TRMM及GPM降水数据在高寒内陆河流域的准确性评估

降水数据的准确性和时空分辨率成为水文过程模拟的关键。卫星遥感降水资料的日益丰富为资料缺乏区的水文模拟带来了新的突破。本研究拟在资料缺乏、下垫面复杂,观测难、建模难的柴达木盆地高寒内陆河流域—巴音河中上游,基于近5年的TMPA 3B42、GPM IMERG V5及GPM IMERG V6逐日降水数据和气象站点观测数据建立SWAT模型,采用流域出口径流数据及不同的参数化方案分别率定4个模型,比较和探究不同数据在巴音河流域的适用性。结果表明：① 在月、年尺度上,实测降水数据及TMPA 3B42 V07对应的SWAT模型径流模拟效果较好,前者模拟精度较后者仅高6%~12%,且二者对于流域水量平衡的刻画均较准确。说明TMPA 3B42数据对应的径流模拟结果误差相对较小,可直接用于高寒内陆河流域水文模拟;② GPMIMERG V5数据对应的那什系数N_SE值为0.13（月）、-1.58（年）,误差百分数P_BIAS值为41.2%（月、年）,均方根误差与标准误差比率R_SR值为0.93（月）、1.61（年）,其径流模拟误差较大,模拟效果不可信,说明GPMIMERG V5数据集并不适用于巴音河流域水文模拟;③ GPMIMERG V6-F对应的月径流模拟结果明显优于GPMIMERG V5-F,前者模拟精度较后者提高4倍,但其模拟的年径流对应的N_SE值为-0.12,R_SR值为1.09。该研究可为资料缺乏的高寒内陆河流域生态水文过程模拟提供参考。     

SWAT模型对高精度土壤信息的敏感性研究

土壤信息是SWAT模型的重要输入数据,通常认为,土壤信息的精度直接影响着模拟结果的准确性。本文以美国Brewery Creek流域(19.5km²)为例,在其他输入不变的情况下,通过比较不同精度土壤数据(美国农业部SSURGO土壤图与SoLIM方法获得的土壤图)的模拟径流,分析SWAT模型对高精度土壤信息的敏感性。应用结果显示,在模型的校正前后,两种土壤数据的径流模拟结果均近似,差别并不显著。这表明在小流域水文模拟中,SWAT模型的径流模拟对高精度土壤信息的敏感性较弱,模拟径流不能很好的体现一定精度基础上土壤信息的差别。本文将此现象主要归因于:SWAT模型所采用的SCS-CN径流计算方法,在计算CN值(Curve Number)时将不同土壤类型综合到四个土壤水文组的做法,概括了土壤信息,模糊了土壤之间的属性差别,损失了土壤精度信息。本研究发现了SCS-CN径流计算方法在利用高精度土壤数据时存在的问题,并进行了分析,为水文模拟中参数的确定和数据的准备提供了参考。     

川中紫色丘陵区径流泥沙SWAT模型的模拟应用分析

针对川中丘陵区紫色土坡耕地严重水土流失,选取典型代表李子溪流域为研究区,构建了其SWAT的模型数据库,包括地形、土壤、气象和土地利用数据库。并利用赵家祠水文站1970-1979年的实测径流和泥沙资料,对该流域的SWAT模型参数进行率定再采用1980-1986年的实测资料,对模型的适用性进行验证,同时用相对误差Re和Nash确定性系数Ens评价模拟效果。结果显示,径流和泥沙模拟相对误差均在±15%范围以内,Nash确定性系数均大于等于0.70,说明SWAT模型对李子溪流域年、月径流和年泥沙量的模拟精度较高。同时模拟值与实测值和降雨量的变化趋于一致。可见,用SWAT模型模拟和预测雨量较为丰沛、土壤侵蚀较严重的紫色丘陵地区的产流产沙是实用、可行的。     

基于遥感信息的新安江水文模型参数推求方法——以老灌河流域为例

我国水文气象站少且空间分布不均衡,水文模型参数难以获取极大限制了其在防洪预警中的应用。针对新安江水文模型在无水文资料地区应用的局限性,本文提出了一种基于遥感信息的新安江模型参数推求方法,实现了可率定的模型参数的推求:利用土壤特性与土地覆被遥感信息推求流域张力水蓄水容量;基于流域土地覆被遥感信息提取不透水面积比;利用流域土壤特性及叶面积指数遥感影像间接推算流域自由水蓄水容量。利用本文方法推求了老灌河流域新安江水文模型参数并进行了日径流模拟,实验结果表明,流域水文模拟中利用遥感信息推求出的模型参数的准确性可以达到80%以上。     

黑河山区流域平均坡长的计算与径流模拟

 流域平均坡长是侧向流和汇流时间计算的重要参数,其会影响地表径流的计算。应用SWAT 2005和ArcView GIS 3.2集成的AVSWAT模型,对黑河干流上游山区流域莺落峡出山口径流进行模拟,发现其计算的流域平均坡长存在较大误差,进而影响到模拟结果。利用子流域内已知的平均坡度和平均坡长建立回归方程,计算各子流域的平均坡长,替换AVSWAT计算的不合理值,在保持其他参数不变的情况下,模拟的月径流纳什系数从0.60提高到0.75,模拟结果得到显著提高。敏感性分析结果和径流曲线数(CN2)的分析也间接验证了流域平均坡长修正方法的可行性。在修正流域平均坡长后,对AVSWAT模型的其他参数CN2等进行优化,模拟的月径流的纳什系数达到0.81,表明本文建议的流域平均坡长计算方法是可以应用到实际的干旱区黑河流域并取得较好模拟效果。     

一种基于面积对称模型的土地利用/覆被真伪变化图斑检测方法

不同时相土地利用/覆被数据间的空间配准误差,是产生土地利用/覆被伪变化图斑的一个主要原因。本文从土地利用/覆被原始图斑与其相邻的变化图斑间的空间关系角度,提出了由同一原始图斑产生的土地利用/覆被伪变化图斑的面积对称理论,设计和实现了针对因空间配准误差而导致的土地利用/覆被伪变化图斑自动化检测模型,并以内蒙古自治区通辽市奈曼旗1980年和2000年两期土地利用/覆被图对该模型进行了实验模拟。结果表明：当两期数据的空间配准误差不超过原始影像1个像元时,总体检测精度达到90%以上;误差不超过5个像元时,总体检测精度达到80%以上;误差不超过原始影像10个像元时,总体检测精度达到70％以上。同时,由于运行时唯一需设定的面积对称系数阈值可设为0.2-0.4（默认设为0.3）,该检测模型可适用于由空间配准误差引起的伪变化图斑的自动检查,可满足由于空间配准误差所引起土地利用/覆被伪变化图斑剔除的需求。     

三江平原挠力河上游流域水文过程及其驱动力模型研究

以三江平原挠力河上游流域为研究对象,选择年均流量和洪峰流量两个水文参变量,对流域降水、耕地面积和各水文参变量的统计回归分析,分别建立水文过程的单因素模型,用于分析气候变化、土地利用变化对水文过程的影响。在定量区分土地利用变化和气候变化的水文效应基础上,利用最小二乘法建立基于降雨量和耕地面积两种因素的流域水文过程驱动力模型。研究结果表明:(1)1956-1975年间降雨量对水文过程的影响非常显著,之后影响逐渐降低,总体上为气候模型对年均流量的模拟能力高于洪峰流量;(2)流域耕地面积,自1954年以来不断扩张,但未对水文过程产生显著影响,对洪峰流量的影响高于对年均径流的影响;(3)研究区的水文过程驱动力模型的模拟效果较好,相比单因素模型,年均流量和洪峰流量的模拟精度均得到较大提高,RMSE分别为0.5和1.04;对年均流量的模拟精度更高一些,决定性系数为0.933;(4)总体上,研究区水文过程受气候变化的影响程度高于土地利用变化,但土地利用变化对水文过程的影响不容忽视,尤其是对洪峰流量的影响呈增大趋势。     

降雨径流与洪水淹没模型耦合的应用研究

洪水研究包括径流与淹没两种模式。为了探究流域降雨产汇流与淹没情况、提高洪水预报精度,本研究在传统流域水文模型的基础上耦合二维水动力学模型,建立水文-水动力耦合模型。以我国吉林温德河流域为研究实例,模拟了2017年“7·13”洪水在下游口前镇所处子流域洪水淹没过程。首先对基础数据进行预处理,建立HEC-HMS水文模型并进行参数优化后,最终获得流量过程水文结果作为水动力学模型边界条件,之后建立HEC-RAS二维水动力学模型对重要子流域进行淹没模拟。耦合模型计算结果显示,水文模型经多参数优化流量模拟的NSE系数为0.988,水动力计算最大淹没水深达9.3 m相对误差为-5.2%。从泛洪模拟结果来看,子流域上游部分的农田大量被淹,淹没水深范围在0.5~2.0 m,平均流速基本在1 m/s以下。下游口前镇内最大淹没水深接近1 m,水流速度0.2 m/s至1.5 m/s,与实际的淹没情况相吻合。研究表明,所建水文水动力耦合模型模拟计算的结果准确率较高,对具有复杂水文、水力条件的流域的洪水预报具有重要的指导意义。     

黑河中游地区作物用水效率比较及种植结构调整方向研究

黑河流域地处西北干旱区,水资源短缺是限制其中游绿洲农业发展、下游生态环境保护的首要原因。该流域的中游绿洲农业用水约占总用水量的80%,因此农业节水对流域发展至关重要。在干旱区绿洲农业节水探索中,众多学者主张通过节水技术来提高用水效率,而关于农业种植结构调整对农业节水影响的定量研究较少。本文采用2012年黑河流域蒸散发数据、土地利用数据、降水数据和农业经济统计数据,定量分析黑河中游主要作物需水特征和用水效率差异,尝试从调整作物种植结构角度为其绿洲农业节水提供依据。结果表明：(1)研究区4种主要作物中,玉米生长期需水量最大,其次为小麦、油菜和大麦;(2)考虑降水补给,发现大麦和油菜生长需水可很大程度上依赖降水,而小麦和玉米则需要灌溉,且玉米灌溉需水量远超小麦;(3)作物用水效率由高到低依次为大麦、油菜、小麦和玉米。从用水效率角度而言,考虑种植区位,在黑河中游适当扩大小麦种植规模更有利于提高中游农业用水效率。     

基于HASM方法的黑河流域潜在蒸发量的模拟

潜在蒸发作为研究蒸发及区域水循环的重要因素之一,其模拟结果对相关领域的研究应用具有重要影响。利用 2000-2009年“黑河流域每日四次常规气象观测数据集”所提供的12个气象站点的潜在蒸发数据,对黑河流域潜在蒸发量进行模拟。首先针对潜在蒸发的特点,分析影响研究区域潜在蒸发的气象因素、地理及地形因素,使用多项式回归和逐步回归的方法对研究区域潜在蒸发进行了背景趋势模拟,选出影响潜在蒸发的最优影响因素组合,在此基础上采用高精度曲面建模（HASM）方法,结合站点实测数据,对去掉趋势后的残差进行精度修正。本文使用kriging法、IDW法和Spline法插值所得潜在蒸发数据,以及“黑河流域1980-2010年3 km 6 h模拟气象强迫数据”作为对照,比较验证模拟精度。模拟结果表明：HASM方法模拟精度最高,模拟结果分布合理,表明该方法在潜在蒸发模拟中具有应用前景。该方法所得到的潜在蒸发数据可作为基础地理数据供相关研究应用。     

A Modified Groundwater Module in SWAT for Improved Streamflow Simulation in a Large,Arid Endorheic River Watershed in Northwest China

Interactions between surface water and groundwater are dynamic and complex in large endorheic river watersheds in Northwest China due to the influence of both irrigation practices and the local terrain. These interactions interchange numerous times throughout the middle reaches, making streamflow simulation a challenge in endorheic river watersheds. In this study, we modified the linear-reservoir groundwater module in SWAT (Soil and Water Assessment Tools, a widely used hydrological model) with a new nonlinear relationship to better represent groundwater processes; we then applied the original SWAT and modified SWAT to the Heihe River Watershed, the second largest endorheic river watershed in Northwest China, to simulate streamflow. After calibrating both the original SWAT model and the modified SWAT model, we analyzed model performance during two periods: an irrigation period and a non-irrigation period. Our results show that the modified SWAT model with the nonlinear groundwater module performed significantly better during both the irrigation and non-irrigation periods. Moreover, after comparing different runoff components simulated by the two models, the results show that, after the implementation of the new nonlinear groundwater module in SWAT, proportions of runoff components changed-and the groundwater flow had significantly increased, dominating the discharge season. Therefore, SWAT coupled with the non-linear groundwater module represents the complex hydrological process in the study area more realistically. Moreover, the results for various runoff components simulated by the modified SWAT models can be used to describe the hydrological characteristics of lowland areas. This indicates that the modified SWAT model is applicable to simulate complex hydrological process of arid endorheic rivers.     

土地利用/土地覆被变化CLUE-S模型与应用分析——以扬州市为例

本文以扬州市市辖区为例,利用2001年的ETM影像与2007年的ALOS影像两期遥感数据,采用面向对象的信息提取方法,获取了扬州市2001年与2007年两期土地利用空间分布图.在此基础上,研究了CLUE-S模型的原理及CLUE-S模型的应用;探讨了CLUE-S模型所需数据、驱动因子选取、模拟参数设置、模拟结果获取等,进...     

近30年来三江源自然保护区土地覆被变化分析

本文利用三江源地区20世纪70年代中后期、80年代末和2004年三期土地覆被的数据,分析了三江源18个自然保护区3个圈层的2004年的土地覆被类型特征,以及70年代中后期至80年代末,80年代末至2004年土地覆被类型的变化特征。结果表明:三江源18个自然保护区土地覆被均以草地为主,2004年草地占保护区面积的65.68%,其中,约古宗列保护区最高,为83.0%,格拉丹东保护区最低31.48%。2004年18个保护区土地覆被状况指数由高到低依次为玛可河>多可河>江西>麦秀>中铁-军工>白扎>东仲>通天河沿>年保玉则>阿尼玛卿>昂赛>扎陵湖-鄂陵湖>当曲>果宗木查>星星海>索加-曲麻河>约古宗列>格拉丹东。1970年中后期至2004年土地覆被动态度大小依次为:星星海>扎陵湖-鄂陵湖>玛可河>多可河>年保玉则>江西>白扎>麦秀>阿尼玛卿>通天河沿>果宗木查>中铁-军工>约古宗列>索加-曲麻河>当曲>格拉丹东>昂赛>东仲。1970年中后期以来,18个保护区中有14个的土地覆被状况是变差的,按转差程度依次是星星海>阿尼玛卿>扎陵湖-鄂陵湖>年保玉则>多可河>白扎>约古宗列>通天河沿>索加-曲麻河>果宗木查>麦秀>中铁-军工>昂赛>东仲;有四个保护区的覆被状况有所好转,分别是当曲、格拉丹东、玛可河、江西保护区。     

Research activities on land-use/cover change in the past ten years in China using space technology

１　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｈｅｒｅｃｅｎｔａｎｄｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｐａｃｅｂａｓｅｄｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｒｏｕｇｈｔａｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋａｓｗｅｌｌａｓｆｏｒｍｕｌａｔｉｎｇｓｕｉｔａｂｌｅｐｏｌｉｃｙｆｏｒｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ,ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ,ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｔｈｒｏｕｇｈｒｅａｌｔｉｍｅａｎｄｐｅｒｉｏｄｉｃｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｏｆａｌａｒｇｅａｒ…     

北京市土地利用动态变化及其预测

土地利用是人类经济活动在地理空间的集中体现。基于GIS的北京市土地利用遥感信息的叠置分析,发现北京市土地利用近15年来变化比较剧烈;以2000年的土地利用为基态,建立Markov模型,对北京市未来土地利用变化进行了预测分析,发现与国务院的要求还有很大差距,建议采取得力措施,加强土地利用管理,有效保护耕地。     

我国土地利用/覆被研究的热点与应用发展问题

本文回顾了国内土地利用调查和土地利用/覆被变化(以下简称LUCC)的研究历程,认为20世纪80年代前的半个世纪,我国以土地调查为主的土地利用研究发展缓慢。到了80年代后,由于遥感技术由实验走向实用、地理信息系统技术的普及,加之IGBP和HDP两大组织发起的土地利用/覆被变化研究,这一领域的研究得到了极大地推动。目前,该领域存在着技术潮流、驱动力研究潮流、环境效应研究潮流、景观生态学潮流等热点,这对于推动LUCC的多学科深入研究具有积极作用;指出了土地利用/覆被变化研究中存在的"重技术轻学理"现象、微观机理研究不足、忽视土地利用替代性研究、土地可持续利用评价针对性不够、研究的服务对象单一等问题,LUCC研究要在克服这些问题中发展;由此提出,在经过一定的领域拓展、案例积累、技术准备等基础工作之后,我国土地利用/覆被变化研究应针对前述问题,加强理论建设,探索模型建立,拓展区域应用,发挥多学科核心作用,在理论建设、数学模型表达、机理探讨等方面,为现代地理学做出贡献,为地理学的社会作用和应用拓展更加广阔的空间。     

Hydrological impacts of climate change on streamflow of Dongliao River watershed in Jilin Province, China

The impacts of future climate change on streamflow of the Dongliao River Watershed located in Jilin Province,China have been evaluated quantitatively by using a general circulation model(HadCM3)coupled with the Soil and Water Assessment Tool(SWAT)hydrological model.The model was calibrated and validated against the historical monitored data from 2005 to 2009.The streamflow was estimated by downscaling HadCM3 outputs to the daily mean temperature and precipitation series,derived for three 30-year time slices,2020s,2050s and 2080s.Results suggest that daily mean temperature increases with a changing rate of 0.435℃per decade,and precipitation decreases with a changing rate of 0.761 mm per decade.Compared with other seasons,the precipitation in summer shows significant downward trend,while a significant upward trend in autumn.The annual streamflow demonstrates a general downward trend with a decreasing rate of 0.405 m3/s per decade.The streamflow shows significant downward and upward trends in summer and in autumn,respectively.The decreasing rate of streamflow in summer reaches 1.97 m 3 /s per decade,which contributes primarily to the decrease of streamflow.The results of this work would be of great benifit to the design of economic and social development planning in the study area.     

近20年黄土高原土地利用/覆被变化特征分析

本文根据黄土高原地区20世纪80年代末、2000年、2008年3期土地利用/覆被空间数据集,计算2个时段（20世纪80年代末-2000年,2000-2008年）土地利用/覆被转类方向及其幅度、土地利用/覆被转类指数、土地利用/覆被状况指数及其变化率,分析黄土高原地区自20世纪80年代末以来土地利用/覆被时空变化特征以及宏观生态状况的变化趋势。结果显示：黄土高原地区近20年来平均土地利用/覆被状况指数为24.07,其中土石山区生态系统综合功能最好,其次为河谷平原区,最差的为农灌区。20世纪80年代末-2000年,黄土高原地区主要土地利用/覆被转类是森林和草地转为耕地,生态级别由高级向低级转移,2000-2008年主要土地利用/覆被转类是耕地转为林地和草地,低覆盖草地转为中高覆盖草地,生态级别由低级向高级转移。近20年来黄土高原地区地覆被状况指数变化以及土地利用/覆被转类指数表明,该区域的宏观生态状况总体上经历了转差（20世纪80年代末-2000年土地利用/覆被转类指数为-1.08）,后转好（2000-2008年土地利用/覆被转类指数为2.66）2个过程。这一变化过程前期受区域气候变化以及人口增长共同驱动,后期则叠加了生态工程的影响。     

基于最邻近时空距离的土地变化过程时空模式分析

土地利用/土地覆盖受人类活动和城市的快速扩张的影响发生了巨大的变化,这种变化对生态环境和地表景观的影响极大。土地利用/土地覆盖的变化过程既受自然、经济等多种因素的影响,也是人类活动规律和自然因素制约的外部表征。因此研究土地利用/土地覆盖的变化过程具有重要的意义。土地利用/覆盖变化的监测和分析,在传统的方法中侧重于分别对各个时空快照上土地利用结构的整体差异的研究,割裂了不同快照间土地利用单元在演化过程上的有机联系。本文以序列土地利用数据构成的土地变化过程为核心研究对象,在土地变化过程的最邻近时空距离度量的基础上,开展基于蒙特卡洛随机模拟的土地变化过程的时空聚集性度量,量化分析土地利用变化过程时空聚集模式的显著性。使用淮南市市辖区2008-2017年土地利用数据,选取典型的时空演化类型(任意2年间从"耕地"演变为"草地")进行实证研究,结果表明此类土地变化过程在过去10年呈现出时空聚集模式,但统计上并不显著。本文的研究有利于把握土地利用单元在时空上的演变过程,探查土地利用变化过程中潜在的时空演化模式。     

纳入空间自相关的FLUS模型在土地利用变化多情景模拟中的应用

FLUS模型是一种新型的土地利用变化模拟模型,应用前景广阔。本文通过在FLUS模型的人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)训练模块中引入空间自相关因子来改进模型,以珠江三角洲地区为例,基于2009年、2015年土地利用数据和一系列驱动因子对改进的模型进行了验证,并利用该改进的FLUS模型模拟了2035年研究区在3种情景下土地利用变化格局。结果表明:①引入空间自相关因子后各地类发生概率分布的预测精度更高,耕地、林地、建设用地、水体和未利用土地的拟合优度ROC值分别从0.819、0.928、0.885、0.855和0.861提高到0.857、0.934、0.890、0.863和0.978;②改进的FLUS模型的模拟精度有一定的提高,Kappa系数从0.732提高到0.744,FOM系数从0.077升到0.106;③情景模拟表明,3种情景下珠江三角洲建设用地和林地均将增加、而耕地均呈减少趋势。但不同情景下模拟的土地利用格局也存在显著差异:基准情景下,建设用地明显扩张且大幅侵占耕地。耕地保护情景下,耕地面积保持在合理水平,建设用地蔓延扩张趋势得到遏制,土地利用布局总体趋向合理。生态保护情景下,耕地、林地和水体得到较好保护,建设用地布局更为合理,土地利用可持续性明显提高。