考虑土地利用/覆被变化的集总式流域水文模型及应用

为了定量评估土地利用／覆被变化的水文水资源效应，提出考虑土地利用／覆被变化的集总式流域水文模型。该模型基于中国科学院土地资源分类系统的一级类型，将流域划分为6种不同土地利用及覆被变化类型；在每一类土地利用及覆被变化面积上，分别考虑蒸发和下渗的差异，并利用蓄满一超渗耦合产流模型计算该面积上的地表径流量和地面以下径流量；利用地貌汇流模型和线性水库模型将每类面积上的地表径流量和地面以下径流量演算至流域出El断面，从而得到流域的水文过程。模型参数包括流域地貌特征参数、产流参数和汇流参数，前者可以根据地理信息系统技术和遥感技术获得，而后者则需要根据流域的水文资料通过最优化方法求得。利用无定河流域1980-2000年的逐日降雨、蒸发及流量资料对该模型进行了参数率定与检验，率定期1986-2000年的水量平衡系数为0．999，年径流深合格率为100．0％；检验期1980-1985年的水量平衡系数为0．953，径流深合格率为83．3％，计算结果表明该模型在无定河流域具有良好的适应性。对模型产汇流参数进行合理性分析，得出无定河流域不同土地利用类型蒸发能力的相对大小关系为耕地〉林地〉草地〉未利用土地。     

基于河链结构和LUCC的分布式流域水文模型及径流响应

为了定量评估土地利用/覆被变化的水文水资源效应,并考虑流域水文效应的空间差异,提出考虑土地利用/覆被变化的分布式流域水文模型。该模型基于Shreve河链概念对流域河网进行单元划分,基于中国科学院土地资源分类系统的一级类型,将流域划分为6种不同土地利用及覆被变化类型;在每一类土地利用及覆被变化面积上,分别考虑蒸发和下渗的差异,并利用蓄满-超渗耦合产流模型计算该面积上的地表径流量和地面以下径流量;利用地貌汇流模型和线性水库模型将每类面积上的地表径流量和地面以下径流量演算至流域出口断面,从而得到流域的水文过程。模型参数包括流域地貌特征参数、产流参数和汇流参数,前者可以根据地理信息系统技术和遥感技术获得,而后者则需要根据流域的水文资料通过最优化方法求得。利用大理河流域1981—1990年的逐日降雨、蒸发及流量资料对该模型进行了参数率定和检验,率定期1981—1987年的水量平衡系数为0.993,年径流深合格率为100.0%;检验期1988—1990年的水量平衡系数为1.230,径流深合格率为66.667%,计算结果表明该模型在大理河流域具有良好的适应性。并以2000年大理河流域的土地利用/覆被状况为基准,计算得到流域的基准径流深为30.36 mm,并对大理河流域未来土地利用情况进行情景分析,为充分发挥小流域(或单元)水土保持措施带来的各种效益提供参考依据。     

中国中小河流气候和下垫面与产汇流过程关系研究

构建340个中小河流域80个气候和下垫面因子,探讨了水文模型模拟效率对环境因子的敏感性,分析了产汇流因子与环境因子的相互关系。结果如下:① 同类型气候和下垫面因子存在显著相关,不同类型环境因子相关系数相对较低;中国中小河流域大致可分为南方地区,北方地区和西北地区;② 将环境因子分类进行主成分分析的方差解释率显著增加,气候、植被和土地利用、土壤、地形的流域分类效果较好,地貌和地质、人类活动和流域形态的分类效果不理想;③ GR4J模型在中国河流的适用性良好,模型效率显著相关的因子主要集中在气候、植被和土壤,其中影响最大的气候和下垫面因子为干燥度、黏土含量和叶面积指数;④ 水文模型参数中,产流水库容量影响因素包括气候、地貌、土壤、地形、人类活动和流域形态;地下水交换系数影响因子为地貌和地质、地形、人类活动;汇流水库容量影响因子主要有植被、土壤、地貌和流域形态;单位线汇流时间的影响因素集中在气候、土壤和流域形态。     

基于DEM的水文物理过程模拟

基于数字高程模型,考虑流域空间的变异性,建立数字高程流域水系模型。产流子单元的划分、河网水系的生成及其空间拓扑关系的建立,是由计算机自动完成。计算TOPMODEL地形指数ln(a/tgβ)_i的空间累积分布曲线,并对其作无量纲化处理,推求各产流子单元的土壤蓄水容量分布抛物线参数B,构建数字水文模型。全球能量与水循环亚洲季风试验强化观测区—淮河史灌河流域实例研究表明:数字模型不仅可以很好地模拟流域出口断面的径流过程,而且能够模拟土壤水分的变化过程,还可十分方便地输出水文要素和状态变量的空间分布。这对充分利用现有观测信息进行水文数据的深层次挖掘奠定了基础。     

SWAT模型在伊犁河上游缺资料区的应用

 在分布式水文模型中,探索产生分布式降水数据的方法是该领域研究的热点之一,发展基于水文物理过程的模型校准方法是实践PUB的热点与难点。基于SWAT分布式水文模型,以资料稀缺的伊犁河上游为研究区域,针对流域的水资源评价关键问题,首先准确描述区域的降水空间分布特征,并基于流域水文过程采用综合流域特征、多时间尺度、多变量和多站点的适宜性模型校准新方法,取得了满意的模拟结果,表明模型较好地再现了流域的水文过程。另外,完善水文机理研究,提高降水及下垫面相关参数的观测水平是改善模型模拟的有效途径。     

基于栅格数据的流域降雨径流模型

本文在研究降雨时空分布不均匀与下垫面自然地理参数空间分布不均匀，对降雨径流过程影响的基础上，提出了一种在地理信息系统支持下的动态分布式降雨径流流域模型，实现了基于栅格的坡面产汇流与河道汇流的数值模拟，能够获得流域上任意模拟时刻任意栅格的径流量。模型视栅格为水文一致性单元，水文参数在栅格内一致，在相邻栅格间变化，采用Ｈｏｌｔａｎ模型计算下渗率，水量平衡方程和线性水库的马斯京根法进行栅格产汇流演算，模     

流域土地利用/覆被变化水文效应研究的方法评述

将流域土地利用/覆被变化(LUCC)水文效应研究的主要方法归结为3类:流域对比试验法、水文特征参数法和流域水文模型模拟法.流域对比试验法适用于较小流域,试验结果比较容易获得,但不易找到主要影响因子,对比性差,研究周期长;水文特征参数法是一种简洁的分析LUCC水文效应的方法,资料丰富更有助于提高其应用价值,但该法只能判断流域内的水文响应是否发生了变化,无法解释水文变化的机理;水文模型模拟法的种类较多,其中基于物理机制的分布式水文模型更适于研究人类活动造成的水文效应,其参数物理意义明确,且充分考虑了空间异质性,在模拟LUCC的水文效应方面,该方法具有较为明显的优势,特别是在计算机技术、3S技术日趋成熟及数据库建设不断完善的条件下,其优势更明显.针对现阶段国外比较常用的10种流域水文模型,分析了它们的结构及特点,旨在对流域LUCC的水文效应研究提供基础.     

中小流域暴雨洪水计算及参数地理综合研究进展

中小流域暴雨洪水计算及其参数综合在洪水灾害防治中起着关键作用。变化环境引发暴雨洪水等水文极值增加,中小流域暴雨洪水灾害面临严峻挑战。文章对中小流域暴雨洪水计算全过程及参数综合研究进展进行系统回顾、梳理和总结,并对目前常用的产汇流计算方法及其参数在实际应用中存在的问题和局限性进行探讨。流域下垫面和暴雨特性的空间异质性大,产流损失根据其地理特征形成以经验和半经验方法为主的计算方法;汇流计算以推理公式和单位线法为主,流域地形地貌汇流特征能基本反映,但流域形状和微地形在当前计算方法中反映甚少;当前使用的参数成果均由20世纪80年代前的数据得到,限于资料精度和技术水平,参数综合要素较为简单,多地出现不适用现象,亟需开展新一轮的暴雨洪水计算参数综合;在中小流域暴雨洪水过程模拟及实时预报上,结合雷达测雨、高分辨率遥感、高性能计算和深度学习等技术方法的研究已初具规模,建议加强利用新兴技术计算流域产汇流参数,推进其在暴雨洪水设计上的应用。     

基于分层策略和模糊推理的北方石质山区土壤厚度制图——以滦平县虎什哈流域为例

土壤厚度信息对土壤碳储量估算、水文-生态过程模拟等有着重要影响,但我国北方石质山区缺乏现势性好、分辨率高的土壤厚度分布数据及其快速获取方法。基于北方石质山区土壤厚度的分布特点,先将地貌信息和植被类型叠加生成制图单元,再根据每类单元的特征,针对性地选取地形参数和地表覆被参数作为指示土壤厚度空间分布的环境变量,结合少量土壤样点,依据模糊推理模型,构建了基于分层制图策略的土壤厚度空间推测方法。以河北省滦平县虎什哈流域为例,利用从ASTER GDEMs提取的地形变量和从我国环境减灾卫星影像(HJ-A)提取的地表覆被信息对土壤厚度进行了推测。结果表明,该方法精度较高,是利用免费地形和遥感数据进行低成本快速土壤制图的实用途径。     

我国西南岩溶流域概念性分布式 水文模型的构建及应用

以贵州省三岔河流域为研究区,构建了一个以表层岩溶带产流过程为核心的岩溶流域概念性分布式水文模型。模型充分考虑了岩溶地区下垫面条件的复杂性,根据含水介质的不同,将岩溶水分为不同径流成分并分别汇流演算。模型中的大部分参数通过野外实验直接获得,通过对研究区1991―2012年共22 a逐日过程进行模拟演算,结果表明：该模型在三岔河流域有良好的适用性,径流深及洪峰误差均控制较好。     

多尺度土地利用与土壤侵蚀

土地利用能够通过改变一系列的自然现象和生态过程影响土壤侵蚀,尺度不同,土地利用与土壤侵蚀的作用机制也会发生变化。本文针对坡面尺度、小流域／流域尺度和区域尺度,综述了不同尺度上土地利用对土壤侵蚀的影响研究。其中,在坡面尺度上,土地利用与土壤侵蚀的研究主要包括土地利用方式和土地管理措施对土壤侵蚀的影响,相应尺度上的模型有USLE／RUSLE、WEPP等;在小流域／流域尺度上,土地利用与土壤侵蚀的研究主要涉及土地利用结构和土地利用格局对土壤侵蚀的影响,相关的模型有LISEM、AGNPS、EUROSEM和SEDEM等;在区域尺度上土壤侵蚀评价研究主要是通过尺度上推和宏观因子评价的方法进行。多尺度土地利用与土壤侵蚀研究作为自然地理学研究中的热点问题,在进一步的研究中需要关注多尺度综合与尺度转换、土地利用政策效应、土地利用格局与土壤流失过程等方面的研究内容。     

A review of runoff generation and soil erosion across scales in semiarid south-eastern Spain

Climate, lithology, soil and especially, intense land use/cover changes, make SE Spain very vulnerable to runoff generation and water erosion leading to loss of nutrients and organic matter and to infrequent but devastating floods, reservoir siltation and mass failures. This susceptibility has led to heavy economic investment and research efforts since the 1980s, making this region a worldwide reference for understanding the hydrology and geomorphology of semiarid ecosystems. Runoff and soil erosion have been intensively studied throughout the last decades in various natural ecosystems as well as in abandoned farmlands. Research has considered a wide range of methods and spatial and temporal scales. This paper reviews the methods and data describing runoff generation and water erosion, synthesising the key processes involved, rates, thresholds and controlling factors from a scale-dependent perspective. It also identifies the major gaps in current knowledge to provide recommendations for further research towards solutions that reduce the negative impacts of erosion. Research in SE Spain has contributed significantly to a better understanding of the effect of spatial and temporal scale on runoff and sediment yield measurements, and highlighted the important role of distinct erosion and sediment transport processes, hydrologic connectivity, spatial and temporal patterns of rainfall, the occurrence of extreme events and the impacts of land use changes. The most effective ways and challenges to predict runoff, soil erosion and sediment yield at the catchment scale are also discussed.     

北京地区径流曲线数模型中的径流曲线数

径流曲线数模型(SCS-CN模型)是国内外最受欢迎的地表径流评价方法,该模型只需综合参数--径流曲线数(CN),该参数反映降雨前流域的地表和土壤特征。本文的目的是确定北京地区径流曲线数模型中的径流曲线数。研究采用了北京密云、延庆、门头沟64个坡面径流小区的降雨径流资料,用算术平均值法计算出小区径流曲线数值,用定水头法测定了北京主要土壤类型和土地利用类型的饱和导水率,用经验公式确定出64个坡面径流小区的饱和导水率值,并根据饱和导水率确定了北京地区和坡面径流小区的水文土壤组类型,得到了北京不同水文土壤组、土地利用下的径流曲线数数据库。结果表明:北京地区主要水文土壤组为B类;土地利用、水土保持措施、植被盖度和前期土壤湿度等对径流曲线数有显著影响;根据北京径流小区径流资料得到的径流曲线数值比美国土壤保持局查算表提供的数值要大。本研究结果可为该区域的地表水资源量评价以及土地利用管理提供服务。     

东北地区融雪期径流及产沙特征分析

严重的水土流失已威胁到东北地区的土地资源,融雪径流及其造成的侵蚀作为该地区水土流失的重要组成部分,但相关研究较少。本文利用全区93个气象站降水资料,分析了东北地区降雪与积雪的基本特征。利用27个典型流域水文站径流泥沙资料,分析了融雪期内径流与产沙特征。结果表明:东北各地雪期长度为5~8个月,自南向北逐渐延长。年降雪量占年降水总量的比例多在7~25％,由此形成的融雪期径流深占全年径流深比例达13.3~24.9％,融雪期输沙模数占全年输沙模数比例达5.8~27.7％。融雪期流域输沙模数受地貌影响十分显著:丘陵漫岗区降雪量和径流深均低于山区,但输沙模数平均为山区的2.9倍。融雪输沙模数与流域面积有十分显著的幂函数递减关系。为揭示融雪侵蚀影响因素及其作用机理,今后应加强融雪期内流域侵蚀及产沙监测。     

山区土地利用/覆被变化对土壤侵蚀的影响

本文以福建省山区为例,在对福建省水土保持实验站、建瓯市牛坑龙水土保持试验站长期观测、实验资料深入分析对比的基础之上,探讨了土地利用/土地覆被变化对土壤侵蚀的影响规律。分析结果表明,土地利用/土地覆被变化对径流的产生和土壤侵蚀有重要影响,植被的覆盖度的变化直接影响着径流系数和土壤侵蚀模数;植被的覆盖度和径流系数呈负线性关系,随着覆盖度的增加径流系数逐渐减小;植被覆盖度和土壤侵蚀模数为负指数关系,随着植被覆盖度的增大,土壤侵蚀模数急剧下降。     

RUNOFF PRODUCTION AND EROSION PROCESSES ON A DEHESA IN WESTERN SPAIN*

ABSTRACT. Runoff generation and soil erosion were investigated at the Guadalperalón experimental watershed (western Spain), within the land‐use system known as dehesa, or open, managed evergreen forests. Season and type of surface were found to control runoff and soil‐loss rates. Five soil units were selected as representative of surface types found in the study area: hillslope grass, bottom grass, tree cover, sheep trails, and shrub cover. Measurements were made in various conditions with simulated rainfall to gain an idea of the annual variation in runoff and soil loss. Important seasonal differences were noted due to surface cover and moisture content of soil, but erosion rates were determined primarily by runoff. Surfaces covered with grass and shrubs always showed less erosion; surfaces covered with holm oaks showed higher runoff rates, due to the hydrophobic character of the soils. Concentrations of runoff sediment during the simulations confirmed that erosion rates at the study site depended directly on the sediment available on the soil surface.     

流域LUCC水文效应研究中的若干问题探讨

随着全球变化研究的深入,土地利用/覆被变化(LUCC)的水文效应研究日益成为热点问题。综合国内外研究进展,论文就流域土地利用/覆被变化水文效应研究中的几个问题进行了总结和探讨：子流域和水文响应单元是分布式水文模型对流域基本空间单元的理想划分;对国内外现有的土地利用分类系统进行了适当的调整和归并,建立了基于水文响应研究的土地利用分类系统,将土地利用分为9个Ⅰ级类和21个II级类;土地利用/覆被变化情景分析的常用方法有参照对比法、历史反演法、模型预测法、极端土地利用法、土地利用空间配置法等。     

Runoff and Soil Erosion on Slope Cropland: A Review

Soil erosion has become a serious environmental problem worldwide, and slope land is the main source of soil erosion. As a primary cover of slope land, crops have an important influence on the occurrence and development of runoff and soil erosion on slope land. This paper reviews the current understanding of runoff and soil erosion on slope cropland. Crops mainly impact splash detachment, slope runoff, and sediment yield. In this review paper, the effects of crop growth and rainfall on the splash detachment rate and the spatial distribution of splash detachment are summarized. Crop growth has a significant impact on runoff and sediment yield. Rainfall intensity and slope gradient can influence the level of erosive energy that causes soil erosion. Furthermore, other factors such as antecedent soil water content, soil properties, soil surface physical crust, and soil surface roughness can affect soil anti-erodibility. The varying effects of different crops and with different influence mechanisms on runoff and soil erosion, as well as changes in their ability to influence erosion under different external conditions should all remain focal points of future research. The effect of crop vegetation on runoff and soil erosion on slope land is a very important factor in understanding large-scale soil erosion systems, and in-depth study of this topic is highly significant for both theory and practice.     

SWAT模型参数敏感性分析及应用

地理信息系统(GIS)支持下的SWAT(Soil and Water Assessment Tool)分布式水文模型以流域离散化空间参数来描述流域水文变化特性,从物理意义上表达流域内的水文过程,但众多不确定的参数影响了模型的应用效果,因此有必要对参数进行敏感性分析。将SWAT模型应用到祁连山黑河上游山区流域,进行了11年(1990-2000年)逐日径流模拟,通过一个简便的敏感性分析方法,将模型影响水文过程的参数分成4类敏感级别,最后确定模型的参数。在11年的逐日模拟中,1990-1995年为参数敏感性分析期和模型率定期,1996-2000年为模型的检验期,模拟结果显示,在黑河山区流域,丰水年逐日出山径流的模型效率系数R2达到0.8以上,平水年和枯水年R2在0.51~0.79之间。     

A review of underlying surface parameterization methods in hydrologic models

Journal of Geographical Sciences - Numerous topography, land-cover, land-use, and soil-type parameterization methods are required to simulate the hydrologic cycle. In this paper, using the...