【水文泥沙】土地利用/土地覆被变化的水文效应模拟王韶伟(北京师范大学水科学研究院水沙科学教育部重点实验室,北京100875摘要:通过SWAT模型数据库的建立、参数敏感性分析、率定、验证,模拟了泾河流域1992—2001年的月流量过程,并将构建的5种不同土地利用/土地覆被情景分别输入SWAT模型,模拟土地利用/土地覆被变化的水文效应。结果表明:随着草地和林地面积的增加,年均流量减小;地表裸露无植被时,年均流量比模拟期增大20.36%;地表全部为林地草地时,年均流量比模拟期减小7.68%;退耕还林和土地进一步退化时,年均流量均有所增大,但增幅不大。关键词:土地利用;土地覆被;水文效应;SWAT模型;泾河流域:X143文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.100021379.2010.05.011随着资源、环境和人口问题的日益突出,土地利用/土地覆被变化已成为全球变化研究的热点[1-3],其对区域水资源、水文过程、干旱、洪涝灾害和社会经济的影响以及可持续发展适应对策,已成为土地利用/土地覆被变化研究领域的重要课题,流域尺度的土地利用/土地覆被变化水文效应研究也日益活跃[4-7]。随着计算机技术的发展,基于GIS技术、具有物理基础的分布式水文模型为分析土地利用/土地覆被变化的水文效应提供了更有效的手段。然而,用模型模拟土地利用/土地覆被变化的水文效应只是刚刚起步,研究工作还比较薄弱[8]。近年来,泾河流域开展了大规模的水土保持工作,土地利用/土地覆被发生了显著的变化。笔者借助SWAT(SoilandWaterAssessmentTool模型[9-10]模拟了各种土地利用/土地覆被情景下泾河流域径流量变化。1模型概述SWAT模型是美国农业部(USDA农业研究局(ARS在SWRBB模型基础上发展起来的一个长时段流域分布式水文模型,具有很强的物理基础。作为流域尺度的模型,SWAT可以用于模拟地表水和地下水的水质、水量,预测土地管理措施对大尺度流域水文、泥沙和农业化学物质的影响。1.1SWAT模型的特点从模型结构看,SWAT属于第二类分布式水文模型[11],即在每一个网格单元(或子流域上应用传统的概念性模型来推求净雨,再进行汇流演算,最后求得出口断面流量。从建模技术看,SWAT采用先进的模块化设计思路,水循环的每一个环节对应一个子模块,十分方便模型的扩展和应用。从运行方式看,SWAT采用独特的命令代码控制水流在子流域间和河网中的演进过程,使添加水库调蓄作用变得异常简单。SWAT模型功能强大,能够用来模拟和分析水土流失、非点源污染、农业管理等,并能在资料缺乏地区建模,在加拿大和北美寒区得到了较为广泛的应用[6]。SWAT模型的主要版本有SWAT94.2、SWAT96.2、SWAT98.1、SWAT99.2、SWAT2000、SWAT2003以及SWAT2005[9-10]。目前较为成熟的版本是SWAT2005,其主要技术优势是在基于Arc2Map平台的ArcSWAT模块上加入了参数自动敏感性分析和参数自动优化模块,模型运行效率较高。1.2SWAT模型的水文过程模型中采用的水量平衡方程为SWt=SW+∑ti=1(Rday-Qsurf-Ea-Wseep-Qgw(1式中:SWt为土壤最终含水量,mm;SW为土壤前期含水量,mm;t为计算时段,d;Rday为第i天降雨量,mm;Qsurf为第i天的地表径流深,mm;Ea为第i天的蒸发量,mm;Wseep为第i天土壤侧向流量,mm;Qgw为第i天地下径流量,mm。SWAT模型提供了两种计算地表径流量的方法:SCS曲线法和GreenAmpt入渗法。因研究中采用日平均降雨数据,故选用SCS曲线方法。SCS曲线法是以美国一些小流域降雨径流关系为基础的,可以用于不同土地利用和土壤类型区。SWAT模型提供了Penman-Monteith、Priestley-Taylor和Hargreaves等计算潜在蒸散发能力的方法,笔者选用Penman-Monteith法。SWAT模型采用动力贮水方法计算壤中流,下渗到土壤中的水以不同的方式运动,可以被植物吸收或蒸腾而损耗,可以渗漏到土壤底层最终补给地下水,也可以形成壤中流。2SWAT模型在泾河流域的应用2.1泾河流域概况泾河发源于泾源县,流经宁夏、甘肃、陕西3省(区,注入收稿日期:20091020基金项目:国家自然科学基金资助项目(50579003;教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20040027005。作者简介:王韶伟(1983—,男,河南陕县人,博士研究生,研究方向为水文与水资源。2@第32卷第5期人民黄河Vol.32,No.52010年5月YELLOWRIVERMay,201012-1Email:wangshaoweimail.b...