SWAT模型參數(shù)對(duì)土地利用變化的響應(yīng)及其對(duì)不同時(shí)間尺度徑流模擬的影響

郭 偉,陳興偉,2,3,*,林炳青

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 2 福建省陸地災(zāi)害監(jiān)測評(píng)估工程技術(shù)研究中心, 福州 350007 3 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 福州 350007

土地利用變化對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響,是全球變化研究的重要內(nèi)容；其中,土地利用變化的水文效應(yīng)是研究熱點(diǎn)之一[1]。土地利用變化,是指人類改變土地利用和管理方式,導(dǎo)致土地覆被的變化,土地利用變化是水文過程變化的重要影響因素[2- 4]。水文模型是評(píng)估土地利用變化水文效應(yīng)的有效工具,分布式水文模型的應(yīng)用已成為進(jìn)行土地利用變化水文效應(yīng)研究的發(fā)展趨勢。

SWAT (Soil and Water assessment tool)是美國農(nóng)業(yè)部(United States Department of Agriculture)的農(nóng)業(yè)研究中心(Agricultural Research Service)開發(fā)的流域分布式水文模型,已廣泛應(yīng)用于土地利用變化徑流響應(yīng)模擬研究[5]。Miller等應(yīng)用SWAT模型在圣佩德羅河上游對(duì)70、80、90年代3個(gè)不同時(shí)期的遙感影像解譯出土地覆被狀況進(jìn)行產(chǎn)流模擬,研究土地覆被變化的水文效應(yīng),結(jié)果表明該區(qū)城市、農(nóng)業(yè)用地、林地增加、草地減少,使每年水量增加,水質(zhì)下降[6]。木依布拉等利用SWAT模型研究得出,土地利用/覆被類型中草地和林地面積的增加有利于提高研究區(qū)水源涵養(yǎng)、土壤保持和維護(hù)生物多樣性功能[7]。鄧慧平等對(duì)梭磨河流域的日徑流進(jìn)行了模擬,結(jié)果表明,隨著流域林地面積和冠層最大截留量的增加,地表徑流、地表以下徑流、總徑流均不同程度的減少[8]。這些研究通常先用一期土地利用率定模型參數(shù),并認(rèn)為該參數(shù)可以反映流域下墊面的產(chǎn)匯流特征,因此直接將率定后的參數(shù)代入其他土地利用情景下,以此模擬分析土地利用變化對(duì)徑流的影響[5- 12]。也即當(dāng)前土地利用變化徑流響應(yīng)的模擬研究,主要采用參數(shù)不變的方式。

基于SWAT模型參數(shù)的物理意義,土地利用變化對(duì)部分參數(shù)的取值應(yīng)該是有影響的,近年來也有了相關(guān)研究。Wang[13]通過設(shè)定7個(gè)不同的土地利用輸入條件分別進(jìn)行SWAT模型率定,結(jié)果發(fā)現(xiàn)土地利用輸入條件對(duì)模型徑流模擬的模擬效果沒有明顯的影響。因此認(rèn)為在徑流模擬時(shí),可以選擇模擬期間任何一年的土地利用作為輸入,但未指出不同土地利用條件下模型參數(shù)是否發(fā)生變化。 Li等[14]利用1980 s、1990 s、2000 s的氣象數(shù)據(jù)及相應(yīng)時(shí)期的土地利用數(shù)據(jù),對(duì)月徑流模擬的SWAT模型分段率定。結(jié)果表明,模型參數(shù)隨著土地利用變化而變化；當(dāng)土地利用變化較大時(shí),不變參數(shù)會(huì)造成模型模擬效果的下降。

綜上研究,第一,SWAT模型參數(shù)應(yīng)該隨著土地利用變化而變化,但參數(shù)變化與土地利用變化的關(guān)系需要進(jìn)一步討論；第二,結(jié)合已有研究發(fā)現(xiàn)[15- 17]的相對(duì)于較長時(shí)間尺度的年、月徑流,土地利用變化的日徑流響應(yīng)更為復(fù)雜,因此有必要揭示參數(shù)變化對(duì)不同時(shí)間尺度徑流模擬效果影響的差異；第三,Li等[14]的研究區(qū)為近20年來實(shí)施退耕還林還草的黃河支流渭河流域,對(duì)于土地利用變化變化模式與此相反的快速城市化區(qū)域,模型參數(shù)隨著土地利用變化的規(guī)律尚待研究。

因此,本研究選取位于快速城市化區(qū)域的東南沿海山美水庫流域?yàn)檠芯繀^(qū),開展土地利用變化對(duì)SWAT模型參數(shù),以及模型參數(shù)變化對(duì)不同時(shí)間尺度徑流模擬效果的影響研究,以期進(jìn)一步改進(jìn)SWAT模型用于土地利用變化水文效應(yīng)研究方法,為合理評(píng)估土地利用變化的水文效應(yīng)提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1.1研究區(qū)概況

山美水庫位于福建省泉州市的晉江流域東溪中游,流域面積為1023 km2,總庫容6.55億m3,是一座集灌溉、供水、防洪、發(fā)電等多功能于一體的綜合性大型水利樞紐工程。山美水庫多年平均來水量14億m3,水庫來水主要包括上游的桃溪、湖洋溪兩大支流以及龍門灘跨流域調(diào)水,流域多山地和丘陵,海拔約在 40—1360 m。流域氣候?qū)賮啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候,年降雨量約為1600 mm,其中臺(tái)風(fēng)雨季(7—9月) 降水量大,在此期間的降水量占全年37%—39%；10—12月為干季,降水量僅為全年的20%。流域地土地利用類型以林地為主,其次是園地、耕地和建設(shè)用地。土壤類型有硅鋁質(zhì)紅壤、鋁硅質(zhì)紅壤、滲育水稻土、潴育水稻土、黃紅壤和黃壤等,其中以硅鋁質(zhì)紅壤分布面積最為廣泛,研究區(qū)位置及站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 研究區(qū)位置及站點(diǎn)分布Fig.1 Location of study area and distribution of gauges

1.1.2數(shù)據(jù)來源

模型輸入數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)和水文氣象數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)包括土壤、DEM和土地利用,其中土壤資料來源于福建省1∶50萬數(shù)字化土壤類型分布圖,DEM采用30 m×30 m分辨率(來自中國科學(xué)院國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)http：//datamiffor.csdb.cn/admin/datademMain/jsp)。本文土地利用數(shù)據(jù)包括1995年、2005年、2015年3期土地利用,其中1995年土地利用數(shù)據(jù)是本團(tuán)隊(duì)基于Landsat TM影像的目視解譯[18],確定了水田、旱地、林地、園地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地等8種較好反映區(qū)域土地利用及其變化、且適合SWAT模型精確模擬的土地利用分類系統(tǒng)[15]。利用2015年國家地理國情普查地表覆蓋數(shù)據(jù),按照本研究的土地利用分類系統(tǒng)進(jìn)行歸并,得到2015年土地利用數(shù)據(jù)。在2015年土地利用數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,通過對(duì)SPOT5影像目視解譯逆向變更方法,獲得2005年的土地利用數(shù)據(jù)[19]。總體上看,2015年國家地理國情普查地表覆蓋數(shù)據(jù)具有權(quán)威性,1995、2005目視解譯數(shù)據(jù)方法正確、精度較高；盡管遙感信息源不同,但分類可比較。因此本研究不同時(shí)期土地利用數(shù)據(jù)具有一致性和可比性,可以滿足本研究要求。

1992—2018年的逐日最高氣溫、最低氣溫、平均風(fēng)速、平均相對(duì)濕度由永春和德化2個(gè)氣象站提供。1992—2018年的逐日入庫徑流量及16個(gè)雨量站的逐日降雨數(shù)據(jù)由山美水庫管理處提供。

1.2 研究方法

1.2.1SWAT模型簡介

SWAT模型是美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心(USDA-ARS)開發(fā)的具有物理機(jī)制的分布式水文模型,適用于流域徑流、水質(zhì)等模擬研究,在不同尺度的流域水文模擬研究中表現(xiàn)出了較好的適用性[20-21]。SWAT 在子流域劃分的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步細(xì)分為水文響應(yīng)單元進(jìn)行模擬運(yùn)算,然后通過對(duì)子流域進(jìn)行匯流演算,獲取流域出口斷面的徑流量,其分布式的匯流演算模式更符合實(shí)際徑流生成的物理過程。本研究應(yīng)用SWAT模型對(duì)研究區(qū)的年、月及日徑流過程進(jìn)行模擬,地表徑流計(jì)算選用徑流曲線數(shù)方法(SCS runoff curve number),河道匯流過程采用馬斯京根法(Muskingum)進(jìn)行演算。子流域劃分基于數(shù)字高程模型,采用“burn-in”算法。水文響應(yīng)單元?jiǎng)澐植捎脙?yōu)勢地面覆蓋/優(yōu)勢土壤類型方法。

1.2.2不同土地利用條件的SWAT模型構(gòu)建

選用1995年、2005年、2015年3個(gè)不同時(shí)期的土地利用,將 1995—2018年氣象背景條件劃分為1995—2002年、2003—2010年、2011—2018年3個(gè)相同時(shí)長時(shí)段,與3期土地利用相對(duì)應(yīng),分別進(jìn)行模型的校準(zhǔn)與驗(yàn)證,獲取的模型最優(yōu)參數(shù)集分別以parm95、Parma05、Parma15表示,從而構(gòu)建與3種土地利用相適應(yīng)的日徑流模擬SWAT模型。

為了比較土地利用變化導(dǎo)致的SWAT模型參數(shù)變化對(duì)徑流模擬的影響,將上述3套最優(yōu)參數(shù)集分別應(yīng)用于其他兩種土地利用條件下的SWAT模型,可以得到如表1所示的情景設(shè)置。表1情景1.1表示1995年土地利用,對(duì)應(yīng)1995—2002年水文氣象資料,校準(zhǔn)模型得到最優(yōu)參數(shù)集parm95；情景1.2表示1995年土地利用、1995—2002年氣象條件不變,但模型參數(shù)改用2005年土地利用校準(zhǔn)的最優(yōu)參數(shù)集parm05；情景1.3表示1995年土地利用、1995—2002年氣象條件不變,但模型參數(shù)改用2015年土地利用校準(zhǔn)的最優(yōu)參數(shù)集parm15。表1的其他兩組情景與此類似,從而分別得到3種土地利用條件下,各自最優(yōu)的3組模型參數(shù)用于其他土地利用條件時(shí)的徑流模擬結(jié)果,進(jìn)而比較結(jié)果的差異。

表1 模型構(gòu)建與分析情景設(shè)置

1.2.3參數(shù)敏感性分析與參數(shù)率定

SWAT模型中影響徑流的參數(shù)眾多,且每個(gè)參數(shù)對(duì)模型影響程度不同,根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)選取影響徑流的13個(gè)主要參數(shù)[22-23]。為了減少參數(shù)率定過程的盲目性,同時(shí)能更好地研究流域土地利用變化對(duì)參數(shù)變化的響應(yīng)程度,需對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。參數(shù)敏感性分析是通過對(duì)每個(gè)參數(shù)微小變化對(duì)模型輸出結(jié)果的影響來確定哪些參數(shù)對(duì)流域影響更大的方法。

SWAT模型參數(shù)率定方法主要有自動(dòng)率定和手動(dòng)率定,手動(dòng)率定的參數(shù)取值受人為主觀影響很大,參數(shù)率定過程要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力,率定效率低,自動(dòng)率定以自動(dòng)優(yōu)化算法為基礎(chǔ),能夠綜合考慮參數(shù)的物理意義,率定效率高[24]。因此選用自動(dòng)率定法率定SWAT模型。采用SWAT-CUP中 SUFI-2(Sequential Uncertainty Fitting version 2)算法進(jìn)行敏感性分析及率定,迭代次數(shù)為500次。SUFI-2算法可較好地解決SWAT模型自帶的SCE(Shuffled Complex Evolution)優(yōu)化算法參數(shù)率定繁瑣且收斂效果不理想等問題,并可將率定后的參數(shù)范圍通過模擬值與實(shí)測值的95PPU(95 Percent Prediction Uncertainty)圖可視化,用以尋求模型模擬效果最佳的一系列參數(shù)最優(yōu)組合[25]。為評(píng)價(jià)模型的模擬精度,選用納什效率系數(shù)(NS)、確定性系數(shù)(R2)、相對(duì)誤差(Re)作為模型適用性的評(píng)價(jià)指標(biāo),公式如下：

圖2 山美水庫流域1995—2015年土地利用面積 Fig.2 The area of land use from 1995 to 2015 in Shanmei Reservoir watershed

1.2.4綜合土地利用動(dòng)態(tài)度

采用綜合土地利用動(dòng)態(tài)度反映研究區(qū)1995—2015年土地利用變化的總體情況。綜合土地利用動(dòng)態(tài)度屬于土地利用年變化率[27],公式為：

式中,LC為研究時(shí)段內(nèi)綜合土地利用動(dòng)態(tài)度,LUi為監(jiān)測起始時(shí)刻第i類土地利用類型的面積,LUi-j為監(jiān)測時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為非i類土地利用類型面積的絕對(duì)值,T為監(jiān)測時(shí)段長度。

2 結(jié)果分析

2.1 土地利用變化分析

對(duì)3期土地利用進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見圖2、表2。研究區(qū)占主導(dǎo)地位的土地利用類型為林地、園地、耕地,3種地類面積之和占研究區(qū)總面積的90% 以上,其他類型較少。1995—2015年間,林地、旱地、未利用地3種地類呈減少趨勢,而草地、園地、建設(shè)用地、耕地4種地類呈增加的趨勢,水域面積變化很?。灰詧@地的增加,林地的減少為主要特點(diǎn)。變化最大的林地減少了12.28%、88.82 km2；園地增長了66.65%、62.21 km2；建設(shè)用地增加了52.7%、22.09 km2。從時(shí)間上來看,1995—2005年間土地利用變化較大,2005—2015年變化較小。

表2 山美水庫流域1995—2015年土地利用變化分析

2.2 SWAT模型校正與驗(yàn)證

3期土地利用條件下年、月、日尺度徑流模擬結(jié)果如表3。不同時(shí)間尺度徑流模擬NS均大于0.62,R2均大于0.78,|Re|均小于25%。表明SWAT模型對(duì)山美水庫流域年、月、日尺度徑流過程模擬效果良好,可以合理反映流域不同時(shí)期、不同時(shí)間尺度的徑流過程。

表3 3期土地利用條件下不同時(shí)間尺度徑流模擬結(jié)果

2.3 敏感性參數(shù)及其變化

由SUFI-2算法確定的3種不同土地利用條件下徑流敏感性參數(shù)及其率定結(jié)果如表4所示。在表 4中,t值表示參數(shù)敏感性的大小,其絕對(duì)值越大,代表該參數(shù)在某一區(qū)域越敏感；P值表示該參數(shù)敏感性的置信水平,其值越接近0,代表該參數(shù)越重要。一般認(rèn)為,在P值小于等于0.05的情況下,該參數(shù)比較敏感重要；而在P值大于等于0.3的情況下,該參數(shù)不敏感[28]。由表4可知,不同土地利用條件下的敏感參數(shù)是一樣的,分別為CN2、SOL_AWC、SOL_K、CANMX、ESCO、GW_DELAY、OV_N,且排序基本一致。其它參數(shù)如GWQMN、GW_REVAP、EPCO、SLSUBBSN、ALPHA_BF等對(duì)徑流不敏感。該結(jié)果表明,土地利用變化對(duì)參數(shù)的敏感性沒有影響。

表4結(jié)果還表明,盡管土地利用變化對(duì)參數(shù)的敏感性沒有影響,但不同土地利用條件下參數(shù)的取值是不同的。如土壤水分條件Ⅱ下的SCS徑流曲線數(shù)CN2的值,隨著土地利用的變化而變化,在1995—2015年間逐漸增大；而飽和滲透系數(shù)SOL_K在1995—2015年間逐漸變小。這些敏感性參數(shù)取值變化規(guī)律及其合理性將在下文進(jìn)一步討論。

2.4 參數(shù)變化對(duì)不同時(shí)間尺度徑流模擬效果的影響

根據(jù)表1,3種土地利用條件下,模型參數(shù)變化對(duì)徑流模擬效果的影響比較如圖3所示。圖中藍(lán)色三角區(qū)域?yàn)椴缓侠韰^(qū),表示效率系數(shù)NS小于0.55、或R2小于0.7,即模型模擬效果差,不滿足徑流模擬需要。

由圖3可知,將3套率定參數(shù)分別代入不同土地利用條件,年、月徑流的NS及R2均落在藍(lán)色區(qū)域外,表明年、月徑流模擬結(jié)果較好,即參數(shù)變化對(duì)年、月徑流模擬影響較小。從日徑流看,NS及R2均在使用與土地利用匹配的參數(shù)集模擬下落在藍(lán)色區(qū)域外,即模擬效果較好,而在使用與土地利用不匹配的參數(shù)集模擬下NS及R2均落在藍(lán)色區(qū)域內(nèi),即模擬效果差,并且模擬結(jié)果的變化隨著土地利用變化強(qiáng)度越大越顯著。具體表現(xiàn)在,1995年土地利用條件下, parm95、parm05、parm153組不同參數(shù)集的徑流模擬結(jié)果,NS由0.65下降到-0.73再降到-0.77,同樣R2由0.80下降到0.41再降到0.39。在2015年土地利用條件下,參數(shù)集parm15、parm05、parm95的模擬結(jié)果,NS由0.77下降到0.23再降到-0.19,同樣R2由0.78下降到0.50再降到0.3。2005年土地利用條件也呈現(xiàn)類似的變化趨勢。

表4 山美水庫流域參數(shù)敏感性分析及最佳率定值

圖3 SWAT模型參數(shù)對(duì)不同時(shí)間尺度徑流模擬效果的影響Fig.3 Effects of SWAT model parameters to effects on the simulation of runoff with different time scalesParm95：1995年土地利用率定參數(shù)集 Set of parameters for land use, 1995；Parm05：2005年土地利用 Set of parameters for land use, 2005；Parm15：2015年土地利用率定參數(shù)集 Set of parameters for land use, 2015

綜上表明,應(yīng)用與土地利用不匹配的參數(shù)集時(shí),不同時(shí)間尺度徑流的響應(yīng)規(guī)律不同,年、月較長時(shí)間尺度徑流影響較小,但日徑流影響顯著,且隨著土地利用變化強(qiáng)度越大,模擬結(jié)果的變化越顯著。

3 模型參數(shù)取值對(duì)土地利用變化響應(yīng)的討論

上述不同土地利用條件下敏感參數(shù)的率定結(jié)果(表4)表明,土地利用變化對(duì)徑流參數(shù)的敏感性沒有影響,對(duì)敏感參數(shù)的取值有較大影響?，F(xiàn)就土地利用變化對(duì)敏感參數(shù)取值的影響規(guī)律進(jìn)行分析、討論。

3.1 敏感參數(shù)取值的變化規(guī)律

CN2是土壤水分條件Ⅱ下的SCS徑流曲線數(shù),是土壤滲透特性、土地利用類型和前期土壤水分條件的綜合反映,CN2越大產(chǎn)流量越大[29-30]。由表4可知,CN2隨著土地利用的變化在1995—2015年間逐漸增大,這與研究區(qū)1995—2015年土地利用由林地轉(zhuǎn)變?yōu)閳@地、耕地及建設(shè)用地有關(guān)。研究表明不同土地利用類型對(duì)降水的涵養(yǎng)能力不同,從大到小依次為林地、草地、耕地、建設(shè)用地,因此林地轉(zhuǎn)變?yōu)閳@地、草地、耕地及建設(shè)用地導(dǎo)致水源涵養(yǎng)能力下降。SOL_AWC表示土壤層有效水容量[31],SOL_AWC隨著土地利用的變化在1995—2015年間逐漸減小,其原因是與2005、2015年相比,1995年森林覆蓋面積大,1995年相應(yīng)的水源涵養(yǎng)能力較2005年、2015年強(qiáng)。SOL_K表示飽和滲透系數(shù),該參數(shù)將土壤水的流量與水力梯度相聯(lián)系,度量水流在土壤中運(yùn)動(dòng)的難易程度[31],1995年到2015年間K系數(shù)逐漸增大,與園地、草地等土地利用類型相比林地透水性強(qiáng),土壤中水力梯度增強(qiáng)有關(guān)。CANMX表示最大冠層截流量,表示植物冠層對(duì)降雨截流量的影響[32-33],1995年到2015年間CANMX的取值由57增加到72,與研究區(qū)主要土地利用類型由林地轉(zhuǎn)變?yōu)閳@地、草地,植被冠層數(shù)量增加有關(guān)。土壤蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù)ESCO是調(diào)整土壤中因毛細(xì)作用、土壤裂隙等對(duì)土層蒸發(fā)量的影響系數(shù)[34-35],其值由0.6增加到1,與研究區(qū)1995到2015年間林地減少、土壤層有效水減少、園地增長明顯及農(nóng)業(yè)用地的保墑作用使得土壤淺層的蒸發(fā)量減少有關(guān)。GW_DELAY[36-37]表示降水入滲補(bǔ)給地下水的滯后時(shí)間,1995年土地利用條件下地下水遲滯時(shí)間較2005年及2015年長,與1995年相比2005及2015年林地?cái)?shù)量大有關(guān),林地相比園地等其他土地利用類型,根系較為發(fā)達(dá),故會(huì)延長地表水補(bǔ)給地下水的時(shí)間。OV_N表示曼寧坡面粗糙系數(shù),1995年到2015年間N的取值逐步增大,與研究區(qū)土地利用變化導(dǎo)致的產(chǎn)量增大,水深增加有關(guān),Shen[38]等的研究表明,N值隨著水深的增加而增大。

顯然,土地利用變化對(duì)敏感參數(shù)取值的影響規(guī)律,符合敏感參數(shù)的物理意義。

圖4 1995—2015年敏感參數(shù)取值年變化率與綜合土地利用動(dòng)態(tài)度的關(guān)系Fig.4 The relationship between annual change rate of sensitive parameters and dynamic attitude of comprehensive land use from 1995 to 2015CN2：徑流曲線數(shù)；SOL_AWC：土壤層有效水容量；SOL_K：飽和滲透系數(shù)；CANMX：最大冠層截流量；ESCO：土壤蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù)；GW_DELAY:地下水滯后時(shí)間；

為了更好反映土地利用變化對(duì)敏感參數(shù)取值的影響,圖4比較了1995—2005年、2005—2015年各敏感參數(shù)值年變化率與綜合土地利用動(dòng)態(tài)度的關(guān)系。由圖可知,1995—2015年綜合土地利用動(dòng)態(tài)度為1.1%,2005—2015年綜合土地利用動(dòng)態(tài)度為0.1%,表明1995—2005年的土地利用變化比2005—2015年大。與此相對(duì)應(yīng),除CANMX外,其他參數(shù)值年變化率也是1995—2005年比2005—2015年大,表明土地利用變化越大,敏感參數(shù)取值變化越大。

3.2 敏感參數(shù)取值的區(qū)域差異

與Wang等[13]的研究結(jié)論相比,本文在驗(yàn)證了在模擬流域的徑流量時(shí),可以選擇模擬期間任何一年的土地利用作為輸入的觀點(diǎn)基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出不同土地利用條件下敏感參數(shù)取值發(fā)生了顯著變化。

為了比較在不同氣候地區(qū)、不同地表覆蓋情況下,模型參數(shù)對(duì)土地利用變化的響應(yīng)特征,為該模型應(yīng)用提供更有力支持,可與提供了敏感參數(shù)變化結(jié)果的類似研究[14]進(jìn)行比較,見表5。從敏感參數(shù)來看,與山美水庫流域相比,渭河流域與地下水及土壤有關(guān)的敏感參數(shù)較多,且敏感性較強(qiáng),是因?yàn)辄S河支流渭河流域?qū)儆谖鞅眱?nèi)陸干旱區(qū),與本研究東南沿海濕潤區(qū)山美水庫流域有較大差異,相比而言干旱區(qū)水文過程更復(fù)雜,雖然其降水量不多,但渭河流域靠近秦嶺等高大山脈,高山覆蓋厚厚的雪層為地下水提供源源不斷的補(bǔ)給[21]。從敏感參數(shù)取值變化來看,Li等[14]的研究中研究時(shí)段內(nèi)土地利用主要表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)用地草地顯著增加,建設(shè)用地增加不明顯,相應(yīng)的敏感參數(shù)土壤水分條件Ⅱ下的SCS徑流曲線數(shù)CN2的值隨著土地利用逐漸減??；最大冠層截流量CANMX的取值逐漸減小,曼寧坡面粗糙系數(shù)OV_N取值逐漸減小,地下水滯后時(shí)間GW_DELAY逐漸減小,而本研究從反面支持了上述觀點(diǎn),本文研究區(qū)在1995—2015年間土地利用變化主要表現(xiàn)為林地減少,建設(shè)用地增加,與此對(duì)應(yīng)敏感參數(shù)中CN2的取值,隨著土地利用在1995—2015年間逐漸增大；CANMX的取值逐漸增大,曼寧坡面粗糙系數(shù)OV_N取值逐漸增大,地下水滯后時(shí)間GW_DELAY逐漸減增大。

表5 敏感參數(shù)的區(qū)域差異

4 結(jié)論

以山美水庫流域?yàn)檠芯繀^(qū),基于SWAT模型,分別模擬1995年、2005年、2015年土地利用條件及相應(yīng)氣象條件時(shí)的年、月、日尺度徑流過程；分析了隨著土地利用變化模型徑流模擬敏感參數(shù)的變化,以及參數(shù)變化對(duì)不同時(shí)間尺度徑流模擬效果的影響,得出以下結(jié)論：

(1)1995—2015年間,研究區(qū)土地利用格局發(fā)生了較大變化,主要表現(xiàn)為林地轉(zhuǎn)向園地和建設(shè)用地、耕地轉(zhuǎn)向建設(shè)用地,3期土地利用條件下率定的SWAT模型都能較好地模擬山美水庫流域年、月、日尺度徑流,其模擬效率系數(shù)NS和決定系數(shù)R2均大于 0.65 和 0.78,相對(duì)誤差Re絕對(duì)值小于25%。

(2)1995—2015年間不同土地利用條件下最敏感的7個(gè)參數(shù)是一樣的,分別為CN2、SOL_AWC、SOL_K、CANMX、ESCO、GW_DELAY、OV_N；但敏感參數(shù)值隨著土地利用而變化,CN2、SOL_K、CANMX、ESCO取值逐漸增大,SOL_AWC、GW_DELAY取值逐漸減小,與林地轉(zhuǎn)變?yōu)閳@地、草地、耕地及建設(shè)用地增加導(dǎo)致的流域水源涵養(yǎng)能力變化有關(guān),且變化率基本與土地利用變化強(qiáng)度正相關(guān)。

(3)土地利用變化引起的參數(shù)變化,對(duì)年、月較長時(shí)間尺度徑流模擬效果的影響較小,對(duì)日徑流模擬效果影響顯著,且隨著土地利用變化強(qiáng)度的增加而增加。