 NSE 分别在 0. 73 和 0. 55 以上,且 RSR 小于 0. 39。 当
DEM栅格分辨率在 20—150 m时,SWAT能成功地模拟河川径流、地表径流、基流及产沙量;但当栅格分辨率
大于 150 m时,由于从 DEM提取的流域特征差异较大,各水文要素的模拟效果也存在差异。 产流模拟对子流
域划分的敏感性不强,尤其是基流,在不同子流域划分下其模拟结果基本保持不变。 子流域划分对产沙模拟
的影响存在上下限,当子流域提取阈值在 12—100 km2 之间时,可达到满意的模拟效果,但当阈值过小或过
大,模型会低估产沙量。 因此,为了获得模型最优表现,在 SWAT模型的实际应用中,应根据流域本身的特点
和应用目的选择合适的 DEM数据和子流域提取阈值。
基于数字流域的 SWAT模型,首先在每个水文响应单元进行水文循环的模拟,然后再计算汇流,其模拟的
精度主要取决于模型读取的流域特征(坡度、坡向、集水面积、河网、流向及河道长度等)、气候条件以及各水
文要素的推算方法。 不同分辨率的 DEM对坡度影响较大,而坡度作为影响径流和泥沙传输的主要影响因子,
直接关系到模型的输出结果;子流域划分影响水文响应单元的划分和流域属性数据的读取,进而影响模拟结
果。 随着模拟尺度的增大,流域异质性增大,这就加大了获取高精度空间属性数据的难度。 由于受限于输入
数据的空间代表性,产流及侵蚀过程的模拟变得愈加复杂,模拟结果也存在不确定性。 尽管模型的率定能弥
1673摇 12 期 摇 摇 摇 邱临静摇 等:DEM栅格分辨率和子流域划分对杏子河流域水文模拟的影响 摇
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补输入数据的不足,但这会造成模型参数代表性的失真。 本文仅以年为时间尺度探讨了流域空间属性对流域
产流产沙模拟的影响,尚未分析不同数字流域特下以日或月为时间尺度的水文模拟特征。 这主要是因为
SWAT模型在杏子河流域的适用性评价中,在短时间尺度上不能产生合理的径流量和产沙量,特别是很难同
时得到满意的河川径流、地表径流和基流,无法进一步分析多时间尺度下流域空间属性对日水文特征模拟的
影响。 以年为尺度的模拟只需考虑流域出口的水量平衡即可,而无需详细考虑坡面产流产沙以及坡道汇流过
程,能较为容易的模拟出流域出口的产流产沙变化过程。 但是,在不同时间尺度下的模拟,可能会影响不同空
间分辨率模拟的好环。 因此,在今后的工作中,一方面要在改进模型的基础上分析多时间尺度下的水文模拟
特征,另一方面需要探寻一种方法来评价空间数据的代表性及估计模型输入、输出不确定性的范围,以便对模
型有一个全面的评判,也为选取合适的空间数据及提高模型效率提供依据。
致谢: 感谢中国科学院水利部水土保持研究所杨勤科研究员为本研究提供了杏子河流域 1975 年土地利
用图。
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3673摇 12 期 摇 摇 摇 邱临静摇 等:DEM栅格分辨率和子流域划分对杏子河流域水文模拟的影响 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 12 June,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Temporal and spatial dynamic changes and landscape pattern response of Hemeroby in Dayang estuary of Liaoning Province,
China SUN Yongguang, ZHAO Dongzhi, WU Tao,et al (3645)…………………………………………………………………
Distribution characteristics of plant communities and soil organic matter and main nutrients in the Poyang Lake Nanji Wetland
ZHANG Quanjun,YU Xiubo,QIAN Jianxin,et al (3656)
………
……………………………………………………………………………
Evaluation and construction of wetland ecological network in Qingdao City FU Qiang, SONG Jun, MAO Feng,et al (3670)…………
Driving forces analysis for ecosystem health status of littoral zone with dikes: a case study of Lake Taihu
YE Chun, LI Chunhua, WANG Qiuguang, et al (3681)
……………………………
……………………………………………………………………………
The concentrations distribution and composition of nitrogen and phosphor in stormwater runoff from green roofs
WANG Shumin, HE Qiang, ZHANG Junhua,et al (3691)
………………………
…………………………………………………………………………
Effects of slope gradient on the community structures and diversities of soil fauna
HE Xianjin, WU Pengfei, CUI Liwei,et al (3701)
………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Investigation of populations of parasitic wasps parasitizing Carposina sasakii Matsumura (Lepidoptera: Carposinidae) in jujube
orchards in China, with respect to the wasp鄄host relationship YAO Yanxia, ZHAO Wenxia, CHANG Jupu,et al (3714)………
Assessment of ardeidae waterfowl habitat suitability based on a binary logistic regression model
ZOU Lili, CHEN Xiaoxiang,HE Ying,et al (3722)
………………………………………
…………………………………………………………………………………
Combined effects of temperature, salinity and pH on the clearance rate of juveniles of Pinctada martensii (Dunker)
ZHU Xiaowen, WANG Hui, LIU Jin, et al (3729)
…………………
…………………………………………………………………………………
Soil nutrient dynamics and loss risks in a chicken鄄forage mulberry鄄medicinal plant intercropping system
ZHAO Liping, YANG Guiming, ZHAO Tongke,et al (3737)
………………………………
………………………………………………………………………
Soil particle size distribution and its relationship with soil organic carbons under different land uses in the middle of Heihe river
ZHANG Junhua, LI Guodong, NAN Zhongren (3745)
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Effects of DEM resolution and watershed subdivision on hydrological simulation in the Xingzihe watershed
QIU Linjing, ZHENG Fenli, YIN Runsheng (3754)
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Impacts of grid sizes on urban heat island pattern analysis GUO Guanhua,CHEN Yingbiao,WEI Jianbing,et al (3764)………………
Landscape connectivity analysis for the forest landscape restoration: a case study of Gongyi City
CHEN Jie, LIANG Guofu, DING Shengyan (3773)
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Carbon footprint analysis on urban energy use: a case study of Xiamen, China
LIN Jianyi, MENG Fanxin, CUI Shenghui, et al (3782)
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The ecological footprint of alpine pastures at the village鄄level: a case study of Hezuo in Gannan Autonomous Prefecture, China
WANG Lucang, GAO Jing (3795)
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The ecosystem health assessment of the littoral zone of Lake Taihu LI Chunhua, YE Chun, ZHAO Xiaofeng,et al (3806)…………
The biomass of Bashania fargesii in giant pandas habitat in Qinling Mountains
DANG Kunliang, CHEN Junxian, SUN Feixiang, et al (3816)
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Effects of salinity on seed germination and seedling growth in halophyte Limonium aureum (L. ) Hill
YOU Jia, WANG Wenrui, LU Jin, et al (3825)
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Liana鄄host tree associations in the tropical montane primary forest and post鄄harvest forest of Bawangling, Hainan Island, China
LIU Jinxian,TAO Jianping,HE Zeet al (3834)
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The response of photosynthetic characters and biomass allocation of P. bournei young trees to different light regimes
WANG Zhenxing, ZHU Jinmao, WANG Jian,et al (3841)
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Genetic variation among populations of the endangered Sinocalycanthus chinensis based on morphological traits and ISSR profiles
JIN Zexin, GU Jingjing, LI Junmin (3849)
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Growth response to climate in Chinese pine as a function of tree diameter
JIANG Qingbiao, ZHAO Xiuhai, GAO Lushuang,et al (3859)
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Age structure and spatial distribution of the rare and endangered plant Alcimandra cathcartii
YUAN Chunming, MENG Guangtao, FANG Xiangjing, et al (3866)
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The water consumption and water use efficiency of the seedlings of Eucalyptus grandis and other five tree species in Sichuan
Province HU Hongling,ZHANG Jian,WAN Xueqin,et al (3873)…………………………………………………………………
Effects of leaf litter of Cinnamomum septentrionale on growth and resistance physiology of Brassica rapa in the decomposition
process of litter HUANG Weiwei, HU Tingxing, ZHANG Niannian, et al (3883)………………………………………………
Water transport velocity and efficiency in Quercus variabilis detected with deuterium tracer and thermal dissipation technique
SUN Shoujia, MENG Ping, ZHANG Jinsong, et al (3892)
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The saxicolous moss忆s features of absorbing water and its structural adaptability in the heterogeneous environment with rock
desertification ZHANG Xianqiang, ZENG Jianjun,CHEN Jinwu, et al (3902)……………………………………………………
Effects of organic materials containing copper on soil enzyme activity and microbial community
CHEN Lin, GU Jie,GAO Hua,et al (3912)
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Comparison of floral morphology and pollination characteristics between the sexes in Eurya obtusifolia
WANG Qian, DENG Hongping, DING Bo,et al (3921)
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Climatic suitability of potential spring maize cultivation distribution in China HE Qijin, ZHOU Guangsheng (3931)…………………
Effects of uniconazole dry seed dressing on nitrogen accumulation and translocation and kernel protein quality in wheat
FAN Gaoqiong,YANG Ennian, ZHENG Ting,et al (3940)
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Review and Monograph
International comparison and policy recommendation on the development model of industrial symbiosis in China
SHI Lei, LIU Guoguo, GUO Siping (3950)
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Scientific Note
The Change of landscape pattern in Zhenlai Xian, Jilin Province in recent ten years
ZHANG Guokun, LU Jinghua, SONG Kaishan,et al (3958)
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Footprint analysis of turbulent flux over a poplar plantation in Northern China
JIN Ying, ZHANG Zhiqiang, FANG Xianrui, et al (3966)
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《生态学报》2012 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的自然科学高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研究原
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;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,280 页,国内定价 70 元 /册,全年定价 1680 元。
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(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 32 卷摇 第 12 期摇 (2012 年 6 月)
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