基于分布式水文模型的景觀變化下生態(tài)水文響應(yīng)研究.pdf

1、變化環(huán)境下的水文循環(huán)研究是21世紀(jì)水科學(xué)研究的熱點之一。隨著近年來生態(tài)水文學(xué)的建立與發(fā)展，人們?nèi)找嬲J(rèn)識到土地利用/景觀組成、景觀空間分布及坡度變化會對流域水文過程產(chǎn)生重要影響。分布式水文模型普遍應(yīng)用于評價、分析因土地利用變化引起的水文生態(tài)響應(yīng)，但是水文模型能否反映景觀空間變化下的生態(tài)水文響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)模型缺陷以更好地表達(dá)土地利用不同景觀變化對流域水文的影響依然是未來研究的需求和發(fā)展方向之一。
　　本研究基于生態(tài)水文學(xué)思想，以廣泛

2、使用的分布式水文模型-SWAT模型為研究對象，選擇丹江口庫區(qū)灌河流域為研究區(qū)域，首先分析判斷SWAT原始模型對景觀格局變化的敏感性，依據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)SWAT模型，提高模型分析因土地利用景觀格局動態(tài)變化引起的生態(tài)水文變化的精度。然后在驗證和對比改進(jìn)模型實用性的基礎(chǔ)上，利用SWAT改進(jìn)模型開展土地利用對流域徑流影響的情景模擬，深入探討景觀動態(tài)變化下徑流的變化趨勢和規(guī)律，從而更加準(zhǔn)確地理解土地利用空間布局對水文過程的影響，為丹江口庫區(qū)水資源的

3、可持續(xù)利用和流域綜合管理提供更為有效的科學(xué)依據(jù)。
　　主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下:
　　1.建立灌河流域分布式水文模型。以GIS和RS等空間技術(shù)為支持，建立SWAT模型空間、屬性數(shù)據(jù)庫;通過合理劃分子流域，設(shè)置劃分HRU規(guī)則，構(gòu)建SWAT模型基本框架。
　　2.分析SWAT原始模型對景觀格局變化的敏感性。根據(jù)灌河流域2000年土地利用在各子流域的組成，模擬研究區(qū)更為破碎、復(fù)雜的景觀空間分布格局，通過設(shè)置多套試驗參數(shù)，利用S

4、WAT模型生成基于不同景觀格局的模擬結(jié)果。結(jié)果表明，SWAT模型不能反映景觀空間格局改變對流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙以及非點源污染的影響，并概化處理了不同坡度土地利用類型的水文效應(yīng);同時模型通過其他參數(shù)的調(diào)整，彌補了模型分析數(shù)據(jù)的不足，使實測數(shù)據(jù)與模型部分結(jié)果高度吻合。因此，考慮景觀斑塊的空間位置以及HRU間相互關(guān)系，準(zhǔn)確確定SWAT模型主要參數(shù)，是提高SWAT模型模擬景觀變化下水文過程精度的充分條件。
　　3.SWAT模型改進(jìn)方法的提出與實

5、現(xiàn)。根據(jù)SWAT原始模型對景觀格局變化的敏感性分析結(jié)果，以提高SWAT模型對景觀格局改變的敏感性和模擬徑流能力為目標(biāo)，首先改進(jìn)原始模型計算流程，在劃分研究流域多個坡度帶基礎(chǔ)上，提出模型應(yīng)考慮土地利用類型CN值隨不同坡度進(jìn)行改變，并分別計算、調(diào)整各HRU的CN值;然后建立土地利用徑流調(diào)節(jié)方程，開發(fā)SWAT-FHA程序改進(jìn)模型匯流模塊，實現(xiàn)林地對徑流的調(diào)節(jié)作用，使SWAT改進(jìn)模型具備模擬不同景觀斑塊間相互作用對產(chǎn)匯流過程影響的能力。

6、　　4.SWAT改進(jìn)模型適用性對比研究。完成SWAT模型改進(jìn)后，對SWAT改進(jìn)模型進(jìn)行適用性評價。選擇丹江口庫區(qū)灌河流域作為實驗區(qū)域檢驗SWAT改進(jìn)模型對土地利用/景觀格局的敏感性，并分別從模型運行不同階段和不同時空尺度對比模型改進(jìn)前后模擬徑流的精度。包括:
　　(1)模型輸入數(shù)據(jù)對比研究。相比原始模型，改進(jìn)模型生成HRU的數(shù)量十分龐大，每個HRU坡度與所屬坡度帶平均坡度差值變小，更加詳細(xì)地描述了流域地形特征，通過及時調(diào)整CN值，

7、更為準(zhǔn)確的反映了不同下墊面條件對產(chǎn)匯流過程的影響。
　　(2)流域尺度下不同時間尺度模型對比研究。相比原始模型，改進(jìn)模型在年、月、日徑流的模擬結(jié)果與實測徑流更加吻合，其中汛期日產(chǎn)匯流過程模擬效果提高最為明顯。回歸擬合分析結(jié)果表明，改進(jìn)模型更為準(zhǔn)確地刻畫了水文響應(yīng)（輸出）和水文特性（輸入）的非線性關(guān)系。
　　(3)子流域尺度產(chǎn)水量對比分析。對比檢驗期模型改進(jìn)前后各子流域年產(chǎn)水量，顯示改進(jìn)模型能夠更為合理地模擬不同土地利用景觀格

8、局分布下的子流域產(chǎn)水量變化。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)改進(jìn)模型能夠有效模擬不同降雨時期林地徑流調(diào)節(jié)作用的變化，更加準(zhǔn)確地反映了子流域內(nèi)不同下墊面條件引起的產(chǎn)匯流中間細(xì)節(jié)過程。
　　(4)參數(shù)調(diào)整對比分析。改進(jìn)模型CN值普遍大于原始模型CN值，原因為:山區(qū)大部分地區(qū)坡比大于5％，兩個模型CN值差別隨子流域地形、土地利用組成的差別有所差異。SWAT原始模型模擬曲線比實測徑流曲線略微平緩的一個關(guān)鍵原因是模型結(jié)果只考慮了計算各HRU之間負(fù)荷的“加法”

9、，忽略了因不同土地利用類型之間影響而產(chǎn)生的“減法。與改進(jìn)模型參數(shù)選擇更多考慮實際因素不同，原始模型的CN值是不同時期各種水文過程平衡的結(jié)果。
　　5.不同情景下SWAT改進(jìn)模型分析。以提高丹江口庫區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況和水質(zhì)水量為目的，結(jié)合灌河流域土地利用的實際情況與河南省土地利用規(guī)劃具體要求，將土地利用設(shè)置為2種空間差異較大的水土保持土地利用情景，運用改進(jìn)模型和原始模型分別模擬。結(jié)果表明，改進(jìn)模型更為清晰地反映了灌河流域在不同土地利用變

10、化下引起的產(chǎn)匯流過程改變。改進(jìn)模型模擬結(jié)果表明:沿河岸500m設(shè)置河岸緩沖帶，能夠更加有效地調(diào)節(jié)不同降雨時期徑流，達(dá)到水土保持的目的。
　　實例證明，相比原始模型，SWAT改進(jìn)模型能夠更為準(zhǔn)確地模擬不同降雨條件下土地利用景觀變化對水文過程的影響，更好地表達(dá)了生態(tài)水文學(xué)的思想。SWAT模型水文過程子模型的改進(jìn)，為進(jìn)一步提高模型水土流失和非點源污染模擬效率提供了良好的基礎(chǔ)。同時，SWAT改進(jìn)模型更為有效地指導(dǎo)了灌河流域水土保持工作的開