, 高超, 杨秀春Assessing SWIM model applicability in the black soil region of Northeast China: A case study in the middle and upper reaches of the Wuyuer River Basin
YANGZhiyuan, GAOChao, YANGXiuchun通讯作者:
收稿日期:2016-11-13
修回日期:2017-02-13
网络出版日期:2017-03-15
版权声明:2017《地理学报》编辑部本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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摘要
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Abstract
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1 引言
当前,水文模型法是气候变化和LUCC水文效应研究的主要方法之一[1],分布式水文模型已经成为研究流域水文过程及变化的一个重要工具[2]。基于物理参数的分布式生态水文模型SWIM（Soil and Water Integrated Model）是德国波茨坦气候影响研究所在SWAT（Soil and Water Assessment Tool）和MATSALU模型基础上开发的模拟工具,模型综合了流域尺度的水文、植被、侵蚀和养分动态过程,在100 km2到24000 km2流域应用能够很好地描述水量平衡要素的时空分布变异、土壤中的养分循环及其随径流的输送量、与植物或作物生长有关的现象、土壤侵蚀与泥沙传输动态特征、气候与土地利用变化对相关过程和特征方面的影响,相比SWAT模型而言,SWIM模型更侧重于区域尺度的土地利用和气候变化对水文过程的影响[3]。SWIM模型自开发以来就受到诸多****的关注[4-13]。国内研究者为引入SWIM模型做了很多有益的尝试。如SWIM模型DEM尺度效应研究,选取淮河上游长台关地区为研究区,对最佳DEM分辨率选取及DEM分辨率对流域地形参数与径流模拟影响进行了探 讨[14];不同时空尺度和数据支持下SWIM模型的适宜性评价,在淮河流域蚌埠站以上区域建立的模型表明,更适合于10000 km2以下小流域降水—径流关系建立,可能更适合在资料较完善的区域精细地模拟刻画小流域的水文过程[15-16];应用SWIM模型对气候和土地利用变化的水文效应进行模拟[17-19]和定量分析[20-22]等。
东北黑土区地处高纬度,也称寒地黑土区,气候长冬严寒,径流形成受气温的影响更大,径流过程存在春汛和夏汛两个明显的汛期,河流与非寒区河流的水文特性有很大差异。作为中国重要的商品粮生产基地,东北黑土区经过多年高强度的垦殖,加之特有的气候、地貌条件[23],下垫面受自然变化和人类活动影响明显,水土流失、旱涝灾害等与水相关的生态环境问题非常突出[24],迫切要求从水循环和生态水文学的角度进行研究并提出生态环境建设和保护的科学对策与措施。SWIM模型在中国南方湿润地区、西北半干旱半湿润地区均有应用,但在东北黑土区流域的适用性评价研究少有报道。本文选择在地形、土壤、气候、水土保持等多方面具有代表性的乌裕尔河中上游流域为研究区,评价SWIM模型在东北黑土区流域的适用性,可为模型的推广应用、水资源综合管理、抗旱减灾等提供科学依据。
2 研究区概况
乌裕尔河,为黑龙江省最大的内陆河,位于黑龙江省西部,发源于北安市小兴安岭西麓山区向松嫩平原过渡地带,经北安、克山、克东、拜泉、依安、富裕等市县,最终流入扎龙湿地,地势东北高、西南低,全长587 km,流域面积约1.5万km2（图1）。流域地处大陆性季风盛行区,属典型内陆半干旱气候,冬季气候干燥严寒,夏季温热多雨,春秋两季气温变化急剧,干旱多风。径流补给方式主要为降水,其次为冰雪融水。年降水量为496.7 mm,主要集中在汛期6-9月份,占全年降水量的80%,历时短,强度大。地形起伏较小,坡度虽缓,但坡面较长,导致汇水面积增大,径流冲刷力强,水土流失严重,黑土理化性状退化。流域代表性的水文站有3个：北安站、依安站、龙安桥站。源头至依安站之间的中上游流域是主要的产流区,依安以下流域发育着大面积的河滨沼泽湿地,是中上游径流的散失区,列入国际重要湿地名录的扎龙湿地就在其内。考虑地形、植被、土壤、降水等因素的空间异质性,研究区选定为乌裕尔河流域依安水文站以上的部分,是黑龙江省黑土地的中心地带,将流域出口选在依安水文站,集水面积为8296.33 km2,其中水土流失面积5788.70 km2。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1研究区地理位置及流域空间划分示意图
-->Fig. 1Sketch map of the location and spatial division of the study area
-->
3 数据与方法
3.1 基础数据
SWIM模型的输入数据主要有数字高程模型（DEM）数据、土地利用数据、土壤数据、水文数据、气象数据等。3.1.1 空间数据的获取和处理 空间数据均采用Albers等积圆锥投影系统,参考椭球体为Krasovsky。由于不同空间分辨率的数据对模型精度有影响[16],考虑到研究区的面积[3],因此将空间数据统一为90 m分辨率。
（1）DEM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镜像网站（http://datamirror.csdb.cn）。由于数字高程模型DEM的分辨率与流域面积相关联,按照Maidment[25]建议使用的“thousand-million”规则,本文采用90 m空间分辨率DEM。对下载的分幅DEM数据,经坐标转换和数据检查处理,实现跨带数据的无缝拼接,然后将拼接的DEM数据和流域出水口坐标加载到Mapwindow GIS中,最后得到研究区DEM数据。
（2）土地利用数据。来源于课题组利用1980年、1995年TM遥感影像经人机交互解译得到的30 m分辨率的栅格数据,解译精度达到90%以上;利用流域边界裁切出研究区土地利用数据,为了统一空间分辨率,在ArcGIS中将数据重采样至90 m。参照模型使用指南[3],结合乌裕尔河流域的实际情况,土地利用数据分类代码按照SWIM的土地利用类别再分类,转化成SWIM能够识别的代码。
（3）土壤数据。来源于中科院南京土壤研究所1:100万中国土壤数据库。利用流域边界裁切出研究区土壤数据,转化为栅格GRID格式,其栅格大小为90 m×90 m。由于中国的土壤类型标准难以满足构建SWIM土壤库的要求,需经过一系列土壤参数设置,针对土壤的地球物理参数（土层厚度、容重、孔隙度、土壤有效水含量、田间持水量、饱和导水率等）,利用Matlab软件选用3次样条插值法进行土壤粒径转换,采用美国农业部开发的土壤水特性计算程序SPAW进行土壤有机质估算,并对流域包括的12种土壤类型进行重新分类,最终得到模型能够识别的土壤类型图。
3.1.2 属性数据的获取和处理 ① 依安水文站径流数据来源于中华人民共和国水文年鉴及黑龙江省水文局。根据模型的输入数据格式要求,将日径流量观测值单位统一为m3/s。② 气象数据来源于中国气象数据网（http://data.cma.cn）,获取了北安、克山、依安、富裕、海伦、明水6个气象站1957-1997年的最高、平均和最低气温、降水、相对湿度、大气压强、水蒸气压、日照时数、风速、大气辐射等日监测数据,还收集了克东气象站1986-1994年小型蒸发皿数据,根据日照时数计算出日总辐射量。
3.2 研究方法
3.2.1 流域空间划分及集水面积阈值的确定方法 SWIM模型运用了与MATSALU模型类似的三级流域划分方案,即流域、子流域、水文响应单元（Hydrological Response Unit, HRU）。首先基于数字地形,获取一定阈值（面积）的子流域,然后通过叠加子流域图、土地利用图和土壤图,进行HRU的划分。HRU内部具有相同的土地利用方式和土壤类型,并有统一的水文响应特征。模型在各个水文响应单元上独立运行,并通过河道汇流形成流域出口断面汇总[3]。集水面积阈值决定了所提取的子流域信息（出水口位置、面积大小以及分布形态）和数字河网疏密。阈值不同则计算出的流域水文特征信息不同,相应的水文模拟结果也会不同,为此,最佳集水面积阈值的确定以提取的河网尽可能地逼近真实河网为原则。根据研究区面积大小以及阈值划分经验[16],采用恒定阈值法,给定阈值分别为90 km2、100 km2、140 km2、150 km2、160 km2、170 km2,在MapWindow GIS中,将1:25万水系图导入模型中辅助提取符合实际情况的数字河网,然后根据得到的子流域图、土地利用图和土壤图,分别运行模型;同时利用初步率定的模型参数,模拟依安站1961-1974年日径流,并与同期实测值比较,计算拟合相关系数R和效率系数E（表1）。最终确定研究区最佳集水面积阈值为150 km2,并在此基础上生成数字河网,划分出27个子流域和556个水文响应单元（图1）。
Tab.1
表1
表1不同集水区面积下的子流域特征参数及模拟产流量的精度
Tab.1Character parameter of subbasins and accuracy of simulated runoff under different drainage area thresholds
| 集水区面积(km2) | 子流域个数(个) | 水文单元数量(个) | 年均径流量(m3/s) | R值 | 效率系数E |
|---|---|---|---|---|---|
| 90 | 93 | 1206 | 29.88 | 0.834 | 0.39 |
| 100 | 37 | 653 | 29.27 | 0.896 | 0.43 |
| 140 | 29 | 577 | 27.69 | 0.898 | 0.47 |
| 150 | 27 | 556 | 27.73 | 0.899 | 0.48 |
| 160 | 27 | 556 | 27.67 | 0.898 | 0.48 |
| 170 | 25 | 525 | 29.30 | 0.898 | 0.46 |
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3.2.2 参数敏感性分析及模型适用性评价方法 参数敏感性分析是水文模型构建与应用的关键环节,其目的在于确定参数对模拟结果的影响程度,从而剔除不重要的参数,减少参数维数,降低参数的不确定性影响,进而提高模型应用精度[26]。水文模型参数敏感性分析常用的方法有筛选分析法、回归分析法、基于方差的分析方法以及代理模型法等,其中回归分析方法能在所有输入同时影响输出的情况下,分析单项输入敏感性,同时能够描述输入输出间的关系,应用起来简单方便[27]。本文利用给定不同模型参数值和对应的模拟精度（纳希效率系数E、径流相对误差r）的偏相关系数作为评价模型参数敏感性的指标。对于观察序列,特定输入变量Xj和模型输出变量Y之间的偏相关系数定义为：
式中：Xj为模型参数;Y为径流相对误差r或纳希效率系数E;
使用纳希效率系数E和多年径流量相对误差r来评价SWIM模型的适用性。纳希效率系数E的计算公式如下：
式中：Qobs为观测流量;Qsim为模拟流量;
径流相对误差r计算公式如下：
相对误差r值越小,表明模拟精度越高。若r为正值则表示计算流量高于实测流量,r为负值则反之。
4 模拟结果与适用性分析
4.1 SWIM模型参数敏感性分析和率定
基于物理参数的分布式水文模型SWIM由大量数学经验公式和概念公式耦合,参数众多。参数的不确定性使模型模拟结果存在很大差异,而要同时提高每个参数的精度又非常困难。参数敏感性分析既可筛选出对模拟结果影响较大的关键参数,从而避免了调参过程中的盲目性,又可为提高参数优化效率和率定提供支持。本文敏感性分析所使用的大部份参数来自wipper.bsn文件[3],参考模型指南[3]以及相关文献研究成果[20-21, 28-29],结合黑土区的水文、气候、地理单元的特点,去掉敏感性系数很小的属性,重点考虑敏感性系数较大的属性[30-31],通过人工扰动分析法对重点参数确定调整范围并手动赋值,分析并检验特定参数变化对模型输出结果的影响。基于依安水文站1961-1974年日径流模拟数据,计算给定的不同模型参数值和对应的模拟精度（纳希效率系数E值、径流相对误差r）的偏相关系数。经敏感性分析,确定影响乌裕尔河中上游流域径流模拟结果精度敏感性较强的重要参数有8个（图2）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2SWIM模型参数敏感性分析结果
-->Fig. 2Parameter sensitivity analysis results of SWIM model
-->
对影响研究区径流模拟结果精度敏感性较强的8个重要参数的率定结果如表2所示。同时考虑到冰雪融化对径流的重要影响,对模型中的降雪、融雪（SNOWFALL & MELT）参数也进行率定。对比泾河上游流域的敏感性参数,SWIM模型参数敏感性在黑土区流域和地处温带半湿润半干旱气候区过渡地带的西北黄土区泾河上游流域[21]表现出较大的差异（表2）,这也说明参数敏感性分析依赖于流域结构（土地利用、土壤、气候等）,其结果具有流域的特有特征。
Tab.2
表2
表2SWIM模型率定的主要参数定值
Tab.2Calibrated value of main parameter in SWIM model
| 参数代码 | 参数含义 | 取值范围 | 参数值 | 泾河上游流域参数取值 |
|---|---|---|---|---|
| thc | 土壤蒸发修正系数 | 0.5~1.5 | 0.7 | 1.6 |
| CN | SCS曲线形参数 | 10~100 | 70 | - |
| bff | 流域基流修正系数 | 0.2~1.0 | 0.7 | 0.01 |
| gwq0 | 土壤初始含水量贡献率 | 0.01~1.0 | 0.03 | 0.5 |
| abf0 | 地下水回流速率 | 0.001~1.0 | 0.001 | 0.001 |
| roc2 | 汇流系数 | 1~100 | 1.5 | 0.5 |
| roc4 | 汇流系数 | 1~100 | 3 | 2 |
| sccor | 土壤饱和传导率校正因子 | 0.01~10 | 1.8 | 5 |
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4.2 SWIM模型模拟结果分析
4.2.1 基于径流的模拟结果分析 在模型运行初期,许多变量初始值为0的情况会对模型模拟结果产生较大影响。为减小误差,需要合理估计模型的初始变量。因此,将1957-1960年作为模型预热期,确定合适的初始值,1961-1974年作为模型参数率定期,1975-1985年作为模型验证期以评价模型的适用性。乌裕尔河流域中上游已有百余年垦殖历史,土地利用以耕地为主,20世纪60年代以来,整个流域进入农业土地开发和水利工程修建的高峰期,根据已有研究结果[32],对比研究区1980年土地利用类型构成,发现研究区水域、居民用地、耕地较为稳定。鉴于1980年以前的土地利用/土地覆被信息很难获取,因此采用1980年土地利用数据作为模型输入。SWIM模型对依安水文站径流量模拟率定期结果,日、月径流量模拟的纳希效率系数分别为0.57、0.73,总径流量相对误差r为1.4%（图3a、3c）;验证期日和月径流模型纳希效率系数E为0.55、0.71,总径流相对误差r为5.9%（图3b、3d）,则可知,模型经参数率定后,日、月径流模拟值与实测值曲线走势均有较好的一致性;无论是率定期还是验证期,模型对月径流和日径流的模拟效率均满足评价要求,但日径流的模拟效率并非十分理想;应用SWIM模型对研究区月径流的模拟效率都优于日径流的模拟效率。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图31961-1985年依安站日、月径流量的模拟值与实测值比较
-->Fig. 3Daily runoff or monthly runoff comparison between the observed and simulated values by SWIM at Yi'an hydrological station from 1961 to 1985 during the model calibration periods and validation periods
-->
由1961-1985年依安水文站月平均流量变化曲线（图4a）可以看出,乌裕尔河流域由于地处寒区,径流具有双峰型特征,河流存在春夏两个汛期。4-5月气温升高,积雪融化和冻土解冻,径流明显增大,产生春汛;6-9月降雨集中,历时短,强度大,产生夏汛。SWIM模型对同时具有春汛和夏汛的年份模拟效果较差。春汛期,径流量的模拟值小于实测值,夏汛期径流量的模拟值高于实测值,但基本能够重现汛期的流量变化过程。月平均流量和年径流变化分析表明,校准后的SWIM模型在研究区适用性较好,可以在月尺度上应用于与径流相关的各种模拟分析。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图41961-1985年依安水文站月平均流量和年径流变化
-->Fig. 4The monthly average discharge variations and the variation curve of annual run off at Yi'an hydrological station from 1961 to 1985
-->
对于流域总出水口依安站,影响模型日径流模拟效率的可能原因主要有：
（1）模型校验时段的选取。依安水文站年径流1964-1973年处于明显的振荡期,振荡期内丰枯周期交替出现,1974-1982年为显著的枯水期（图3、图4）,丰水年和枯水年分布不均匀。Abbaspour等[33]认为模型模拟的最佳效果需要率定期、验证期丰水年和枯水年均匀分布。
（2）模型结构性拟合误差。SWIM模型是通过诸多数学公式将流域实际水循环的复杂过程进行简单化,这一过程必然存在着误差。模拟结果表明,春汛期和夏汛期洪峰的模拟值分别低于和高于实测值,其他水文模型对本区的径流模拟研究结果[34-35]均存在同样的问题;此外,个别年份（如1961年和1962年）的洪峰年模拟值和实测值相差较大（图4b）。究其原因,前者可能是在模型结构上,对融雪和季节性冻土融冻径流的物理过程刻画模糊,以及对降水历时短强度大的暴雨也按照一般降水—产流机制对待所致;后者的主要原因可能是SWIM模型没有包含水库模块,导致个别年份的洪峰年模拟值和实测值相差较大,还有待对模型结构进行深入研究和完善。经查阅相关水利资料（黑龙江省水利局,吉林省水利厅,内蒙古自治区水利厅合编．松花江流域防汛资料汇编（上卷）．内部资料,1983年）,依安水文站最大7天洪峰量开始日为“1961年7月30日、1962年7月26日”;20世纪50年代末至60年代初,在乌裕尔河中上游修建大量堤防工程和水库,如乌裕尔河北堤工程和先锋水库、保安水库、新曙光水库和宏伟水库等,在洪水期均向主河道开闸卸洪,增大了日实测径流量。
（3）某些年份径流模拟的异常高值导致的误差。如1966年、1968年、1974年、1980年和1982年等,模拟值整体高于观测值,直接加大了全时段模拟结果的整体误差。为分析这些年份径流模拟出现异常高值的原因,对1961-1985年依安气象站降水量进行统计分析,发现上述年份的降水量年均值和月均值均高于其相邻年份降水量的年均值和月均值,其中年均降水量增加幅度为115.79 mm,月均降水量增加幅度为10.61 mm。同时这些年份的年径流量模拟值几倍于实测值,对其后续几年的模拟结果影响具有延续性（图4b）,这与Tzyy-Woei[36]、宋艳华等[37]研究结果相似。说明模型对年降水量出现骤增的年份模拟精度较差,在进行与径流相关的模拟时,需要对这些降水异常高值年份做进一步的处理和研究。
4.2.2 基于潜在蒸散发的模拟结果分析验证 为进一步检验模型率定物理参数的适用性和可靠性,选取依安水文站1986-1997年的逐日降水和径流等实测数据,对该时段的月潜在蒸散发进行模拟（采用1995年土地利用数据）,并将流域总出水口依安站所在子流域的潜在蒸散发模拟值与气象站点用小型蒸发皿测得的月蒸发量数据进行比较（图5a）,具体模拟结果显示二者吻合度很好,纳希效率系数E达到0.81。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5SWM模型计算的依安站、克东站1986-1997年月潜在蒸散量与实测值的比较
-->Fig. 5Comparison between the monthly pan-evaporation of small evaporating dish and the SWIM model calculated values at Yi'an and Kedong weather stations in 1986-1997
-->
仅对流域总出水口的径流和潜在蒸散发量进行验证,并不能保证流域内部其它区域的产流等水量平衡分量的准确性,因此需应用更多的子流域出水口的输出量验证模型的适用性。将流域克东气象站1986-1994小型蒸发皿实测数据与模型模拟的克东站所在子流域的潜在蒸散发进行比较（图5b）,纳希效率E为0.87。由此,说明率定后的SWIM模型能较好的再现乌裕尔河中上游流域的蒸散能力。
经SWIM模型计算,乌裕尔河中上游流域潜在蒸散发年内变化显著（图6a）,月潜在蒸散量的年内分布为冬季小、夏季大。1986-1997年多年平均月潜在蒸散量最低值为9.70 mm,出现在1990年1月份;多年平均月潜在蒸散量最高值为230.89 mm,出现在1988年6月份。1986-1997年多年平均年潜在蒸散量为1150.31 mm,多年平均降水量为520.42 mm,蒸散发量是降雨量的2.21倍。蒸散发主要集中在4-9月,占全年蒸散发量的81.25%,其中6月份的蒸散发量最大;12月份和1月份的蒸散发能力最弱,合计仅是年蒸散发量的1.99%;月蒸散发量均大于月降雨量,因而该流域气候相对干燥,容易出现干旱。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图61986-1997年研究区潜在蒸散发量年内分配及年际变化
-->Fig. 6Distribution of annual and interannual changes of the potential evapotranspiration from 1986 to 1997
-->
潜在蒸散量的年际变化上（图6b）,1986-1997年,研究区潜在蒸散发量变化幅度在150 mm左右,年均值1989年达到最高值（1222.77 mm）,1988年为最低值（1077.26 mm）,潜在蒸散量的气候倾向率为3.86 mm/a,表明研究区年潜在蒸散量呈上升趋势。从季节上看（图6b）,春、夏、秋、冬季潜在蒸散量的气候倾向率分别为1.87 mm/a、0.81 mm/a、0.38 mm/a、1.22 mm/a,表明春夏秋冬潜在蒸散量呈上升趋势,夏、秋季上升趋势相对较弱,秋季最弱。其中,夏季（6-8月）潜在蒸散量最高,春季（3-5月）、秋季（9-11月）次之,冬季（12至次年2月）最低,分别占32.0%、45.4%、18.3%、4.4%,与张永芳等[38]运用统计分析得到的结果相似。12年中潜在蒸散发量按年均50 mm左右递增,变化明显的年份分别为1988年、1991年、1986年、1989年（图7）,其中1988年、1991年变化最明显。空间上,年际潜在蒸散发分布区域性明显,总体上由研究区西南部和东北部向中间降低趋势,高值区出现在克山县西南部至依安县西北部、以及北安市大部分地区,低值区出现在克山县东部及克东县,拜泉县南部大部分地区潜在蒸散发变化最明显。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图7研究区潜在蒸散量的空间分布
-->Fig. 7Spatial distribution of the potential evapotranspiration of the study area
-->
5 讨论
SWIM模型考虑了气候、下垫面等流域要素的时空异质性,物理和水文意义明显,作为评价气候和土地利用变化对流域水文影响的工具,被广泛应用于欧洲不同尺度流域的水文和水质模拟。本文引入SWIM模型,以乌裕尔河中上游流域为研究区,对模型的适用性进行了初步评价,从结果来看,应用SWIM模型进行与径流相关的水文过程模拟是可行的。模型在月尺度上对分析东北黑土区气候和土地利用变化对流域水文的影响、流域旱涝评价和水资源管理等方面具有潜在的应用价值,因此,有必要对SWIM模型在东北黑土区流域的适用性以及水资源管理方面做深入研究。SWIM模型将复杂的水文现象和过程概化,运用数学物理方程在每一个水文响应单元内对地表径流和地下径流过程进行细致的刻画,并通过河道汇流形成流域出口断面汇总,以此来描述真实的水文过程。模型需要输入气象、水文、DEM、土壤和土地利用等多种不同数据,并基于实测值检验模拟效果,增加了模拟的不确定性。空间输入数据,如DEM精度及栅格大小、子流域划分数目、土壤与土地利用数据的精度、气象站点的空间分布和密度、对流域相关特征的准确描述等决定着水文模拟的结果[39-40]。研究表明,如果信息是不完备的,对于水文模型模拟,并非空间分辨率越精细,就越能够得到较高的模拟精度与最佳的模拟效果[41]。因此,确定适合研究区的最佳空间输入数据分辨率、最佳集水面积阈值以及准确提取子流域参数信息对提高模型的模拟精度至关重要。
东北黑土区季节性冻土层广泛存在,使其水文特点与无冻土区有着显著区别。季节性冻土对上层土壤含水量、土壤蒸发能力和土壤入渗有着深刻影响,从而影响流域产汇流,进而影响径流量[42]。虽然SWIM模型考虑的水文过程更加复杂,能够较为精细地刻画流域水文特征,但由本文模拟日径流的结果发现,SWIM模型模拟融雪和冻土解冻产生的春汛径流并不理想,模拟值都小于实测值,这可能与东北黑土区的水文特性有很大关系,表明模型在模拟融雪和冻土产流方面还存在一定的限制,还有待对模型结构进行深入研究和完善。
6 结论
本文引入SWIM模型,选取径流和潜在蒸散发等水量平衡分量对模型模拟结果进行了多站点、多变量的验证,对模型在东北黑土区典型流域的适用性进行了初步评价。在对模拟结果分析的基础上得到如下结论：（1）对流域出口依安水文站采用日降水和径流数据进行模型参数率定和校验结果表明,日径流模拟值与实测值曲线走势有较好的一致性。在率定期和验证期,月径流和日径流的纳希效率系数分别大于0.71和0.55,径流相对误差在6.0%以内,模型对径流的模拟结果是可信的,并且对月径流的模拟效果要好于对日径流的模拟效果。
（2）将流域总出水口依安站所在子流域和流域内克东站所在子流域的月潜在蒸散发模拟值,与气象站小型蒸发皿测得的月蒸发量实测数据进行比较验证,模型效率系数均达到0.81以上。
（3）模型应用存在不确定性和局限性。模拟结果表明,SWIM模型在模拟融雪和冻土产流方面还存在一定的限制,模型模拟融雪和冻土解冻产生的春汛径流并不理想,模拟值都小于实测值;模型对同时具有春汛和夏汛的年份模拟效果较差,但基本能够重现汛期的流量变化过程;模型对于年降水量出现骤增的年份,年径流量的模拟结果会出现异常,年径流量的模拟结果几倍于实测值,同时这些降水骤增年份的影响具有延续性,直接导致了全时段模拟结果的整体误差较大。
（4）经过校准的SWIM模型可以应用于月尺度的乌裕尔河流域与径流相关的各种模拟分析。模拟结果具有一定的参考价值,不仅对该流域水环境综合管理提供水文基础支持,对黑土区其他流域也具有一定的推广和应用价值。
致谢：安徽师范大学国土资源与旅游学院研究生姚梦婷、陆苗、张勋、李学文、尹周祥,浙江省丽水市国土资源局陈实等对模型的操作过程给予了帮助,在此一并致谢！
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献 原文顺序
文献年度倒序
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| [1] | . 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。 . 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。 |
| [2] | . Knowledge of the internal renewable water resources of a country is strategic information which is needed for long-term planning of a nation's water and food security, among many other needs. New modelling tools allow this quantification with high spatial and temporal resolution. In this study we used the program Soil and Water Assessment Tool (SWAT) in combination with the Sequential Uncertain... |
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| [4] | . ABSTRACT A climate change impact study was performed for the watershed of the Ria de Aveiro Lagoon in Portugal. The total freshwater inflow to the lagoon was analysed considering long-term average annual and seasonal changes in discharge, as well as extremes in terms of high/low-flow percentiles. The eco-hydrological model SWIM was calibrated at three gauges and driven by a set of 15 climate scenarios from the ENSEMBLES project for one reference and three future 30-year periods. The results indicate a moderate decrease of total inflow by 5-7% in the first two scenario periods, and up to 15% in the third period. High flows do not change significantly, whereas low flows show the strongest decreasing trend among the analysed variables (10-30%). Though the trends in average discharge and low flow are very clear, the uncertainty of projections driven by 15 scenarios is high, and it is increasing with time. |
| [5] | . A problem encountered by many distributed hydrological modelling studies is high simulation errors at interior gauges when the model is only globally calibrated at the outlet. We simulated river runoff in the Elbe River basin in Central Europe (148 268 km) with the semi-distributed eco-hydrological model SWIM. While global parameter optimisation led to Nash-Sutcliffe efficiencies of 0.9 at the main outlet gauge, comparisons with measured runoff series at interior points revealed large deviations. Therefore, we compared three different stategies for deriving sub-basin evapotranspiration: (1) modelled by SWIM without any spatial calibration, (2) derived from remotely sensed surface temperatures, and (3) calculated from long-term precipitation and discharge data. The results show certain consistencies between the modelled and the remote sensing based evapotranspiration rates, but there seems to be no correlation between remote sensing and water balance based estimations. Subsequent analyses for single sub-basins identify input weather data and systematic error amplification in inter-gauge discharge calculations as sources of uncertainty. Further probable causes for epistemic uncertainties could be pinpointed. The results encourage careful utilisation of different data sources for calibration and validation procedures in distributed hydrological modelling. |
| [6] | . ABSTRACT A climate change impact study was performed for the watershed of the Ria de Aveiro Lagoon in Portugal. The total freshwater inflow to the lagoon was analysed considering long-term average annual and seasonal changes in discharge, as well as extremes in terms of high/low-flow percentiles. The eco-hydrological model SWIM was calibrated at three gauges and driven by a set of 15 climate scenarios from the ENSEMBLES project for one reference and three future 30-year periods. The results indicate a moderate decrease of total inflow by 5-7% in the first two scenario periods, and up to 15% in the third period. High flows do not change significantly, whereas low flows show the strongest decreasing trend among the analysed variables (10-30%). Though the trends in average discharge and low flow are very clear, the uncertainty of projections driven by 15 scenarios is high, and it is increasing with time. |
| [7] | . This study presents an example where the hydrological processes of the ecohydrological model SWIM (Soil and Water Integrated Model) are thoroughly analysed. The model integrates hydrology, vegetation, erosion and nutrient dynamics. It is process-based and has to be calibrated. The hydrological validation of the model is of prime importance, because all other ecological processes are related to the water cycle. On the other hand, these ecological processes influence the water cycle in turn, and therefore they were considered in the modelling process and in the sensitivity and uncertainty analysis.The validation was multi-scale, multi-site and multi-criteria: the validation strategy followed a bottom-up approach in which the model was firstly calibrated for 12 mesoscale sub-basins, covering the main subregions of the German part of the Elbe basin, and the information gained from the mesoscale was then used to validate the model for the entire macroscale basin. Special attention was paid to the use of spatial information (maps of water table) to validate the model in addition to commonly used observations of water discharge at the basin outlet. One main result was that investigations in smaller catchments have to accompany macroscale model applications in order to understand the dominant hydrological processes in the different areas of the entire basin and at different scales.The validation was carried out in the German part of the Elbe river basin (80 258 km2). It is representative of semi-humid landscapes in Central Europe, where water availability during the summer season is a limiting factor for plant growth and crop yield. |
| [8] | . The Soil and Water Integrated Model (SWIM) is a continuous-time semi-distributed ecohydrological model, integrating hydrological processes, vegetation, nutrients and erosion. It was developed for impact assessment at the river basin scale. SWIM is coupled to GIS and has modest data requirements. During the last decade SWIM was extensively tested in mesoscale and large catchments for hydrological processes (discharge, groundwater), nutrients, extreme events (floods and low flows), crop yield and erosion. Several modules were developed further (wetlands and snow dynamics) or introduced (glaciers, reservoirs). After validation, SWIM can be applied for impact assessment. Four exemplary studies are presented here, and several questions important to the impact modelling community are discussed. For which processes and areas can the model be used? Where are the limits in model application? How to apply the model in data-poor situations or in ungauged basins? How to use the model in basins subject to strong anthropogenic pressure? |
| [9] | . In this paper the ecohydrological model SWIM developed for regional impact assessment is presented, and examples of approaches to climate and land use change impact studies are described. SWIM is a continuous-time semi-distributed ecohydrological model, integrating hydrological processes, vegetation, nutrients (nitrogen and phosphorus) and sediment transport at the river basin scale. Its spatial disaggregation scheme has three levels: (1) basin, (2) sub-basins and (3) hydrotopes within sub-basins. The model was extensively tested and validated for hydrological processes, nitrogen dynamics, crop yield and erosion (mainly in mesoscale sub-basins of the German part of the Elbe River basin). After appropriate validation in representative sub-basins, the model can be applied at the regional scale for impact studies. Particular interest in the global change impact studies is given to effects of expected changes in climate and land use on hydrological processes and agro-ecosystems, including water balance components, water quality and crop yield. This paper (a) introduces the reader to the class of process-based ecohydrological catchment scale models, (b) introduces SWIM as one such model, and (c) presents two examples of impact studies performed with SWIM for the federal state of Brandenburg (Germany), which overlaps with the lowland part of the Elbe drainage area. The impact studies provide a better understanding of the complex interactions between climate, hydrological processes and vegetation, and improve our potential adaptation to the expected changes. |
| [10] | . Spatial and temporal characteristics of actual evapotranspiration over the Haihe River basin in China during 1960-2002 are estimated using the complementary relationship and the Thornthwaite water balance (WB) approaches. Firstly, the long-term water balance equation is used to validate and select the most suitable long-term average annual actual evapotranspiration equations for nine subbasins. Then, the most suitable method, the Pike equation, is used to calibrate parameters of the complementary relationship models and the WB model at each station. The results show that the advection aridity (AA) model more closely estimates actual evapotranspiration than does the Granger and Gray (GG) model especially considering the annual and summer evapotranspiration when compared with the WB model estimates. The results from the AA model and the WB model are then used to analyze spatial and temporal changing characteristics of the actual evapotranspiration over the basin. The analysis shows that the annual actual evapotranspirations during 1960-2002 exhibit similar decreasing trends in most parts of the Haihe River basin for the AA and WB models. Decreasing trends in annual precipitation and potential evapotranspiration, which directly affect water supply and the energy available for actual evapotranspiration respectively, jointly lead to the decrease in actual evapotranspiration in the basin. A weakening of the water cycle seems to have appeared, and as a consequence, the water supply capacity has been on the decrease, aggravating water shortage and restricting sustainable social and economic development in the region. |
| [11] | . Glacial lake outburst floods (GLOF) often have a significant impact on downstream users. Including their effects in hydrological models, identifying past occurrences and assessing their potential impacts are challenges for hydrologists working in mountainous catchments. The regularly outbursting Merzbacher Lake is located in the headwaters of the Aksu River, the most important source of water discharge to the Tarim River, northwest China. Modelling its water resources and the evaluation of potential climate change impacts on river discharge are indispensable for projecting future water availability for the intensively cultivated river oases downstream of the Merzbacher Lake and along the Tarim River. The semi-distributed hydrological model SWIM was calibrated to the outlet station Xiehela on the Kumarik River, by discharge the largest tributary to the Aksu River. The glacial lake outburst floods add to the difficulties of modelling this high-mountain, heavily glaciated catchment with poor data coverage and quality. The aims of the study are to investigate the glacier lake outburst floods using a modelling tool. Results include a two-step model calibration of the Kumarik catchment, an approach for the identification of the outburst floods using the measured gauge data and the modelling results and estimations of the outburst flood volumes. Results show that a catchment model can inform GLOF investigations by providing normal' (i.e. without the outburst floods) catchment discharge. The comparison of the simulated and observed discharge proves the occurrence of GLOFs and highlights the influences of the GLOFs on the downstream water balance. (c) 2013 The Authors. Hydrological Processes Published by John Wiley & Sons Ltd. |
| [12] | . Future projections of streamflow extremes are of paramount significance in assessing the climate impacts on social and natural systems, particularly for the Himalayan alpine region in the Tibetan Plateau known as the Asian Water Tower. This study strives to quantify the uncertainties from different sources in simulating future extreme flows and seeks to construct reliable scenarios of future extreme flows for the headwater catchment of the Yellow River Basin in the 21st century. The results can be formulated as follows: (1) The revised snow model based on a daily active temperature method is superior to the commonly used degree-day method in simulating snowmelt processes. (2) In general, hydrological models contribute more uncertainties than the downscaling methods in high flow and low flow over the cryospheric alpine regions characterized by the snow-rainfall induced runoff processes under most scenarios. Meanwhile, impacts to uncertainty vary with time. (3) The ultimate probability of high-flow exhibits a downward trend in future by using an unconditional method, whereas positive changes in probability of low-flow are projected. The method in the work includes a variety of influence from different contributing factors (e.g. downscaling models, hydrological models, model parameters, and their simulation skills) on streamflow projection, therefore can offer more information (i.e. different percentiles of flow and uncertainty ranges) for future water resources planning compared with the purely deterministic approaches. Hence, the results are beneficial to boost our current methodologies of climate impact research in the Himalayan alpine zone. |
| [13] | . The implementation of the European Water Framework Directive requires reliable tools to predict the water quality situations in streams caused by planned land use changes at the scale of large regional river basins. This paper presents the results of modelling the in-stream nitrogen load and concentration within the macro-scale basin of the Saale river (24,167 km2) using a semi-distributed proc... |
| [14] | . 数字高程模型(DEM)极大地促进了分布式流域水文模型的快速发展。本文引入SWIM水文模型,以淮河上游长台关地区为研究区,将15种不同分辨率DEM数据输入水文模型,分析DEM分辨率对径流模拟的影响,并探讨最佳DEM分辨率选取及DEM分辨率对流域地形参数与径流模拟影响等问题。研究表明:(1)研究区水文模拟效果较理想DEM分辨率在90～120m之间,采用栅格面积与流域面积比值(G/A)小于0.05和"thousandmillion"经验公式作为DEM选取参考等均适用;(2)DEM分辨率下降,水文模拟纳希效率系数呈波动下降,分辨率超过250m后,虽纳希效率系数有所提高,但此时DEM已不能刻画真实流域特征从而造成假象;(3)15种分辨率DEM在水文极端事件模拟上差异较大,高纳希效率系数时不能较好地反映水文极端事件,尤其是峰值,而在枯水期15种DEM水文模拟效果均较好,DEM分辨率降低导致水文模型对降水等反应敏感。 . 数字高程模型(DEM)极大地促进了分布式流域水文模型的快速发展。本文引入SWIM水文模型,以淮河上游长台关地区为研究区,将15种不同分辨率DEM数据输入水文模型,分析DEM分辨率对径流模拟的影响,并探讨最佳DEM分辨率选取及DEM分辨率对流域地形参数与径流模拟影响等问题。研究表明:(1)研究区水文模拟效果较理想DEM分辨率在90～120m之间,采用栅格面积与流域面积比值(G/A)小于0.05和"thousandmillion"经验公式作为DEM选取参考等均适用;(2)DEM分辨率下降,水文模拟纳希效率系数呈波动下降,分辨率超过250m后,虽纳希效率系数有所提高,但此时DEM已不能刻画真实流域特征从而造成假象;(3)15种分辨率DEM在水文极端事件模拟上差异较大,高纳希效率系数时不能较好地反映水文极端事件,尤其是峰值,而在枯水期15种DEM水文模拟效果均较好,DEM分辨率降低导致水文模型对降水等反应敏感。 |
| [15] | . 在淮河流域蚌埠站以上区域构建人工神经网络(ANN)、HBV-D 模型和SWIM模型等水文模型,评估不同时间、空间尺度和数据基础下水文模型的适宜性。得出:①时间尺度上三个模型对数据要求不同, ANN模型需要月尺度数据即可建立降水-径流关系且能取得较好的模拟效果,HBV-D 和SWIM模型为日尺度水文模型,需逐日降水、温度和径流量等数据,SWIM模型还需作物管理、营养盐和土壤侵蚀等数据;②空间尺度上,ANN模型适应于大尺度,HBV-D 模型适用于1×10<sup>4</sup> km<sup>2</sup>及以上流域,SWIM模型更适合于1×10<sup>4</sup> km<sup>2</sup>以下小流域降水-径流关系建立;③模拟效果分析,月尺度统计上ANN模型对水文模拟的整体效果较好,但不适合用于气候变化背景下水文水资源等研究,而有物理基础的HBV-D和SWIM模型虽模拟的纳希效率系数不及ANN模型,但在气候变化背景下仍是较好的工具。 . 在淮河流域蚌埠站以上区域构建人工神经网络(ANN)、HBV-D 模型和SWIM模型等水文模型,评估不同时间、空间尺度和数据基础下水文模型的适宜性。得出:①时间尺度上三个模型对数据要求不同, ANN模型需要月尺度数据即可建立降水-径流关系且能取得较好的模拟效果,HBV-D 和SWIM模型为日尺度水文模型,需逐日降水、温度和径流量等数据,SWIM模型还需作物管理、营养盐和土壤侵蚀等数据;②空间尺度上,ANN模型适应于大尺度,HBV-D 模型适用于1×10<sup>4</sup> km<sup>2</sup>及以上流域,SWIM模型更适合于1×10<sup>4</sup> km<sup>2</sup>以下小流域降水-径流关系建立;③模拟效果分析,月尺度统计上ANN模型对水文模拟的整体效果较好,但不适合用于气候变化背景下水文水资源等研究,而有物理基础的HBV-D和SWIM模型虽模拟的纳希效率系数不及ANN模型,但在气候变化背景下仍是较好的工具。 |
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| [17] | . 利用分布式生态水文模型SWIM，基于泾河上游(泾川测站以上) 植被、土壤、气象和水文数据对研究区进行了水文过程的模拟，从而估算了流域的实际蒸散量及其各组分。结果表明：SWIM模型能够较好的模拟泾河上游流域的水文过程，模拟的流域多年(1997-2003 年) 平均实际蒸散量为443 mm，其中土壤蒸发量为259 mm，植被蒸腾量为157 mm，冠层截持量为27 mm。石质山区的森林覆盖区和非森林地的年蒸散总量在整个流域分别具有最大值和最小值，为484 mm和418 mm；黄土区实际蒸散量介于二者之间，平均为447 mm。森林覆盖地区土壤蒸发明显小于其它区域，而蒸腾和冠层截留明显大于其它区域。年内蒸散量主要集中在5-8 月份，占全年总蒸散量的60%，且冠层蒸散比例较大达63%。整个流域湿润年份较干旱年份蒸散量增加了78 mm，其中土壤蒸发增加最多，其次是冠层蒸腾，冠层截留蒸发最小。 . 利用分布式生态水文模型SWIM，基于泾河上游(泾川测站以上) 植被、土壤、气象和水文数据对研究区进行了水文过程的模拟，从而估算了流域的实际蒸散量及其各组分。结果表明：SWIM模型能够较好的模拟泾河上游流域的水文过程，模拟的流域多年(1997-2003 年) 平均实际蒸散量为443 mm，其中土壤蒸发量为259 mm，植被蒸腾量为157 mm，冠层截持量为27 mm。石质山区的森林覆盖区和非森林地的年蒸散总量在整个流域分别具有最大值和最小值，为484 mm和418 mm；黄土区实际蒸散量介于二者之间，平均为447 mm。森林覆盖地区土壤蒸发明显小于其它区域，而蒸腾和冠层截留明显大于其它区域。年内蒸散量主要集中在5-8 月份，占全年总蒸散量的60%，且冠层蒸散比例较大达63%。整个流域湿润年份较干旱年份蒸散量增加了78 mm，其中土壤蒸发增加最多，其次是冠层蒸腾，冠层截留蒸发最小。 |
| [18] | . 泾河流域上游是黄土高原的重要水源地和退耕还林工程区,在较大空间尺度上定量评价区内森林覆盖增加的水文影响对科学指导林业生态环境建设、保障区域水安全和可持续发展均有重要意义。为了在尽量排除地形、土壤、气候等作用的基础上定量评价森林的影响,将泾河上游划分为土石山区和黄土区,分别制定了多种森林恢复情景,利用分布式流域生态水文模型(SWIM)模拟评价了森林覆盖率及其空间分布变化对流域年蒸散量、年产流量、年地下水补给量、年土壤深层渗漏量及日径流洪峰的影响。土石山区模拟结果表明,增加森林覆盖将增加流域蒸散和减少流域产流,如现有森林覆盖(占全流域面积比例为13.8%)情景与现有森林变为草地(占全流域面积比例为0)情景相比时,流域年蒸散量从445.4 mm变为427.7 mm(减少了17.4 mm和4%);年产流量从42.4 mm变为53.5 mm(增加了11.1 mm和26.3%),年地下水补给量从61.6 mm变为76.9 mm(增加了15.3 mm和24.8%),年深层渗漏量从72.9 mm变为88.3 mm(增加了17.7 mm和24.3%);平均森林覆盖率每增加10%,导致流域年蒸散量增加12.8 mm,年产流量减少8.0 mm,年地下水补给量减少11.1 mm。在比较干旱和土层深厚的黄土区,增加森林覆盖将同样增大流域蒸散和减少流域产流,但变化幅度明显小于降水相对丰富和土层浅薄的土石山区,平均森林面积增加10%导致流域年蒸散量增加9.0 mm,年产流量减少4.5 mm,年地下水补给量减少8.8 mm;此外,在较缓坡面造林的水文影响大于较陡坡面造林。从森林水文影响的年内变化来看时,森林覆盖率升高的水文影响在土石山区和黄土区也有差别,如土石山区5-7月份的蒸散显著增加,5-10月份的深层渗漏均有减少;而黄土区是蒸散量在5-10月均有增加,深层渗漏在7-10月份显著减少。另外,土石山区森林覆盖率增加对日径流峰值的影响不显著,而黄土区则能明显削弱,这可能主要是因土石山区的高石砾含量土壤的渗透性能明显高于黄土区的黄土,而黄土区的森林能够明显改善土壤入渗性能和减少地面径流形成。 . 泾河流域上游是黄土高原的重要水源地和退耕还林工程区,在较大空间尺度上定量评价区内森林覆盖增加的水文影响对科学指导林业生态环境建设、保障区域水安全和可持续发展均有重要意义。为了在尽量排除地形、土壤、气候等作用的基础上定量评价森林的影响,将泾河上游划分为土石山区和黄土区,分别制定了多种森林恢复情景,利用分布式流域生态水文模型(SWIM)模拟评价了森林覆盖率及其空间分布变化对流域年蒸散量、年产流量、年地下水补给量、年土壤深层渗漏量及日径流洪峰的影响。土石山区模拟结果表明,增加森林覆盖将增加流域蒸散和减少流域产流,如现有森林覆盖(占全流域面积比例为13.8%)情景与现有森林变为草地(占全流域面积比例为0)情景相比时,流域年蒸散量从445.4 mm变为427.7 mm(减少了17.4 mm和4%);年产流量从42.4 mm变为53.5 mm(增加了11.1 mm和26.3%),年地下水补给量从61.6 mm变为76.9 mm(增加了15.3 mm和24.8%),年深层渗漏量从72.9 mm变为88.3 mm(增加了17.7 mm和24.3%);平均森林覆盖率每增加10%,导致流域年蒸散量增加12.8 mm,年产流量减少8.0 mm,年地下水补给量减少11.1 mm。在比较干旱和土层深厚的黄土区,增加森林覆盖将同样增大流域蒸散和减少流域产流,但变化幅度明显小于降水相对丰富和土层浅薄的土石山区,平均森林面积增加10%导致流域年蒸散量增加9.0 mm,年产流量减少4.5 mm,年地下水补给量减少8.8 mm;此外,在较缓坡面造林的水文影响大于较陡坡面造林。从森林水文影响的年内变化来看时,森林覆盖率升高的水文影响在土石山区和黄土区也有差别,如土石山区5-7月份的蒸散显著增加,5-10月份的深层渗漏均有减少;而黄土区是蒸散量在5-10月均有增加,深层渗漏在7-10月份显著减少。另外,土石山区森林覆盖率增加对日径流峰值的影响不显著,而黄土区则能明显削弱,这可能主要是因土石山区的高石砾含量土壤的渗透性能明显高于黄土区的黄土,而黄土区的森林能够明显改善土壤入渗性能和减少地面径流形成。 |
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| [22] | . <p>选择具有土石山区的泾河流域上游为研究对象,应用生态水文模型SWIM对上游景观尺度下各植被类型水文效应进行了模拟,并针对上游土石山区和黄土区分海拔段进行了植被分布的水文格局影响分析.结果表明:泾河流域上游的森林、农田、草地各植被类型的蒸散及组分、径流深和土壤深层渗漏各水文过程具有显著差异,不同区域(土石山区和黄土区)的同一植被类型的各水文过程明显不同;同时,植被景观格局存在区域和海拔差异,这使得不同区域和海拔段的各水文过程有所不同.如在土石山区,以森林为主的海拔段2 250~2 922 m降水量和蒸散量均最大(分别为641 mm和484 mm),以农田、草地和森林均有分布的海拔段1 750~2 250 m降水量较大(590 mm),但蒸散量最低(仅为434 mm);而在较为干旱的黄土区(降水量为514 mm)以农田和草地为主两个海拔段(1 026~1 350 m和1 350~1 750 m)的蒸散量较高(分别为458 mm和440 mm).另外,从各水文过程要素与降水的比值看,两个区域之间差异比较明显,但同一区域不同海拔段间差异不明显.</p> . <p>选择具有土石山区的泾河流域上游为研究对象,应用生态水文模型SWIM对上游景观尺度下各植被类型水文效应进行了模拟,并针对上游土石山区和黄土区分海拔段进行了植被分布的水文格局影响分析.结果表明:泾河流域上游的森林、农田、草地各植被类型的蒸散及组分、径流深和土壤深层渗漏各水文过程具有显著差异,不同区域(土石山区和黄土区)的同一植被类型的各水文过程明显不同;同时,植被景观格局存在区域和海拔差异,这使得不同区域和海拔段的各水文过程有所不同.如在土石山区,以森林为主的海拔段2 250~2 922 m降水量和蒸散量均最大(分别为641 mm和484 mm),以农田、草地和森林均有分布的海拔段1 750~2 250 m降水量较大(590 mm),但蒸散量最低(仅为434 mm);而在较为干旱的黄土区(降水量为514 mm)以农田和草地为主两个海拔段(1 026~1 350 m和1 350~1 750 m)的蒸散量较高(分别为458 mm和440 mm).另外,从各水文过程要素与降水的比值看,两个区域之间差异比较明显,但同一区域不同海拔段间差异不明显.</p> |
| [23] | . <p>通过野外实地调查,利用地层学方法结合孢粉分析结果,研究了黑土区地层地貌的发育历史、地层序列以及古气候变化,重建黑土、黑钙土的发育历史及发育所需的地貌、气候条件。结果表明,黑土从温暖湿润的晚更新世早期便开始在嫩江的二、三级阶地上发育,而黑钙土则从全新世初开始在嫩江的一级阶地上发育,这时气候处于暖干期,且一级阶地地势较低,水位相对较高,容易接受上方高地淋洗下来的钙,从而在土壤中形成比较典型的淀积层。可见,地貌条件及气候因素对黑土、黑钙土的形成发育起到至关重要的作用。研究结果为黑土区的水土保持及土壤改良研究提供理论基础,同时为正确评估黑土层的侵蚀速率及制订合理的改良措施提供科学的参考。</p> . <p>通过野外实地调查,利用地层学方法结合孢粉分析结果,研究了黑土区地层地貌的发育历史、地层序列以及古气候变化,重建黑土、黑钙土的发育历史及发育所需的地貌、气候条件。结果表明,黑土从温暖湿润的晚更新世早期便开始在嫩江的二、三级阶地上发育,而黑钙土则从全新世初开始在嫩江的一级阶地上发育,这时气候处于暖干期,且一级阶地地势较低,水位相对较高,容易接受上方高地淋洗下来的钙,从而在土壤中形成比较典型的淀积层。可见,地貌条件及气候因素对黑土、黑钙土的形成发育起到至关重要的作用。研究结果为黑土区的水土保持及土壤改良研究提供理论基础,同时为正确评估黑土层的侵蚀速率及制订合理的改良措施提供科学的参考。</p> |
| [24] | . 东北地区是我国著名的老工业基地,50年来,在工农业持续发展的同时,地区水土资源开发利用规模不断扩大,由此引发了一系列与水相关的生态和环境问题,解决该地区水资源利用与生态和环境问题势在必行。文章在分析东北地区水资源利用现状与问题的基础上,具体论述了水污染严重、河道断流、地下水超采、湿地大面积缩小以及西部地区土地荒漠化加剧等与水相关的生态和环境问题,提出了解决问题的具体对策与建议。合理利用地区水资源,量水而行、适水发展,节约与高效并举,建设资源节约、环境友好型社会是实现东北地区可持续发展的必然选择。 . 东北地区是我国著名的老工业基地,50年来,在工农业持续发展的同时,地区水土资源开发利用规模不断扩大,由此引发了一系列与水相关的生态和环境问题,解决该地区水资源利用与生态和环境问题势在必行。文章在分析东北地区水资源利用现状与问题的基础上,具体论述了水污染严重、河道断流、地下水超采、湿地大面积缩小以及西部地区土地荒漠化加剧等与水相关的生态和环境问题,提出了解决问题的具体对策与建议。合理利用地区水资源,量水而行、适水发展,节约与高效并举,建设资源节约、环境友好型社会是实现东北地区可持续发展的必然选择。 |
| [25] | // The First International Conference on GIS and Environmental Modeling was held in Boulder, Colorado, in September 1991. At that Conference I presented a survey of the state of GIS and hydrologic modeling as the subject then existed (Maidment, 1993). The intent of this |
| [26] | . . |
| [27] | . 水文模型参数敏感性分析是模型不确定性量化研究的重要环节,其可以有效识别关键参数,减少模型率定的不确定性,提高模型优化效率。然而如何快速有效地定量评估参数敏感性已成为当前大尺度分布式水文模型优化的瓶颈。针对传统的全局定量敏感性分析方法在多参数复杂水文模型的不足,本文采用基于统计学习理论的支持向量机(SVM) 建立非参数响应曲面(称为代理模型),再结合基于方差的Sobol 方法,建立了基于响应曲面方法的Sobol 定量全局敏感性分析方法(RSMSobol 方法),实现复杂模型系统参数敏感性的快速定量化评估。本文选用淮河流域的日尺度分布式时变增益水文模型进行实例研究,采用水量平衡系数(WB),Nash-Sutcliffe 效率系数(NS) 和相关系数(RC) 三个目标函数综合评价模拟效果。研究结果显示RSMSobol方法在实现定量全局敏感性分析的同时降低了模型运行时耗,提高了模型评估效率,且与传统定量方法Sobol 方法具有同样的评估效果。该方法的有效应用为大型复杂水文动力模拟系统的参数定量化敏感性评价提供了参考,为模型参数进一步优化提供了可靠依据。 . 水文模型参数敏感性分析是模型不确定性量化研究的重要环节,其可以有效识别关键参数,减少模型率定的不确定性,提高模型优化效率。然而如何快速有效地定量评估参数敏感性已成为当前大尺度分布式水文模型优化的瓶颈。针对传统的全局定量敏感性分析方法在多参数复杂水文模型的不足,本文采用基于统计学习理论的支持向量机(SVM) 建立非参数响应曲面(称为代理模型),再结合基于方差的Sobol 方法,建立了基于响应曲面方法的Sobol 定量全局敏感性分析方法(RSMSobol 方法),实现复杂模型系统参数敏感性的快速定量化评估。本文选用淮河流域的日尺度分布式时变增益水文模型进行实例研究,采用水量平衡系数(WB),Nash-Sutcliffe 效率系数(NS) 和相关系数(RC) 三个目标函数综合评价模拟效果。研究结果显示RSMSobol方法在实现定量全局敏感性分析的同时降低了模型运行时耗,提高了模型评估效率,且与传统定量方法Sobol 方法具有同样的评估效果。该方法的有效应用为大型复杂水文动力模拟系统的参数定量化敏感性评价提供了参考,为模型参数进一步优化提供了可靠依据。 |
| [28] | . <p>水文模型的不确定性研究是水文科学研究的重要课题。模型参数的不确定性分析是水文模型不确定性研究的重要内容之一。本文采用GLUE方法分析新安江模型参数的不确定性,结论基于对不同水文特征流域的长时间径流模拟,研究发现大量"等效性"参数组存在。据此将参数总结为三类:第一类为非敏感参数,如上层张力水容量UM等。它们对似然判据,及确定性系数(R<sup>2</sup>)影响小。第二类为敏感性参数,如河网蓄水消退系数CS等,其特点是对R<sup>2</sup>的影响大。第三类为区域性敏感参数,如张力水蓄水容量曲线的方次B等,它们对R<sup>2</sup>的影响力跟流域特征密切相关。这些结论有助于理解新安江模型参数,为今后流域水文模拟提供参考。文中还展望了未来水文模型不确定性研究的发展方向。</p> . <p>水文模型的不确定性研究是水文科学研究的重要课题。模型参数的不确定性分析是水文模型不确定性研究的重要内容之一。本文采用GLUE方法分析新安江模型参数的不确定性,结论基于对不同水文特征流域的长时间径流模拟,研究发现大量"等效性"参数组存在。据此将参数总结为三类:第一类为非敏感参数,如上层张力水容量UM等。它们对似然判据,及确定性系数(R<sup>2</sup>)影响小。第二类为敏感性参数,如河网蓄水消退系数CS等,其特点是对R<sup>2</sup>的影响大。第三类为区域性敏感参数,如张力水蓄水容量曲线的方次B等,它们对R<sup>2</sup>的影响力跟流域特征密切相关。这些结论有助于理解新安江模型参数,为今后流域水文模拟提供参考。文中还展望了未来水文模型不确定性研究的发展方向。</p> |
| [29] | . The sensitivity of the distributed hydrological SWAT model to the pre-processing of soil and land use data was tested for modelling rainfall-runoff processes in the Thyle catchment in Belgium. To analyse this sensitivity, 32 different soil and land use parameterisation scheme were generated and evaluated. The soil input data sources were a generalised soil association map at a scale of 1:500,000, a detailed soil map at a scale of 1:25,000 and the soil profile analytical database AARDEWERK. These soil data were combined with a detailed and a generalised land use map. The results suggest that the SWAT model is extremely sensitive to the quality of the soil and land use data and the adopted pre-processing procedures of the geographically distributed data. The resolution and fragmentation of the original map objects are significantly affected by the internal aggregation procedures of the SWAT model. The catchment size threshold value (CSTV) is thereby a key parameter controlling the internal aggregation procedure in the model. It is shown that a parabolic function characterises the relationship between the CSTV and the hydrological modelling performance of the uncalibrated model, suggesting that optimal uncalibrated modelling results are not obtained when the CSTV is minimised. The hydrological response of the SWAT model to the calculated soil properties is significant. Therefore preference should be given to the calculation of the derived hydrologic soil properties prior to averaging of the profile data. Finally some general guidelines are suggested for parameterising soil and land use in the SWAT model application. |
| [30] | . <p>流域的水资源规划和管理都离不开水资源的定量化评估。而准确评估流域的水资源量，尤其是在大流域，必须明晰不同气候、地形、土地利用等自然条件下的水文循环过程。同时农业灌溉及水库调节等人工的直接取水和调控使水文过程变得更为复杂。仅依靠气象及水文观测数据，已很难拟合出单一的降雨-径流关系来模拟和预测流域水资源的时空分布。这时就需要一种新型水文模拟手段，它可以利用地理信息来描述流域的空间不均一性，并基于物理控制方程来描述水文过程，这就是分布式水文模型。作者介绍了这种模型及其在黄河流域的应用。</p> . <p>流域的水资源规划和管理都离不开水资源的定量化评估。而准确评估流域的水资源量，尤其是在大流域，必须明晰不同气候、地形、土地利用等自然条件下的水文循环过程。同时农业灌溉及水库调节等人工的直接取水和调控使水文过程变得更为复杂。仅依靠气象及水文观测数据，已很难拟合出单一的降雨-径流关系来模拟和预测流域水资源的时空分布。这时就需要一种新型水文模拟手段，它可以利用地理信息来描述流域的空间不均一性，并基于物理控制方程来描述水文过程，这就是分布式水文模型。作者介绍了这种模型及其在黄河流域的应用。</p> |
| [31] | . SWAT是一个基于物理机制的分布式流域水文模型，其产流机制中对于地表径流、壤中流、浅层地下径流和深层地下径流的模拟方法比较实用，能够适用于不同气候条件和下垫面条件下的产汇流情况。本文将SWAT应用到黄河中游干旱半干旱区多沙粗沙典型流域之一窟野河流域，模拟了1980～1985年的日流量和月平均流量过程，分析并探讨了SWAT产流机制对水源划分和径流形成过程的影响。结果表明，水量平衡相对误差在10%左右，但Nash-Sutticliffe效率系数都较低。本文对结果进行了初步分析，认为SWAT产流机制不能有效模拟位于干旱半干旱地区的窟野河流域的壤中流、基流和春汛流量过程，并探讨了SWAT在干旱半干旱地区产流模拟可能存在的问题和研究深入的方向。 . SWAT是一个基于物理机制的分布式流域水文模型，其产流机制中对于地表径流、壤中流、浅层地下径流和深层地下径流的模拟方法比较实用，能够适用于不同气候条件和下垫面条件下的产汇流情况。本文将SWAT应用到黄河中游干旱半干旱区多沙粗沙典型流域之一窟野河流域，模拟了1980～1985年的日流量和月平均流量过程，分析并探讨了SWAT产流机制对水源划分和径流形成过程的影响。结果表明，水量平衡相对误差在10%左右，但Nash-Sutticliffe效率系数都较低。本文对结果进行了初步分析，认为SWAT产流机制不能有效模拟位于干旱半干旱地区的窟野河流域的壤中流、基流和春汛流量过程，并探讨了SWAT在干旱半干旱地区产流模拟可能存在的问题和研究深入的方向。 |
| [32] | . 本文以大庆市杜尔伯特蒙古族自治县为例，利用1954年～2001年5个时期的土地利用数据，在遥感和GIS技术支持下，采用逐个图斑跟踪记录的方法，动态监测每个图斑在各个时段的变化过程。从研究起始时间开始从来没变过，或变化次数较少的空间单元称为趋向稳定类型的转换，而变化次数较多的空间单元称为趋向不稳定类型的转换。根据每一土地单元土地利用变更次数的多少对土地利用/覆被变化的敏感性进行分析。将研究区某一时段内的土地利用变化划分为未变更类型、人类干扰型、自然演化型3种类型，分析了各种用地类型转换过程中土地利用方式的稳定程度。研究结果表明：①水域和与人类活动关系密切的城镇及居民用地、耕地最为稳定；其次是土地退化的盐碱地和未利用土地；沼泽地、林地、草地稳定性较差；②当未变更类型和自然演化类型向人类干扰型转变后，土地利用方式将趋于稳定，在下一时段变化的可能性较小；未变更类型和人类干扰型向自然演化型转变后，土地利用方式趋于不稳定，在下一时段发生变化的概率较大。 . 本文以大庆市杜尔伯特蒙古族自治县为例，利用1954年～2001年5个时期的土地利用数据，在遥感和GIS技术支持下，采用逐个图斑跟踪记录的方法，动态监测每个图斑在各个时段的变化过程。从研究起始时间开始从来没变过，或变化次数较少的空间单元称为趋向稳定类型的转换，而变化次数较多的空间单元称为趋向不稳定类型的转换。根据每一土地单元土地利用变更次数的多少对土地利用/覆被变化的敏感性进行分析。将研究区某一时段内的土地利用变化划分为未变更类型、人类干扰型、自然演化型3种类型，分析了各种用地类型转换过程中土地利用方式的稳定程度。研究结果表明：①水域和与人类活动关系密切的城镇及居民用地、耕地最为稳定；其次是土地退化的盐碱地和未利用土地；沼泽地、林地、草地稳定性较差；②当未变更类型和自然演化类型向人类干扰型转变后，土地利用方式将趋于稳定，在下一时段变化的可能性较小；未变更类型和人类干扰型向自然演化型转变后，土地利用方式趋于不稳定，在下一时段发生变化的概率较大。 |
| [33] | . In: Abstract EXTENDED ABSTRACT Distributed watershed models are increasingly being used to support decisions about alternative management strategies in the areas of landuse change, climate change, water allocation, and pollution control. For this reason it is important that these models pass through a careful calibration and uncertainty analysis. Furthermore, as calibration model parameters are always conditional in nature the meaning of a calibrated model, its domain of use, and its uncertainty should be clear to both the analyst and the decision maker. Large-scale distributed models are particularly difficult to calibrate and to interpret the calibration because of large model uncertainty, input uncertainty, and parameter non-uniqueness. To perform calibration and uncertainty analysis, in recent years many procedures have become available. As only one technique cannot be applied to all situations and different projects can benefit from different procedures, we have linked, for the time being, three programs to the hydrologic simulator Soil and Water Assessment Tools (SWAT) (Arnold et al., 1998) under the same platform, SWAT-CUP (SWAT Calibration Uncertainty Procedures). These procedures include: Generalized Likelihood Uncertainty Estimation (GLUE) (Beven and Binley, 1992), Parameter Solution (ParaSol) (van Griensven and Meixner, 2006), and Sequential Uncertainty FItting (SUFI-2) (Abbaspour, et al., 2007). In this paper we describe SWAT-CUP and the three procedures and provide an application example using SUFI-2. Inverse modelling (IM) has often been used to denote a calibration procedure which uses measured data to optimize an objective function for the purpose of finding the best parameters. In recent years IM has become a very popular method for calibration. IM is concerned with the problem of making inferences about physical systems from measured output variables of the model (e.g., river discharge, sediment concentration). This is attractive because direct measurement of parameters describing the physical system is time consuming, costly, tedious, and often has limited applicability. In large-scale distributed applications most parameters are almost impossible to measure as they are lumped and; hence, do not carry the same physical meaning as they did in their small-scale applications. For example, soil parameters such as hydraulic conductivity, bulk density, water storage capacity are but fitting parameters in the large scale. Because nearly all measurements are subject to some uncertainty and the models are only approximations, the inferences are usually statistical in nature. Furthermore, because one can only measure a limited number of (noisy) data and physical systems are usually modelled by continuum equations, no hydrological inverse problem is really uniquely solvable. In other words, if there is a single model that fits the measurements there will be many of them and a large number of parameter combinations can lead to acceptable modelling results. Our goal in inverse modelling is then to characterize the set of models, mainly through assigning distributions (uncertainties) to the parameters, which fit the data and satisfy our presumptions as well as other prior information. To make the parameter inferences quantitative, one must consider 1) the error in the measured data (driving variables such as rainfall and temperature), 2) the error in the measured variables used in model calibration (e.g., river discharges and sediment concentrations, nutrient loads, etc.), and 3) the error in the conceptual model (i.e., inclusion of all the physics in the model that contributes significantly to the data). The latter uncertainty could especially be large in large-scale watershed models. |
| [34] | . 黑土区是我国的粮食主产区之一,在该区研究径流特征,对东北水资源调控、侵蚀产沙治理和粮食安全,都有非常重要的意义.以乌裕尔河流域为研究对象,利用SWAT模型对乌裕尔河流域水文过程进行模拟,通过SWAT-CUP程序的SUFI-2算法进行模型参数敏感性和不确定性分析,结合手动参数调整,得到了较为理想的模拟结果.结果表明:年径流及月径流在校准期和验证期的相关系数R2均达到0.8,Nash Suttcliff效率系数大于0.75,相对误差小于15％.SWAT模型可较准确地模拟流域径流过程,该模型在东北地区的水文模拟具有一定的适用性.研究发现,模型对某些降雨突增月份径流模拟较差,并且对春汛和夏汛双峰型径流模拟效果也不尽人意,春季径流量模拟普遍偏低,夏季径流量普遍偏高.因此,尽管东北地区产流结构较为复杂,一些地方如模型土壤属性数据库建设、融雪过程还需要深入研究.就目前研究来看,SWAT模型对于该地区的径流模拟总体效果可以接受,这可为该地及类似地区径流乃至侵蚀产沙模拟,为水资源的开发利用与流域的综合管理提供科学依据. . 黑土区是我国的粮食主产区之一,在该区研究径流特征,对东北水资源调控、侵蚀产沙治理和粮食安全,都有非常重要的意义.以乌裕尔河流域为研究对象,利用SWAT模型对乌裕尔河流域水文过程进行模拟,通过SWAT-CUP程序的SUFI-2算法进行模型参数敏感性和不确定性分析,结合手动参数调整,得到了较为理想的模拟结果.结果表明:年径流及月径流在校准期和验证期的相关系数R2均达到0.8,Nash Suttcliff效率系数大于0.75,相对误差小于15％.SWAT模型可较准确地模拟流域径流过程,该模型在东北地区的水文模拟具有一定的适用性.研究发现,模型对某些降雨突增月份径流模拟较差,并且对春汛和夏汛双峰型径流模拟效果也不尽人意,春季径流量模拟普遍偏低,夏季径流量普遍偏高.因此,尽管东北地区产流结构较为复杂,一些地方如模型土壤属性数据库建设、融雪过程还需要深入研究.就目前研究来看,SWAT模型对于该地区的径流模拟总体效果可以接受,这可为该地及类似地区径流乃至侵蚀产沙模拟,为水资源的开发利用与流域的综合管理提供科学依据. |
| [35] | . <p>乌裕尔河流域是气候变化的敏感区，其径流量是扎龙湿地的重要补给水源，探讨气候变化情景下乌裕尔河流域径流量的变化对区域社会经济发展和扎龙湿地生态环境保护具有重要的现实意义。本文利用SWAT模型对乌裕尔河流域进行径流模拟，并分析未来气候变化情景下河流径流量的变化。结果表明：SWAT模型可以较好地模拟乌裕尔河流域的径流量变化过程，尤其是产流量大的站点，模拟效率较高；气候变化对径流量影响较为显著，未来气候变化情景下,流域径流量随着时间的推移不断减少，而且不同水文站径流量减少幅度不同。</p> . <p>乌裕尔河流域是气候变化的敏感区，其径流量是扎龙湿地的重要补给水源，探讨气候变化情景下乌裕尔河流域径流量的变化对区域社会经济发展和扎龙湿地生态环境保护具有重要的现实意义。本文利用SWAT模型对乌裕尔河流域进行径流模拟，并分析未来气候变化情景下河流径流量的变化。结果表明：SWAT模型可以较好地模拟乌裕尔河流域的径流量变化过程，尤其是产流量大的站点，模拟效率较高；气候变化对径流量影响较为显著，未来气候变化情景下,流域径流量随着时间的推移不断减少，而且不同水文站径流量减少幅度不同。</p> |
| [36] | [D]. |
| [37] | . 近年来SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型在国内外得到了广泛的应用，但应用研究主要集中在湿润地区，通过对探索了在中国西北干旱半干旱地区使用SWAT模型的可能性，对SWAT模型在陇西黄土高原地区的适用性进行了评价，得出：降水特征的特殊性，使得SWAT模型并不能很好地适用于该地区所有年份的径流模拟过程中，但对于降水特征变化幅度较小的时段，SWAT模型具有较高的径流模拟精度，可以应用于与流域径流相关的各种模拟分析。 . 近年来SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型在国内外得到了广泛的应用，但应用研究主要集中在湿润地区，通过对探索了在中国西北干旱半干旱地区使用SWAT模型的可能性，对SWAT模型在陇西黄土高原地区的适用性进行了评价，得出：降水特征的特殊性，使得SWAT模型并不能很好地适用于该地区所有年份的径流模拟过程中，但对于降水特征变化幅度较小的时段，SWAT模型具有较高的径流模拟精度，可以应用于与流域径流相关的各种模拟分析。 |
| [38] | . 利用松嫩平原及周边地区72个气象站1961—2003年逐日气象资料，应用Penman-Monteith方程计算潜在蒸散量，采用气候倾向率、Mann-Kendall突变检验、累积距平法，对松嫩平原地区潜在蒸散量变化进行定量分析，并应用ArcGIS软件的空间分析功能对研究区潜在蒸散量的空间分布特征进行分析.结果表明：1961—2003年，松嫩平原年均潜在蒸散量在330～860 mm, 总体呈减小趋势, 空间分布总体特征为西南高、四周低，呈环带状向西南方向增加；年潜在蒸散量的气候倾向率为-0.21 mm·a<sup>-1</sup>；年潜在蒸散量在1982年达最大值，形成突变点，而后下降，至1995年降至最低，此后呈增加趋势；春、夏、秋、冬季潜在蒸散量的气候倾向率分别为-0.19、0.01、-0.05、0.03 mm·a<sup>-1</sup>，表明春、秋季潜在蒸散量呈微弱减小趋势，夏、冬呈微弱增加趋势. . 利用松嫩平原及周边地区72个气象站1961—2003年逐日气象资料，应用Penman-Monteith方程计算潜在蒸散量，采用气候倾向率、Mann-Kendall突变检验、累积距平法，对松嫩平原地区潜在蒸散量变化进行定量分析，并应用ArcGIS软件的空间分析功能对研究区潜在蒸散量的空间分布特征进行分析.结果表明：1961—2003年，松嫩平原年均潜在蒸散量在330～860 mm, 总体呈减小趋势, 空间分布总体特征为西南高、四周低，呈环带状向西南方向增加；年潜在蒸散量的气候倾向率为-0.21 mm·a<sup>-1</sup>；年潜在蒸散量在1982年达最大值，形成突变点，而后下降，至1995年降至最低，此后呈增加趋势；春、夏、秋、冬季潜在蒸散量的气候倾向率分别为-0.19、0.01、-0.05、0.03 mm·a<sup>-1</sup>，表明春、秋季潜在蒸散量呈微弱减小趋势，夏、冬呈微弱增加趋势. |
| [39] | . The accuracy of agricultural nonpoint source pollution models depends in part on how well model input parameters describe the relevant characteristics of the watershed. The spatial extent of input parameter aggregation has previously been shown to have a substantial impact on model output. This study investigates this problem using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), a distributed-parameter agricultural nonpoint source pollution model. The primary question addressed here is: how does the size or number of subwatersheds used to partition the watershed affect model output, and what are the processes responsible for model behavior? SWAT was run on the Pheasant Branch watershed in Dane County, WI, using eight watershed delineations, each with a different number of subwatersheds. Model runs were conducted for the period 1990-1996. Streamflow and outlet sediment predictions were not seriously affected by changes in subwatershed size. The lack of change in outlet sediment is due to the transport-limited nature of the Pheasant Branch watershed and the stable transport capacity of the lower part of the channel network. This research identifies the importance of channel parameters in determining the behavior of SWAT's outlet sediment predictions. Sediment generation estimates do change substantially, dropping by 44% between the coarsest and the finest watershed delineations. This change is primarily due to the sensitivity of the runoff term in the Modified Universal Soil Loss Equation to the area of hydrologic response units (HRUs). This sensitivity likely occurs because SWAT was implemented in this study with a very detailed set of HRUs. In order to provide some insight on the scaling behavior of the model two indexes were derived using the mathematics of the model. The indexes predicted SWAT scaling behavior from the data inputs without a need for running the model. Such indexes could be useful for model users by providing a direct way to evaluate alternative models directly within a geographic information systems framework. |
| [40] | . The sensitivity of the distributed hydrological SWAT model to the pre-processing of soil and land use data was tested for modelling rainfall-runoff processes in the Thyle catchment in Belgium. To analyse this sensitivity, 32 different soil and land use parameterisation scheme were generated and evaluated. The soil input data sources were a generalised soil association map at a scale of 1:500,000, a detailed soil map at a scale of 1:25,000 and the soil profile analytical database AARDEWERK. These soil data were combined with a detailed and a generalised land use map. The results suggest that the SWAT model is extremely sensitive to the quality of the soil and land use data and the adopted pre-processing procedures of the geographically distributed data. The resolution and fragmentation of the original map objects are significantly affected by the internal aggregation procedures of the SWAT model. The catchment size threshold value (CSTV) is thereby a key parameter controlling the internal aggregation procedure in the model. It is shown that a parabolic function characterises the relationship between the CSTV and the hydrological modelling performance of the uncalibrated model, suggesting that optimal uncalibrated modelling results are not obtained when the CSTV is minimised. The hydrological response of the SWAT model to the calculated soil properties is significant. Therefore preference should be given to the calculation of the derived hydrologic soil properties prior to averaging of the profile data. Finally some general guidelines are suggested for parameterising soil and land use in the SWAT model application. |
| [41] | . 通过尝试给出软直方图估计模型中样本不完备度和模型粗糙度匹配关系的公式化定义,发现了一个反精确规则.该反精确规则给出的启示是,如果信息是不完备的,则一个较粗糙模型的识别效果会更好;反之,一个较精确模型会比较好. . 通过尝试给出软直方图估计模型中样本不完备度和模型粗糙度匹配关系的公式化定义,发现了一个反精确规则.该反精确规则给出的启示是,如果信息是不完备的,则一个较粗糙模型的识别效果会更好;反之,一个较精确模型会比较好. |
| [42] | . 选择高寒生态系统植被覆盖度、生物生产力和土壤养分与组成结构等要素和冻土环境的冻土上限深度、冻土厚度和冻土地温等指标, 分析了冻土环境与高寒生态系统之间的相互关系,并基于气温与冻土温度间的统计模型, 建立了高寒生态系统对冻土环境变化的响应分析模型. 通过对青藏高原昆仑山-唐古拉山区域冻土环境要素在人类工程活动与气候变化双重作用下的变化及其对高寒生态系统的影响研究, 表明青藏高原冻土环境变化对高寒草甸和高寒沼泽草甸生态系统影响强烈, 随冻土上限深度增加, 高寒草甸植被覆盖度和生物生产量均呈现较为显著递减趋势, 并导致高寒草甸草地土壤有机质含量呈指数形式下降, 土壤表层砂砾石含量增加而显著粗砺化; 高寒草原生态系统与冻土环境的关系相对微弱; 全球气候变化及其作用下的冻土环境变化导致该区域近15 年间高寒沼泽草甸生态系统分布面积锐减28.11%, 高寒草甸生态分布面积减少了7.98%. 在不同气温升高的情景下, 未来50 年, 不同地貌单元的高寒草甸生态系统对冻土环境变化的响应程度不同, 其中位于低山和平原区的高寒草甸生态系统将产生较显著的退化, 从植被覆盖度和生物生产量两方面, 定量给出了不同气候变化情境下不同典型地区和地貌单元的高寒生态系统变化特征. 未来在工程活动中采取有效的冻土环境保护措施, 对高原冻土工程稳定性和维护高寒生态系统都具有重要意义. . 选择高寒生态系统植被覆盖度、生物生产力和土壤养分与组成结构等要素和冻土环境的冻土上限深度、冻土厚度和冻土地温等指标, 分析了冻土环境与高寒生态系统之间的相互关系,并基于气温与冻土温度间的统计模型, 建立了高寒生态系统对冻土环境变化的响应分析模型. 通过对青藏高原昆仑山-唐古拉山区域冻土环境要素在人类工程活动与气候变化双重作用下的变化及其对高寒生态系统的影响研究, 表明青藏高原冻土环境变化对高寒草甸和高寒沼泽草甸生态系统影响强烈, 随冻土上限深度增加, 高寒草甸植被覆盖度和生物生产量均呈现较为显著递减趋势, 并导致高寒草甸草地土壤有机质含量呈指数形式下降, 土壤表层砂砾石含量增加而显著粗砺化; 高寒草原生态系统与冻土环境的关系相对微弱; 全球气候变化及其作用下的冻土环境变化导致该区域近15 年间高寒沼泽草甸生态系统分布面积锐减28.11%, 高寒草甸生态分布面积减少了7.98%. 在不同气温升高的情景下, 未来50 年, 不同地貌单元的高寒草甸生态系统对冻土环境变化的响应程度不同, 其中位于低山和平原区的高寒草甸生态系统将产生较显著的退化, 从植被覆盖度和生物生产量两方面, 定量给出了不同气候变化情境下不同典型地区和地貌单元的高寒生态系统变化特征. 未来在工程活动中采取有效的冻土环境保护措施, 对高原冻土工程稳定性和维护高寒生态系统都具有重要意义. |
