欢悦与地盘利用变化对流域水文水资源的影响是适合性流域看护的要紧基础[1, 2]。评价欢悦变化，绝顶是降水变化对水资源及水轮回的影响相配要紧，商量已矣对夙昔水资源权略和开拓利器用有要紧意思[3]。联系于欢悦变化的始终性本性，地盘利用和覆被变化是短期内流域水文变化的主要驱动成分之一。它通过影响冠层截流、地表入渗、蒸懒散和地表径流等，对流域水文轮回产生作用。当今定量分析二者对流域径流的影响多收受对比流域实践、统计分析和模子模拟等材干[4]。对比流域实践不可应用于地质量貌等存在权臣空间互异的中大模范流域，且其重心在于捕快流域地盘利用变化对流域水文的影响[5]。统计材干不错用来分析水文景象数据的变化趋势，但不可洽商流域空间异质性以及地盘利用和欢悦变化对流域水文的作用机理。因此，基于物理历程的踱步式水文模子近来被庸碌用于评价欢悦变异和地盘利用变化的水文反应[6, 7]。其优点在于模子既洽商了流域的空间异质性，同期也对流域水讳疾忌医程物理历程进行形容，不错态状流域笃定技巧鸿沟内地盘利用变化后的始终影响fc2 萝莉，并进行同一模拟，因此适用于空间特征互异较大的流域。
在人人欢悦变化布景下，华北地区1951—2009年间多年平均降水量呈现减少趋势，近59年间减少了26.8 mm[8]，在2040年之前仍可能呈现减少趋势[9]。该地区的密云水库上游潮河流域1961—2009年间年和汛期(6—9月)降水量呈减少趋势但不权臣，而非汛期降水量权臣加多并于1979年发生突变，即年际降水变化趋势不彰着，但年内降水变率减小[4]。潮河流域行为北京市主要塞表饮用水源供应地之一，从20世纪80年代发轫，开展了国度“三北”珍爱林重心成立工程、国度级水土流失重心处治工程和京津风沙源区防沙治沙边幅等。大范畴的退耕还林还草等生态设施被用来处治水土流成仇改善水质。同期，跟着经济发展，东说念主口加多，城镇化速率加速，流域内成立用地连忙加多。流域地盘利用和覆被发生变化进而编削该流域下垫面产流环境。因此，潮河流域内欢悦和地盘利用皆发生变化的情况下，定量评价二者对流域产水量的影响，是评价前期生态处治设施并为后续设施诊治及科学开展流域处治的要紧基础和前提[10, 11]。在该流域业已开展的关系商量收受不同的材干，包括警告归来模子[4, 12]，集总式模子[13]，以及踱步式模子[1, 14]，分析了欢悦和东说念主类行径引起的地盘利用变化对流域产水量的影响。各商量尽管材干不同，但商量已矣指出东说念主类行径主导的地盘利用变化是驱动流域产水量变化的主要成分之一。然则，当今该流域内短少对单一地盘利用类型以及潜在欢悦变化对产流影响的定量商量。
SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模子是好意思国农业部开拓的踱步式水文模子，被庸碌应用于流域模范多样地盘看护设施及欢悦变化对流域水文影响的模拟和瞻望[6, 7, 15, 16, 17, 18, 19]。本文的宗旨在基于SWAT水文模子，建立潮河流域踱步式水文模拟系统，通过模拟径流对欢悦和地盘利用变化的反应，定量分析不同期期二者对流域产流的影响，并进一步分析单一地盘利用类型对产水量的影响，以及分析不同欢悦变化情景对产水量的影响，为应答欢悦变化和水资源短缺的适合性流域看护和水资源权略提供科学依据。
1 材料和材干 1.1 商量区概况本商量中潮河流域是指密云水库以上潮河流域部分(不包括牤牛河、安达木河和净水河等二级支流)，总面积4 855.9 km2，占密云水库以上集水流域面积的31%。流域位于华北土石山区(116°10′—117°35′E，40°35′—41°37′N)，流域地势西北高，东南低，以低山和中山为主，山大地积约占总面积80%以上(图 1)。流域欢悦类型属于中温带向暖温带及半干旱向半湿润过渡的大陆性季风欢悦，多年平均气温为8.3 ℃，多年平均降水量为511 mm，汛期(6—9月)占年降水量的75%以上。汛期多以暴雨神气出现，泥土侵蚀严重，山区多年平均泥土侵蚀总量(轻度以上)为2 174万t，泥土平均侵蚀模数为2682 t km-2 a-1，多发生于上游河谷阶地黄土掩饰区[20]。流域内泥土类型以棕壤和褐土为主，占总面积的80%以上。
凭据我国地盘利用近况分类法式(GB-T21010—2007)，将流域内地盘利用类型分为耕地、草地、灌木林地、有林地、城乡成立用地、水域和未利用地7 类；潮河流域主要的地盘利用类型为耕地、草地、灌木林和有林地，四者占流域总面积95%以上(表 1)。与1987年比较，1999年耕大地积加多了6.1%，草大地积减少26.5%，有林大地积加多23.57%，灌木林地加多7.73%。从1999年到2009年，草大地积大幅减少了45.9%，耕地减少31.91%，而有林地和灌木林地分别加多了27.96%和17.8%。潮河流域地盘利用变化已矣标明：耕地和草大地积减少，有林地和灌木林大地积加多。20世纪70年代末期流域修建了一些塘坝和小水库，由于遐想分歧理及短少经费看护，到80年代中后期塘坝等逐渐放手。从20世纪80年代末发轫，流域所处地区先后扩充了无数水土保抓工程，主要采选以植被复原为主的生物设施。工程措檀越如果水平梯田和谷坊，但所占面积相对较小。 适度2005年底，流域内累计水土保抓设施面积为2 735.69 km2，其中植被复原面积2678.47 km2，修建水平梯田57.27 km2[12]。
1.2 商量材干 1.2.1 SWAT模子数据输入及运行本商量收受ArcGIS9.3环境下的Arc-SWAT2005版块。模子输入数据主要包括：从海外科学数据就业平台获取的流域ASTAR数字高程模子数据(Digital Elevation Model,DEM)，空间分辨率为30 m；1987，1999和2009年3期Landsat TM多波段遥感影像数据，空间分辨率为30 m。通过校阅后，选用接近地表真确情景的7/4/2波段假彩色合成，凭据地盘利用近况分类法式，收受东说念主机交互进行图像解译。泥土数据由连合国粮农组织提供的人人泥土踱步图库获取，分辨率为100 m。使用ArcGIS将地盘利用图和泥土踱步图退换为与DEM具有换取投影坐标信息以及栅格大小的数据，则SWAT模子运算的空间分辨率调治为30 m。SWAT模子凭据DEM、地盘利用和泥土数据将通盘流域辞别为多少个子流域。大阁、戴营和下会3个水文站1981—2009年的径流数据以及流域内8个雨量站的数据分别由河北水文水资源局和北京水文总站提供。密云、丰宁和承德3个景象站的景象数据由国度景象局提供，包括1961—2009年的日降水，气温，风速，相对湿度和太阳放射。将距离子流域形心最近的景象站的数据赋予该流域，竣事景象数据由点及面的空间插值。SWAT模子自带天气发生器(WXGEN)不错用来生成欢悦数据，何况填补缺失数据。本文构建WXGEN所需的参数是通过近40年的景象数据统计赢得多年逐月景象贵府，主要包括月日均降水量、月日均最高和最低气温、月日均太阳放射总量、月日均露点温度、月日均风速等。本商量中收受SWAT官方提供的统计软件pcpSTAT及dew02软件对景象贵府进行统计，求算以上参数。
1.2.2 模子校准和考证本文分别采用位于流域上中下流的大阁，戴营和下会3个水文站，代表流域内不同空间特征，收受多站校准磨练的材干，以月为模拟步长，对流域1981—1991年的月径流进行模拟，将1981—1982年行为模子预热期，1983—1986年为模子校准期，1987—1991年为模子考证期，终末笃定模子参数值。早先用LH-OAT采样法[20]，进行参数明锐性分析，选取对模拟已矣贤慧度大的参数进行校准和考证。应用SUFI-2算法[7, 21, 22]进行迭代运算，模拟历程中扫数不笃定性成分(参数，模子见识，数据输入等)调治用参数的不笃定性默示，将参数不笃定性大略对扫数不笃定性成分证明的进度界说为p因子，即95%瞻望不笃定性(95% Prediction Uncertainty，95PPU)包含不雅测数据的比例。95PPU的计较是收受拉丁抽样法选取积攒频率位于2.5%与97.5%之间的模拟值，剔除了5%极坏模拟； 95PPU的平均厚度除以不雅测值的法式偏差界说为r因子。p取值介于0到100%，r介于0到无限大。表面上p为1且r值为0代表实测数据和模拟已矣透彻吻合。由于测量差错和模子的不笃定性，表面最好模拟值很难达到。因此本文中模拟已矣同期知足以下两个条目：(1)p值大于0.7，即最初70%的不雅测数据落在95%的瞻望不笃定性内；(2)r值小于1，即95%瞻望不笃定性值鸿沟的平均厚度(即不笃定性进度)小于不雅测数据的法式偏差[7, 15]，则合计模拟已矣与实测值相稳当。另外，本文进一步收受Karuse[23]界说的灵验评价材干比较潮河流域月径流模拟值对不雅测值的灵验性：
式中，R2是模拟值与不雅测值的决定系数，b是归来弧线斜率。关于同期模拟流域多个流量不雅测点，模子筹谋函数为区域内扫数模拟站点的Φ的平均值：
式中，g是模子筹谋函数最好值，n是不雅测站个数。上述灵验性评价中Φ值变化鸿沟为(0，1)。联系于筹谋函数取纳什系数(Nash-Sutcliffe)等函数时，最好模拟值以及优化历程会受到个别较差模拟值的影响，而该函数值则不受较差模拟值的影响，筹谋函数最好值大于0.6时合计模拟后果较好[23]。
1.2.3 情景成立与模子分析当模子校准和考证完成后，应用SWAT模子模拟不同期期的地盘利用和欢悦变化下流域出口下会站径流的反应。具体情景成立如表 2，在模拟历程中相应编削植被模块的参数和泥土水力参数：以情景1为基准期，将情景4，5与其对比，获取地盘利用和欢悦变化二者共同对产流量的影响；将情景2，3分别与情景1比较，获取欢悦变化对产流量的影响；再将情景4，5与分别与情景2，3比较，获取对当令间地盘利用变化对产流量的影响。最终，定量分析不同期期地盘利用和欢悦变化对通盘流域产流的影响。
为进一步探讨单一地盘利用类型在产流量中所起的作用，剔除地盘利用变化中地形、地貌等不笃定性成分的影响，收受顶点地盘利用变化情景模拟进行分析，具体成立为：以1999年地盘利用近况为基础，保留流域内的住户区和交通成立用地以及水域外，将流域内其它扫数地盘利用类型挨次成立为草地情景、灌木林地情景、林地情景和耕地情景，并分别编削相应的植被模块的参数和泥土水力参数，模拟1999—2009年不同地盘利用情景下的年径流量。
为探讨欢悦变异对流域出口产水量的影响，凭据夙昔欢悦变异的可能鸿沟[24]，给定降水温存温的变化值，设定如下情景：保抓现存降水状态不变(多年平均降水511 mm)，加多10%/20%/30%和减少10%/20%/30%降水共7种决议；收受保抓现存温度不变(多年平均气温8.3 ℃)，裁减1 ℃(-12%)，升高1 ℃(12%)/2 ℃(24%)4种决议，总计有28种不同的欢悦变异组合决议。通过不同的欢悦变异决议，模拟径流对欢悦变异的反应。年径流量的变化b的求解如下：
式中，yi为第i中欢悦决议下的年均径流量(m3/s)；y0为真确情景下的年均径流量(m3/s)。
国产女同 2 已矣与分析 2.1 模子校准与考证将商量流域1987年的地盘利用和3个水文站1981—1986与1987—1991年的水文景象数据代入模子，通过LH-OAT采样法选取模子中前14位对径流模拟已矣明锐性高的参数进行校准和考证。
图 2为潮河流域月径流模拟已矣。在校准期，大阁站1983和1986年汛期模拟峰值大于实测值，1984年汛期模拟值小于实测值。p和r值分别为0.70和0.84，决定系数R2为0.63。戴营站1985年汛期模拟峰值大于实测值，而1986年和1983年的汛期模拟值与实测值基本吻合，p值和r值分别为0.87和0.97，决定系数R2为0.68。流域出口下会站汛期峰值模拟与实测值基本吻合，p值为0.87，r值为0.97，决定系数R2为0.72。由于模子在运行前期，好多变量，如泥土含水量的驱动值为零，会影响模子模拟的已矣，是以需要将模拟初期行为模子的预热期，合理估算模子参数的驱动值。因此，本文将1981—1982年行为预热期，从而减少此类差错的影响。
在考证期，大阁径流模拟变化趋势与不雅测值一致，模拟峰值却大于不雅测峰值，相应的p值，r值相分别为0.77和0.90，决定系数R2为0.71。戴营站1989和1990年模拟峰值小于不雅测值，1987和1991年模拟峰值与不雅测值基本吻合，对应的p值为0.82，r值为0.79，决定系数R2为0.86。下会站的径流模拟峰值在1987年和1990年比不雅测值小，在1989年和1991年模拟峰值大于不雅测值，在1988年模拟峰值与实测值基本一致。该站的考证期的p值为0.78，r值为0.82，决定系数R2为0.82。
利用多站校准考证材干，经过SUFI-2法迭代运算，3个测站的p值皆大于0.7，r值小于1，模子模拟筹谋函数g最好值为0.66，证明该模子在潮河有一定的适用性，不错知足该流域产水量的模拟瞻望。流域出口下会站明锐参数最好值如表 3所示。
2.2 情景模拟凭据情境成立，对潮河流域地盘利用和欢悦变化的径流反应进行定量商量。已矣如表 4所示：情景1的年均径流量为42.18 mm，情景4的年均径流量为67.76 mm，情景5的年均径流量为24.90 mm。凭据1.2.4中的材干态状，基于情景1，情景4中地盘利用变化引起产水量减少了4.1 mm，而欢悦变化加多了29.68 mm径流量；情景5中，地盘利用变化形成产水量减少2.98 mm，欢悦变化形成产水量减少了14.3 mm。情境4联系于情境1，流域的林大地积加多了23.57%(表 1)，导致流域蒸懒散量加多。同期，该时段内年均降水比情境1多，绝顶是1994年和 1998年潮河流域发生全流域性的大急流，降水连忙转为地表径流平直流出流域。固然该阶段的潜在挥发散也权臣加多[4]，但潜在挥发散和温度等对流域径流的影响较小[25]，是以年径流量加多较大。情境5中，林地和灌木林大地积陆续加多(表 1)，年均降水减少，地盘利用和欢悦变化皆减少流域的产水量。因此，在欢悦变化的布景下，凭据水资源看护筹谋，不错通过流域看护设施的诊治，包括对地盘利用类型和空间踱步等进行诊治，减缓欢悦变化对水资源的负面后果。
以1999年地盘利用情景下的模拟径流为基准，对比四种不同顶点情境下的径流变化情况。其中，灌木林地情景中径流加多了158.2%，草地情景中径流加多了4.1%。然则林地情景中径流减少了23.7%，耕地情景中径流减少41.7%。已矣标明，灌木林地和草地均加多流域径流，从而加多下流流域给水量。
凭据表 5所示，潮河流域降水保抓不变，当温度比现存温度裁减12%(减少1 ℃)，多年平均径流量加多4.1%。温度比现存气温升高12%和24%，则径流分别减少6%和5.9%。温度变化对水文效应有正负作用。跟着温度升高，流域内的挥发加多，在降雨不变情况下，径流减少。当温度升高最初一定水平，挥发量加多，空气中水汽含量增多，云层增厚进而导致挥发材干裁减。当流域可供挥发的水量不变，则径流变化只对降水量变化明锐，而对温度的变化不解锐。因此，温度变化对径流的影响较为复杂。流域内年均径流随降水的增多而增多，且径流加多的幅度大于降水的增幅。降水加多10%，20%，30%，径流分别加多21.6%，45.5%，71.8%；年均径流随降水的减少而减少，减少的幅度也随降水的逐渐减少而减小。另外，年均径流随降水减少的减幅小于随降水加多的增幅。模拟已矣标明潮河流域径流对降水的变化愈加明锐。
3 商量经过SWAT模子校准和考证，3个水文站点的模拟已矣同期知足应用的法式，即p值大于0.7，r值小于1，何况模拟筹谋函数g最好值为0.66。文中SWAT模子在构建历程中充分洽商了水文温存象不雅测站点踱步、地盘利用类型、泥土和坡度等成分，固然在80年代后期流域内的塘坝和微型水库已逐渐放手，对模子模拟已矣影响较小，但由于数据条目限制，该商量中未将湿地等行为单独地盘利用类型而是调治归为水域进行分析；另外，流域内是否有地质灾害如滑坡等发生，皆会在一定技巧内影响局部水文轮回。由于短少流域里面水量挪动数据，如灌溉抽水与废水排放等，是以本商量收受流域受干涉较少时间的径流不雅测数据对后续的数据进行了还原，从一定进度减少上述不笃定性的干涉。
同期，数据的不笃定性雷同会导致模子模拟的不笃定性。SWAT模子中基于景象和水文不雅测站点的海拔梯度计较流域平均降水温存温，这在一定进度上排斥了站点空间踱步的差错。本文选用3个景象站点(丰宁，密云，承德)分别处于流域高下流。每个子流域选取距离其形心距离最近站点的景象数据为用。本文选用8个降水站点，3个景象站点和3个水文不雅测站点，尽可能增大的不雅测站点踱步密度，晋升子流域的数据的准确性，减少数据输入引起的模子不笃定性。
该商量对流域分处上中下流的3个水文站产水量进行商量。由于流域空间异质性的存在，每个子流域的具有不同的属性特征。商量流域的上游为黄土掩饰区，土层厚，而中下流流域为土石山区，土层薄。在模拟历程中扫数子流域被赋予换取的泥土参数值，这在一定进度上导致高下流站点径流模拟后果存在互异。要辨析环境变化影响以及多样差错泉源引起的模拟不笃定性，Bormann[26]建议引入“信号噪声比(signal-to-noise ratio)”的见识，判断环境变化影响效应是否较模拟不笃定性权臣。因此在后续责任中有必要对模子模拟的不笃定性进行进一步探讨考证[27, 28]。本文主要热心流域模范地盘利用和欢悦变化对产水量的影响，而非强调水讳疾忌医程对二者变化的反应。因此，凭据p值，r值以及g值对模拟后果的评价分析，标明本商量中潮河流域SWAT模子模拟的不笃定性对模拟已矣影响不权臣，该模子不错很好的模拟流域的产水量变化，在潮河流域具有一定的适用性。
4 论断本文应用踱步式水文模子(SWAT)，通过多站点校准和考证，定量模拟分析潮河流域地盘利用和欢悦变化对产水量的影响，已矣标明：
(1)流域内3个水文站校准和考证阶段p值分别为：0.70和0.77，0.87和0.82，0.92和0.78，r值分别为0.63和0.90，0.97和0.79，0.88和0.92。SWAT模子在潮河流域模拟的筹谋函数最好值为0.66，证明该模子对潮河流域的产水量模拟具有一定的适用性。
(2)不同期期的地盘利用和欢悦变化对流域产水量的影响不同。与基准期比较，情景4中地盘利用变化引起的产水量减少了4.1 mm，而欢悦变化加多了29.58 mm径流量；情景5中，地盘利用变化形成产水量减少2.98 mm，欢悦变化形成产水量减少了14.3 mm。在夙昔流域看护中，不错洽商采选不同的流域看护设施，如诊治地盘利用结构和面积等，来应答欢悦变化对流域产水量的影响。
(3)模子模拟已矣标明：潮河流域径流量随降水的加多而增大，随气温的加多而减少。潮河流域径流以降水补给为主，当降水加多时，径流量增大。气温升高，挥发量加多，在降水不变的情况下，径流量减少。
(4)不同地盘利用类型产流模拟已矣标明：灌木林地情景中径流加多了158.2