基于SWAT模型未来土地利用情景的水文响应研究

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全球气候变化及人类活动使环境发生变化。在短期尺度上,人类活动造成土地利用方式的变化对水文的影响更加明显。土地利用变化同全球变化的其他要素一样,必然会对流域水文过程产生一定影响,引发水土流失、土地退化等流域生态环境问题。因此研究土地利用变化下的水文响应,不仅具有重要的学术意义,而且对于水资源可持续利用和生态环境保护等问题都有重要的现实意义和实用价值。本文以淮河上游长台关流域为研究区域,采用CLUE-S模型及土地适宜性评价构建流域未来不同土地利用情景。建立流域SWAT模型,利用验证好的SWAT模型分析未来不同土地利用情景下的水文响应,以期为该流域水资源管理、土地管理及规划提供有效依据。主要内容和结论如下:  1)以流域2000年土地利用为基准年,采用CLUE-S模型模拟2010年土地利用,经验证,Kappa值为0.848,模拟精度较好。作为面积变化较大的水田、旱地,正确模拟栅格比例也都达到了75%以上,说明模拟结果与实际结果具有较高的一致性,可用于长台关流域未来土地利用的预测。  2)选取高程、坡度、坡向等评价因子,采用加权指数和模型对研究区耕地(水田、旱地)进行适宜性评价,评价结果栅格图分别与2000年土地利用现状图叠加,得到流域2000年水田、旱地适宜性等级图。保留水田、旱地适宜性高的地区,将23%勉强适宜、不适宜的水田、旱地进行退耕还林,得到研究区最佳土地利用图。  3)运用SWAT模型模拟研究区水文过程,选取1980-1981年为模型预热期,1982-1993年为率定期,1994-2003年为验证期对研究区进行月径流模拟。经验证,率定期和验证期的Ens和R2均为0.95,且相对误差也控制在±4%之内,说明该模型在能比较准确的模拟该流域的径流,具有较好的适用性,可用于该流域土地利用变化水文响应的相关研究。  4)构建研究区未来土地利用情景:自然发展情景(S1)、规划发展情景(S2)、最佳土地利用情景(S3)。输入未来不同情景的土地利用,保持其他参数不变,对流域进行模拟。结果表明,规划发展情景、最佳土地利用情景水文响应结果较好,主要是因为退耕还林使林地增加,径流年内分配更加均匀,保持水土、涵养水源的能力较好。而自然发展情景大面积旱地转水田,减小了地表径流,同时减小了地下径流、增加输沙量。  5)土地利用变化在不同水文年对径流的影响程度不一样,枯水年减小趋势最为显著,其次是平水年,丰水年影响最小。水田、旱地、城乡及民用地均与地表径流深呈正相关关系,其贡献系数大小顺序为城乡及民用地>旱地>水田,而林地与地表径流深呈负相关关系,从贡献系数的绝对值来看,林地的贡献系数比城乡及民用地的贡献系数小。对各子流域空间进行分析可知,各子流域的水文响应有好有差,每个子流域的变化都较明显,但流域总出口处水文响应差别不大。
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