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土地利用变化和气候变化对温榆河上游流域径流变化的影响

更新时间:2009-03-28

流域径流的变化是水文过程的综合反映,受气候变化、土地利用、人类活动等因素的综合驱动。在国内外关于土地利用变化和气候变化的水文响应的研究成果中,影响地表径流的决定性因素并不完全相同,例如:黄土高原黑河流域1981-2000年气候变化对地表径流的影响比土地利用变化更为显著(土地利用变化和气候变化分别对径流量产生了9.6%、95.8%的下降影响)[1];潮白河流域1961-2001年人类活动对径流的影响占主导地位(1961-1966年和1973-1979年内气候变化和人类活动对径流减少分别贡献了35%、68%,1980-2001年二者分别贡献了31%、70%)[2]。并且,即便在同一流域内,对径流产生影响的主导因素也会发生变化[3-4],如黄河上游流域1961-2013年唐乃亥(TNH)水文站以上区域以气候变化为主导,而T NH水文站以下区域则以土地利用变化和水库调度为主导[5]。在大部分研究中,土地利用变化和气候变化对流域的径流都产生衰退的影响,而在另一些较少的研究中,两者对径流表现为增加的作用[6-7]。总体而言,已有的定量研究表明,土地利用方式的改变和气候变化都会在很大程度上影响水文过程,但其具体作用仍需要根据研究区域的实际情况来具体分析。

本文基于SWAT模型模拟温榆河上游流域的水文循环过程,对流域内沙河闸水文站1980-2014年的逐月径流进行模拟、率定和验证,在此基础上设置不同的情景分别进行模拟,结合流域内气象因子和土地利用的变化趋势,定量分析土地利用变化和气候变化对温榆河上游流域径流变化的影响,为气候变化背景下温榆河上游流域的水资源管理提供基础依据。

1 研究区概况

温榆河上游流域位于北纬 40°00'-40°30'和东经 115°50'-116°20'之间,临近北京城区北部(图1),由东沙河、北沙河、南沙河三条支流汇合而成,于沙河闸形成沙河水库,流域面积1 099 km2。流域属大陆性季风气候,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥,雨雪稀少[8]。流域年内降水分配不均,全年降水量集中在6月-9月,占全年降水量的80%以上,由于降水相对集中,且流域调蓄能力严重不足,流域地表水资源的利用率不足15%[9]。流域内土地利用类型以林地和耕地为主,土壤类型以石灰性雏形土、高活性淋溶土、石灰性冲积土、疏松岩性土等为主。

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图1 研究区地理位置Fig.1 Location of the study area

2 数据与方法

2.1 数据来源与预处理

建立SWAT模型需要用到的流域数据包括:DEM数据、土地利用数据、土壤数据、气象数据、水文数据。各类数据的来源和预处理方法见表1。

 

表1 数据来源与预处理Tab.1 Data source and preprocessing

  

数据类型 来源与预处理DEM分辨率为30 m,来自地理空间数据云网站(http://www.g scloud.cn/),经拼接、坐标系统转换、裁剪后得到。土地利用根据T M遥感影像数据(来自U SGS,精度30 m)解译得到,包括 1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年共6期土地利用分布图 。土壤类型根据HWSD数据库(来自联合国粮农组织FAO官方网站 http://www.fao.org/home/en/)进行裁剪、重分类得到。气象数据1980年到2014年的逐日降雨资料采用北京市水文总站9个雨量站点的数据,逐日气温、风速、相对湿度数据采用北京市气象局20个气象站点的数据,太阳辐射数据及各类气象数据的缺失数据由气象数据库生成,研究区的气象数据库采用全球气象发生数据ArcSWAT CFSR_World Weather Database(https://globalweather.tamu.edu/)。水文数据 研究区径流资料(1980-2014年,逐日流量数据)来自于北京市水文总站。

此外,流域气象因子的变化分析需要采用流域平均气象数据序列,本文基于已获取的各气象站点的数据采用泰森多边形法[10]求得。

本文采用决定系数R2和纳什系数Ens评价模型的模拟效果。决定系数R2的计算公式如式(2):

2.2 研究方法

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型20世纪90年代由美国农业部农业研究局(ARS)与德克萨斯农工大学在 CREAMS、GLEAM、EPIC、SWRRB等模型的基础上研制开发而成,具有很强的物理机制,以日尺度数据为运行步长,以子流域为单元进行水文模拟,适合模拟连续长时间段的复杂流域[11]。作为基于过程的模型,SWAT近年来被广泛应用于径流模拟、蒸腾蒸发模拟、土地利用和覆被变化对径流的影响、气候变化对区域水循环的影响等方面[12-17]。在已有的针对温榆河的研究中,SWAT模型也用来模拟非点源污染以及闸坝影响下流域的水量水质演变过程[18-21]。本研究采用SWAT模型进行研究区径流模拟,通过控制变量设计不同的情景,进行模拟结果的对比,得出1980-2014年土地利用变化和气候变化对温榆河上游流域径流变化的贡献率,并结合各因子的变化情况分析其中的影响机理。

2.2.1 影响因子变化分析

如图4所示,系统仿真运行3h到达热平衡,液压油液温度超过100℃,远高于自卸车液压系统的最高允许温度80℃。仿真结果与自卸车液压系统的实际温度相吻合。

气象因子1980-2014年的变化情况采用线性趋势的方法来进行分析。对各气象因子以时间为自变量建立一元线性回归方程:

易太太道:“不买还要听你这些话!”说着打出一张五筒,马太太对面的黑斗篷啪啦摊下牌来,顿时一片笑叹怨尤声,方剪断话锋。

 

式中:y为某气象因子;t为时间(本文为年);a为回归常数;b为回归系数,b>0表示气象因子呈上升趋势,b<0表示气象因子呈下降趋势,10b称为气候倾向率,倾向率绝对值大小表征变化幅度[22]

2.2.2 SWAT模型构建

采用沙河闸水文站的实测月径流数据来进行模型的率定和验证,率定期1990-2002年,验证期2003-2014年,采用2000年的土地利用资料。选取敏感性参数是在模型校准之前的关键任务,本研究在SWAT-CUP软件中采用SUFI-2优化算法,通过单个参数的敏感性分析(One-at-a-time)来选取需要率定的敏感参数。

③资料来源于中国乡村旅游网:http://www.crttrip.com/showinfo-13-1578-0.html.《看看浪漫的法国是如何搞乡村旅游的?》。

 

本研究中气象因子主要考虑降雨和气温。温榆河上游流域1980-2014年年平均降雨量为505.25 mm,总体呈缓慢增加趋势,变化倾向率为 13.71 mm/(10a)。相邻年间降雨量变化波动较大,其中1998年降雨量最大,年降雨721.9 mm,1997年降雨量最小,年降雨315.17 mm;1997-1998年的降雨波动最大;1999-2007年间降雨变化趋势较平缓,降雨量普遍较小,除2004年降雨576 mm外,其余年份在433 mm到498 mm区间内变化。详见图2。

温榆河上游流域的主要土地利用类型是林地,占流域总面积的75.78%;其次是耕地和城乡工矿居民用地,占流域总面积的10.46%、9.08%;草地、水域和未利用裸地平均占地面积最少,占流域总面积的 2.25%、1.59%、0.84%(表 3)。1985-2010年土地利用变化主要有三个变化趋势:林地和耕地减少,城乡及工矿和居民用地增加,草地在1995年(S2时期采用的土地利用格局)到2005年(S3时期采用的土地利用格局)间增加。与 1985年相比,2010年林地面积减少了87.7 km2,耕地面积减少了34.9 km2,城乡及工矿和居民用地增加了112.2 km2,草地增加了23 km2

 

式中:Qsim为SWAT模型径流模拟值;Qobs为径流实测值;n为观测值的个数。Ens的取值在0~1之间,越接近1表明模型的模拟值与实测值越接近,模型模拟效果越好。如果Ens为负,说明模型的模拟效果特别差,比实测值的算术平均值更不具有代表性。

2.2.3 情景设计

本研究纳入单纯慢阻肺患者508例,慢阻肺来源ACO 295例,其中ACO错失早期诊断时间为3(1,9)年,相比单纯慢阻肺3(0.5,8)年,两者无明显差异(Z=-1.86,P=0.063)。单纯慢阻肺肺功能FEV1%为53.8%±22.1%,ACO为53.1%±19.9%,两组无统计学差异(t=0.376,P=0.707)。

 

表2 不同的模拟情景Tab.2 Different simulation scenarios

  

情景 气象数据 土地利用数据A 1980-1989 1985 AB1 1990-1999 1985 AB2 1980-1989 1995 B 1990-1999 1995 BC1 2000-2009 1995 BC2 1990-1999 2005 C 2000-2009 2005 CD1 2010-2014 2005 CD2 2000-2009 2010 D 2010-2014 2010

AB1情景是在A情景的基础上不改变其他模型输入,将气候变化数据替换为B情景的气候变化数据;AB2是在A情景的基础上不改变其他模型输入,将土地利用资料替换为B情景的土地利用资料。对比 A、AB1、AB2、B这四个情景的 SWAT输出,可以计算得到从S1时期到S2时期气候变化和土地利用变化分别对流域径流变化的贡献率。

以推进国税地税征管体制改革为契机,持续深化“放管服”改革,依托“互联网+税务”,拓宽办税渠道,大力推进“一厅通办”“一窗通办”“全程网上办”“最多跑一次”等服务,强力推动涉税数据共享和应用,不断降低纳税人办税成本,大力优化税收营商环境。加大政策宣传解读力度,加强政策享受办税辅导,精简享受政策证明资料。不折不扣落实增值税留抵退税、降低税率、符合条件一般纳税人转小规模纳税人等增值税优惠政策,落实好支持企业自主创新等所得税优惠政策,执行好自治区降低车船税部分税目、城镇土地使用时使用税额政策,进一步降低企业税费负担,降低创新创业成本,持续激发各类市场主体发展活力,为百色市实体经济发展增强后劲。

3 结果与分析

3.1 气象因子、土地利用的变化特征分析

3.1.1 气象因子变化趋势

式中:Qm为SWAT模型径流模拟值;Qs为径流实测值。R2的取值在0~1之间,越接近1表明模型的模拟值与实测值越吻合,模型模拟效果越好。

  

图2 研究区年降雨变化趋势Fig.2 Variation trend of annual rainfall

温榆河上游流域1980-2014年年平均气温为12.26℃,呈明显上升趋势,变化倾向率为0.422 1℃/(10a),相邻年间年均气温变化波动较大。其中2014年年均气温最高,为13.72℃,1985年年均气温最低,为11.04℃;1980-1993年间大多年份的年均气温低于12.26℃,1994-2014年间大多年份的年均气温高于12.26℃;35年间温榆河上游流域的年均气温升高了约1.48℃。详见图3。

  

图3 研究区年均温度变化趋势Fig.3 Variation trend of annual averag e temperature

3.1.2 土地利用变化趋势

纳什系数Ens的计算公式如式(3):

 

表3 土地利用情况统计T ab.3 Land use statistics

  

不同时期的土地利用 林地 耕地 草地 水域 城乡用地未利用裸地面积/km2 908.1 132.9 12.5 21.1 53.4 11.1 1985百分比(%) 79.73 11.67 1.1 1.85 4.69 0.97面积/km2 894.7 134.2 12.2 21.3 61.7 14.8 1995 2005百分比(%) 78.55 11.78 1.07 1.87 5.42 1.3面积/km2 829.1 111.3 42.3 13.4 133.1 9.8百分比(%) 72.79 9.77 3.71 1.18 11.69 0.86面积/km2 820.4 98 35.5 16.7 165.6 2.6 2010平均百分比(%) 72.03 8.6 3.12 1.47 14.54 0.23面积/km2 863.1 119.1 25.6 18.1 103.5 9.6百分比(%) 75.78 10.46 2.25 1.59 9.08 0.84

  

图4 研究区各土地利用类型变化趋势Fig.4 Variation trend of different types of land use

3.2 模型的校准与验证

基于SUFI-2优化算法的参数敏感性分析最终选出16个重要参数来进行率定:ALPHA_BF.gw(基流消退系数)、GW_DELAY.gw(地下水延迟天数)、GWQMN.gw(水的阈值深度mm)、CN2.mgt(SCS径流曲线数)、SOL_AWC.sol(土壤有效含水量)、ESCO.bsn(土壤有效含水量)、GW_REVAP.gw(浅层地下水再蒸发系数)、EPCO.bsn(植物蒸发补偿系数)、SOL_K.sol(饱和渗透系数)、SURLAG.bsn(地表径流滞后系数)、REVAPMN.gw(地下水再蒸发系数)、CANMX.hru(最大叶冠指数)、RCHRG_DP.gw(深层含水层渗流分数)、CH_K2.rte(主要通道冲积层有效渗透系数)、CH_N2.rte(主河道的曼宁n值)、SFTMP.bsn(降雨温度)。

1.党的领导、群众路线,是“枫桥经验”创新发展的根本保证。“枫桥经验”是群众工作基础性、经常性、根本性的集中体现。50年来,“枫桥经验”始终坚持“党政动手、依靠群众”这条生命线,从最早的依靠和发动群众改造“四类分子”,到后来维护农村治安,再到预防化解矛盾,直到现在以群众工作统领社会治理创新,都把党的领导和群众路线紧密结合起来。事实证明,“枫桥经验”的根基在人民,血脉在人民,力量在人民。

基于建立好的SWAT模型,本文分S1(1980-1989年)、S2(1990-1999年)、S3(2000-2009年)、S4(2010-2014年)四个时期来进行温榆河上游流域的径流模拟,分别用1985年、1995年、2005年、2010年的土地利用图来代表 S1、S2、S3、S4时期的土地利用格局。为了评估土地利用变化和气候变化对流域径流的影响,采用控制变量法对四个时段和四期土地利用数据进行组合,设置如下变化情景。

 

表4 研究区径流参数率定结果T ab.4 Calibration results of runoff parameters

  

序号 参数名称 参数变更方法 最佳参数值1 ALPHA_BF.gw v__ 0.878 1 2 GW_DELAY.gw v__ 39.906 9 3 GWQMN.gw v__ 553.992 6 4 CN2.mgt r__ -0.458 7 5 SOL_AWC.sol r__ 0.145 7 6 ESCO.bsn v__ 0.243 6 7 GW_REVAP.gw v__ 0.096 6 8 EPCO.bsn v__ 0.579 3 9 SOL_K.sol r__ -0.321 5 10 SU RLAG.bsn v__ 2.942 5 11 REVAPMN.gw v__ 355.292 5 12 CANMX.hru v__ 42.289 6 13 RCHRG_DP.gw v__ 0.054 2 14 CH_K2.rte v__ 28.003 1 15 CH_N2.rte v__ 0.203 9 16 SFTMP.bsn v__ 2.327 8

温榆河上游流域月尺度径流模拟在率定期和验证期的相关系数R2分别为0.80、0.77,纳什系数Ens分别为0.79、0.74,说明SWAT模型在温榆河上游流域模拟效果良好(见图5、图6)。

研究区的径流模拟最终划分了38个子流域和356个水文响应单元。模型率定过程共进行了11次迭代,即5 500次模拟,得到最佳参数值,见表4。其中“v__”表示现有的参数值将被给定的值取代,“r__”表示现有的参数值将乘以(1+给定的值)。

  

图5 率定期月径流实测值和模拟值Fig.5 M easured and simulated values of monthly runoff in calibration period

  

图6 验证期月径流实测值和模拟值Fig.6 Measured and simulated values of monthly runoff in verification period

3.3 土地利用变化和气候变化对流域径流量的影响

将10种情景组合为3组(A、AB1、AB2、B为一组,B、BC1、BC2、C 为一组,C、CD1、CD2、D 为一组),进行各组组内对比研究(表5-表7)。如第一组内,与 A情景相比,B情景模拟径流量增加了1.034 1 m3/s,代表了S1时期(1980-1989年)到S2时期(1990-1999年)气候变化、土地利用变化的综合影响。AB1与A相比模拟流量增加了1.022 4 m3/s,占总变化的98.87%,代表了气候变化的影响。AB2与A相比模拟流量增加了0.018 2 m3/s,占总变化的1.76%,代表了土地利用变化的影响。需要指出的是,由于气候变化与土地利用变化之间存在相互作用,二者的贡献率之和大于1。

 

表5 S1时期到S2时期径流变化情况Tab.5 Runoff changes from S1 period to S2 period

  

情景 A AB1 AB2 B流量模拟值/(m3·s-1) 3.451 1 4.473 5 3.469 3 4.485 2变化量 +1.022 4+0.018 2+1.034 1变化占比(%) 98.87 1.76

据表5,S1时期到S2时期气候变化和土地利用变化都使得流域的径流量增加,且气候变化对流域的径流变化的贡献远大于土地利用变化。由前文的气象因子统计分析可知,近35年降雨和气温均呈上升趋势,由此推测从S1时期到S2时期气候变化使得径流量增加,可能原因是降雨增加对径流的正驱动大于蒸散发对径流的负驱动。根据前文的土地利用变化趋势分析,从S1时期到S2时期,林地耕地面积减少,城乡建设用地增加,也许可以这样解释土地利用变化使得径流增加:林地耕地面积减少,使得土壤蒸腾和植被蒸散发减少,森林冠层及其枯落叶层的截留作用而导致的降水损失也减少,从而导致径流增加;相关研究指出,城乡建设用地的增加使得不透水地面增加,透水地面减少,截断了雨水通过地表下渗土壤的途径,导致地表径流和径流产流系数的增加[23]

 

表6 S2时期到S3时期径流变化情况T ab.6 Runoff changes from S2 period to S3 period

  

情景 B BC1 BC2 C流量模拟值/(m3·s-1) 4.485 2 3.016 1 4.462 3 3.029 5变化量 -1.469 1-0.022 9-1.455 7变化占比(%) 100.92 1.57

据表6,S2时期(1990-1999年)到S3时期(2000-2009年)温榆河上游流域径流量减少,气候变化和土地利用的变化都使得流域的径流量减少,其中气候变化的贡献率为100.92%,土地利用变化的贡献率为1.57%,气候变化对流域的径流变化起主导作用。从S2时期到S3时期气候变化使得径流量减少,可能原因是降雨增加对径流的正驱动小于蒸散发对径流的负驱动。从S2时期到S3时期草地面积有明显的增加趋势,草地对雨水具有很好的持水性,使地表产流有所减少,从而使得径流量减少。

 

表7 S3时期到S4时期径流变化情况T ab.7 Runoff changes from S3 period to S4 period

  

情景 C CD1 CD2 D流量模拟值/(m3·s-1)3.029 5 3.119 7 3.032 1 3.118 3模拟值变化量 +0.090 2+0.002 6+0.088 8变化占比(%) 101.58 2.93

据表7,S3时期(2000-2009年)到S4时期(2010-2014年)温榆河上游流域径流量增加,气候变化和土地利用的变化都使得流域的径流增加,其中气候变化的贡献率为101.58%,土地利用变化的贡献率为2.93%,气候变化对流域的径流变化起主导作用。综上,可以得出1980-2014年这35年来,气候变化对温榆河上游径流量变化的贡献率为100.46%,土地利用变化对径流变化的贡献率为2.09%,气候变化的影响远远大于土地利用变化的影响,也从侧面反映了温榆河上游流域的水文循环过程受人类活动干扰较小。

4 结论

SWAT模型被证明是评估温榆河上游流域环境变化(包括土地利用变化和气候变化)水文响应的有力工具,模型率定期的纳什系数Ens、相关系数R2分别为 0.79、0.80,验证期为 0.74、0.77,表明SWAT模型在温榆河上游模拟效果良好。1980-2014年流域年降雨量以13.71 mm/(10a)的速率逐渐增加,年平均气温以0.422 1℃/(10a)的速率递增,1985-2010年林地和耕地减少,城乡及工矿和居民用地增加,草地在1995年到2005年间增加。这些变化综合影响了流域的径流变化,使得1980-2014年35年来,流域径流先增加后减少,其中气候变化的贡献率为100.46%,土地利用变化的贡献率为2.09%,气候变化的影响远远大于土地利用变化的影响,因此温榆河上游流域的水资源管理中要切实做好应对气候变化对策。土地利用变化在本研究中对径流变化略有影响,可能是因为上游流域土地利用变化的程度相对较小。由于获取的资料有限,本研究只研究了温榆河上游流域,温榆河中下游流域有待进一步研究,中下游地区土地利用格局变化较大,土地利用变化的影响值得更多关注。

夏国忠让战士们检查武器装备,负伤的做好简单包扎治疗,派几个人严密监视敌人的动向,其它人好好休息一下,为最后的战斗做好准备。

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杨沫霞,马文林,张质明,张君枝
《南水北调与水利科技》2018年第03期文献

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