馬蓮河流域固溝保塬工程水文響應(yīng)變化及優(yōu)化

摘要：由于氣候變化、土地利用變化及固溝保塬工程實(shí)施，黃土高原的水文循環(huán)變化備受世界關(guān)注?；赟WAT模型和中國(guó)大氣同化驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集（CMADS），定量分析了固溝保塬工程和4種土地利用情景對(duì)馬蓮河流域水文循環(huán)演變的影響。結(jié)果表明：SWAT +CMADS 模式能夠很好地模擬馬蓮河的水文變化過(guò)程;1995—2020年間，流域內(nèi)年平均徑流量減少了13 087.50萬(wàn)m3，降幅達(dá)到4.56%;流域內(nèi)退耕坡耕地全部還林/還草情景較2020年土地利用情景相比，年平均徑流量分別減少了283.80萬(wàn)、1 923.70萬(wàn)m3，固溝保塬工程（溝頭填埋）情景下年平均徑流量減少了1 135.30萬(wàn)m3。模擬研究固溝保塬工程和土地利用變化對(duì)馬蓮河流域徑流的影響在生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展方面具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：水文響應(yīng);固溝保塬工程;中國(guó)大氣同化驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集（CMADS）;SWAT模型;馬蓮河流域

中圖分類號(hào)：TV121;P333

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-6791（2023）06-0867-10

收稿日期：2023-05-30;網(wǎng)絡(luò)出版日期：2023-10-23

網(wǎng)絡(luò)出版地址：https：∥link.cnki.net/urlid/32.1309.P.20231020.1438.002

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（42261144749;41877232）

作者簡(jiǎn)介：霍艾迪（1971—），男，陜西西安人，教授，博士，主要從事水文與水資源研究。E-mail：huoaidi@126.com

黃河及其支流的河道水沙變化一直是生態(tài)學(xué)、水文學(xué)研究的重要課題，在退耕還林還草工程以及甘肅省慶陽(yáng)市實(shí)施的固溝保塬工程的驅(qū)動(dòng)下，黃河流域水沙急劇下降的問(wèn)題引起極大關(guān)注［1-3］。作為黃土高塬侵蝕區(qū)重要支流，研究黃河二級(jí)支流的馬蓮河徑流變化，有助于了解黃土高塬地區(qū)水文變化過(guò)程，以及目前正在實(shí)施的固溝保塬工程對(duì)水文生態(tài)的影響。固溝保塬工程于2007年由甘肅省提出，到2016年開(kāi)始實(shí)施歷經(jīng)了10 a之久，工程主要目的是降低塬區(qū)溝頭侵蝕。隨著《黃土高塬溝壑區(qū)“固溝保塬”綜合治理規(guī)劃（2016—2025年）》的執(zhí)行，黃土塬區(qū)固溝保塬工程相關(guān)研究工作已陸續(xù)開(kāi)展［4-5］。

地形和土地利用變化對(duì)水文要素的影響呈現(xiàn)出復(fù)雜性與不確定性態(tài)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞這兩方面展開(kāi)了一系列研究［6-7］。劇烈的人類活動(dòng)（如水利工程修建、城市化進(jìn)程等）改變了流域下墊面條件和水資源在時(shí)空尺度上的分配過(guò)程，對(duì)流域土壤濕度、蒸散發(fā)和流域產(chǎn)匯流過(guò)程造成了顯著影響［8-10］。因此，探討地形及土地利用變化情景下流域各水文要素特征對(duì)全面理解水資源演變特征及合理配置提供了新的思路。目前，定量評(píng)估地形和土地利用對(duì)水文要素影響的方法主要有傳統(tǒng)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析及水文模型兩方面。其中，水文模型定量分析各驅(qū)動(dòng)因子對(duì)徑流變化的影響，該方法物理機(jī)制強(qiáng)，能充分考慮空間上的差異，可在不同土地利用條件、多種氣候情景模式下進(jìn)行模擬，分析精度高。SWAT（Soil and Water Assessment Tool）水文模型全面考慮了水文要素變化的自然和人為因素，充分體現(xiàn)出了空間異質(zhì)性，能較為完整地揭示流域水文過(guò)程的內(nèi)在機(jī)理［11］，在流域水文模擬方面有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于模擬流域人類活動(dòng)和土地利用變化下的水沙演變［12］。

黃土高原擁有黃土高原塬區(qū)、丘陵溝壑區(qū)、風(fēng)沙區(qū)3種地貌。馬蓮河流域位于世界上最大的黃土塬——董志塬，代表著黃土高原塬區(qū)最典型的地貌特征。從20世紀(jì)50年代開(kāi)始長(zhǎng)期的水土流失治理工作，流域內(nèi)修建了很多類型的固溝保塬工程，這些工程極具有代表性，可以通過(guò)水文分析、情景模擬研究，優(yōu)化工程類型和布局。已有研究表明，馬蓮河流域地下水對(duì)徑流的補(bǔ)給約占多年平均徑流量的60%～80%，且由于流域內(nèi)黃土層厚度較大，存在一定的空間異質(zhì)性［13］。馬蓮河流域1萬(wàn)km2的多沙粗沙區(qū)水土流失強(qiáng)度大，是黃土高原丘陵溝壑區(qū)中水土保持生態(tài)功能區(qū)的重要組成部分，也是隴東黃土高原丘陵溝壑水土保持生態(tài)功能區(qū)的重要組成部分。目前，對(duì)于馬蓮河流域水文演變特征的研究主要包括泥沙演變規(guī)律［3，14］、地表水資源分布［15］及降水特征分析［16］等，缺少對(duì)該流域固溝保塬過(guò)程和土地利用變化下的水文過(guò)程研究。

本文選取馬蓮河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于雨落坪水文站長(zhǎng)系列徑流數(shù)據(jù)，通過(guò)建立SWAT水文模型，設(shè)定不同模擬情景，定量評(píng)估溝頭填埋和土地利用變化對(duì)于流域徑流變化的貢獻(xiàn)，以揭示該流域人類活動(dòng)對(duì)于徑流的水文響應(yīng)規(guī)律，為該地區(qū)水資源規(guī)劃及利用、水沙防治和城市建設(shè)管理等方面提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

馬蓮河流域地處董志塬東部，是黃河的三級(jí)支流，是黃河支流渭河的支流涇河的最大一級(jí)支流，位于35°14′N—37°23′N、106°40′E—37°23′E之間，干流全長(zhǎng)374.8 km，流域面積為19 018 km2，占涇河流域面積的42%。馬蓮河流域?qū)儆诘湫偷狞S土高原溝壑區(qū)，地勢(shì)北高南低，北部多以黃土丘陵為主，中部及西南部是黃土高原溝壑區(qū)，東南部是子午嶺，地形地貌為低山丘陵，為植被最好的水源涵養(yǎng)林［17］（圖1）。土壤類型主要為黑壚土、黃綿土，交錯(cuò)分布在流域范圍內(nèi)。流域上游鹽分含量高、水質(zhì)差，利用難度極大，不能飲用和灌溉，該地區(qū)水資源極度匱乏［18］。馬蓮河流域長(zhǎng)期受水力和風(fēng)力的強(qiáng)烈侵蝕，形成了支離破碎、千溝萬(wàn)壑的黃土溝壑區(qū)地貌。因此，馬蓮河流域也是實(shí)施水土保持工程、退耕還林還草政策的覆蓋區(qū)之一。河道淤泥含量很高，多年平均輸沙量約為1.34億t，占涇河年平均輸沙量的58%以上［19］。因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間且頻繁的土壤侵蝕，造成塬面萎縮以及土地荒漠化，很大程度影響了當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活。

2 數(shù)據(jù)及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

CMADS是利用多重網(wǎng)格三維變分方法結(jié)合地面氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星氣象數(shù)據(jù)，在NCEP/GFS背景場(chǎng)基礎(chǔ)上制作的再分析氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品，目前已經(jīng)更新到CMADS V1.2（2008—2018年）版本。相對(duì)于CMADS V1.0，V1.2精度進(jìn)一步提高，且時(shí)間序列有所增加。由于該數(shù)據(jù)集已經(jīng)與SWAT模型所需氣象數(shù)據(jù)格式進(jìn)行了轉(zhuǎn)化匹配，只需通過(guò)ArcGIS輔助選取研究區(qū)范圍內(nèi)的站點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后直接輸入到SWAT模型中［20］。本文數(shù)據(jù)說(shuō)明見(jiàn)表1。為了方便柵格計(jì)算，需要對(duì)所選的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行投影、重采樣至1 km后輸入至SWAT模型中。

2.2 研究方法

2.2.1 SWAT模型

SWAT模型具有多個(gè)擴(kuò)展子模塊，本文主要應(yīng)用其中的水文過(guò)程子模塊。流域范圍內(nèi)的水循環(huán)一般由陸地產(chǎn)流和河道匯流演算2個(gè)階段組成，陸地產(chǎn)流階段的產(chǎn)流過(guò)程主要影響子流域向河流輸入的水量和泥沙量等物質(zhì);而流域內(nèi)主河道匯流到流域出口處的水量和泥沙量等物質(zhì)發(fā)生在河道的演算階段［21］。其中，陸地階段水文循環(huán)可用水量平衡方程來(lái)表示：

Wt=W0+∑ti=1（Ri，day-Qi，sruf-Ei，a-Wi，seep-Qi，gw）（1）

式中：Wt為土壤最終含水量，mm;W0為土壤前期含水量，mm;Ri，day為第i天的降水量，mm;Qi，sruf為第i天的地表徑流深，mm;Ei，a為第i天的蒸發(fā)量，mm;Wi，seep為第i天存在于土壤剖面底層的下滲量和測(cè)流量，mm;Qi，gw為第i天的地下水出流量，mm。

河道匯流階段，河流中的流量通過(guò)馬斯京根方程來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

2.2.2 土地利用轉(zhuǎn)移分析

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以充分體現(xiàn)研究區(qū)固定時(shí)期內(nèi)不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化情況，從土地利用轉(zhuǎn)移矩陣中能清晰地得出不同土地利用類型之間面積的變化關(guān)系，以及得到不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移速率［22］。

2.2.3 模型評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇

本文SWAT模型適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)為決定系數(shù)（R2）和納什效率系數(shù)（ENS）。R2代表模擬值和實(shí)測(cè)值的相似程度，ENS代表模擬值和實(shí)測(cè)值的偏離程度，R2和ENS的取值情況見(jiàn)表2［23］。R2和ENS的計(jì)算公式如下：

R2=∑ni=1（Qi-Qavr）（Pi-Pavr）∑ni=1（Qi-Qavr）2∑ni=1（Qi-Pavr）22（2）

ENS=1-∑ni=1（Qi-Pi）2∑ni=1（Qi-Qavr）2（3）

式中：Qi為第i次徑流實(shí)測(cè)值;n為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù);Qavr為實(shí)測(cè)值的平均值;Pi為第i次模擬值;Pavr為模擬值的平均值。

2.2.4 情景設(shè)置

為了研究馬蓮河流域土地利用轉(zhuǎn)換對(duì)徑流的響應(yīng)情況，本文設(shè)置了5種情景：情景1、情景2分別為1995年和2020年土地利用歷史場(chǎng)景；情景3、情景4分別為退耕還草和退耕還林2種模擬情況；情景5為固溝保塬工程（溝頭填埋）場(chǎng)景。其中，情景3、情景4將2020年土地利用分布圖作為初始數(shù)據(jù)，在SWAT水文模型輸入數(shù)據(jù)中將坡度分為2個(gè)梯度（0～15°和gt;15°）。同時(shí)，把坡耕地類型（不包含緩坡地（一般小于15°），耕地多數(shù)屬于緩坡地，不屬于退耕還林范疇）分別轉(zhuǎn)為草地及林地。由于地形表面本身的復(fù)雜性以及研究方法和手段上的不同，直接從DEM上提取得到的并不是當(dāng)?shù)氐膶?shí)際坡度值，需要進(jìn)行必要的修正計(jì)算。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于數(shù)據(jù)采集方法、設(shè)備、內(nèi)插算法等因素，DEM誤差不可避免而且往往比較大，此時(shí)DEM誤差占主導(dǎo)因素，三階差分系列的坡度算法對(duì)此類誤差具有過(guò)濾和平滑作用，在所有的三階差分算法中以三階不帶權(quán)差分算法精度最高，因此，實(shí)際計(jì)算中使用了三階不帶權(quán)差分坡度計(jì)算模型［24-25］。為研究流域內(nèi)固溝保源工程（溝頭填埋）對(duì)徑流的影響，情景5通過(guò)修改DEM數(shù)據(jù)，將馬蓮河流域白馬溝內(nèi)的北胡同溝和王家溝村處的溝頭進(jìn)行回填（如圖2）。在其他參數(shù)不變的條件下帶入SWAT模型，計(jì)算徑流變化。最后將計(jì)算得到的徑流變化量進(jìn)行等比例擴(kuò)縮。

3 結(jié)果與分析

3.1 1995—2020年土地利用動(dòng)態(tài)變化

馬蓮河流域1995年、2020年的2期土地利用中，草地面積占比最大，坡耕地面積次之，林地面積相對(duì)較少（圖3、表3）。1995—2020年，城鄉(xiāng)建設(shè)用地逐漸增加，坡耕地逐漸減少;林地在1995—2005年期間逐年增加，2006—2020年期間趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)輕微減少趨勢(shì);草地呈先增加再減少然后增加趨勢(shì)，總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。在1995—2020年期間，流域范圍內(nèi)城鄉(xiāng)建設(shè)用地和未利用土地變化面積不大，但是幅度較大，分別變化了116.39%和90.91%；另外，水域減少了19 km2，林地增加了407 km2，坡耕地減少了791 km2，草地增加了321 km2。

利用馬蓮河流域1995年、2020年的2期土地利用資料，將柵格格式的土地類型轉(zhuǎn)換為矢量類型，再運(yùn)行ArcGIS的空間分析功能（Intersect），在不同時(shí)期土地利用類型矢量圖的基礎(chǔ)上做相交分析得到土地利用轉(zhuǎn)移情況。25 a間坡耕地、林地、草地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地發(fā)生了較大幅度的轉(zhuǎn)移。坡耕地有472.14 km2轉(zhuǎn)變?yōu)榱值兀?995年坡耕地總面積的6.14%;3 580.19 km2轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?，占?6.58%;85.31 km2轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)建設(shè)用地，占比1.11%，這可能與研究期間流域退耕還林還草及城鎮(zhèn)化建設(shè)有關(guān)。林地主要向坡耕地、草地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地等類型轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移面積為752.85 km2，占1995年林地面積的47.73%。草地主要向坡耕地、林地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地等轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)移面積為4 172.23 km2，占1995年草地面積的44.39%。不同土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)移，這充分表明馬蓮河流域土地利用類型的轉(zhuǎn)移是可逆的。本數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心的“中國(guó)1∶10萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)”。這是目前中國(guó)精度最高的土地利用數(shù)據(jù)產(chǎn)品，已經(jīng)在國(guó)家土地資源調(diào)查、水文及生態(tài)研究中發(fā)揮著重要作用。

3.2 SWAT模型校準(zhǔn)與結(jié)果分析

3.2.1 SWAT模型參數(shù)選擇及敏感性分析

在SWAT模型中，影響陸地產(chǎn)流、河道匯流的參數(shù)較多，參考參數(shù)的定義篩選出19個(gè)參數(shù)進(jìn)行率定。本文參數(shù)敏感性分析選用SWAT-CUP中的全局敏感性分析，根據(jù)SWAT-CUP中的全局敏感性排序，確定了11個(gè)最為敏感的參數(shù)作為校準(zhǔn)模型的最終參數(shù)，然后通過(guò)重復(fù)迭代得到較好的結(jié)果，見(jiàn)表4。

對(duì)徑流影響較大的參數(shù)有4個(gè)，分別為CN2、SOL-K、GW_DELAY、GW_REVAP，其他參數(shù)對(duì)徑流影響相對(duì)不顯著。其中，對(duì)于雨落坪站徑流影響最大的是CN2，CN2越大，流域的產(chǎn)流量就越大;其次對(duì)徑流影響較大的參數(shù)是SOL-K，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［26］，SOL-K參數(shù)的取值對(duì)模擬結(jié)果的敏感程度較高，說(shuō)明研究區(qū)域的蓄水能力較高；GW_DELAY表示降水入滲補(bǔ)給地下水的滯后時(shí)間，由于一部分坡耕地轉(zhuǎn)換為林草地，而林草根系較為發(fā)達(dá)，會(huì)延長(zhǎng)地表水補(bǔ)給地下水的時(shí)間，因此GW_DELAY對(duì)徑流較為敏感；GW_REVAP為淺層地下水再蒸發(fā)系數(shù)，GW_REVAP值越大，再蒸發(fā)量就越大。CN2、SOL-K、GW_DELAY、GW_REVAP參數(shù)的選取會(huì)影響SWAT模型對(duì)于降雨徑流過(guò)程、水文過(guò)程和地下水徑流過(guò)程的模擬準(zhǔn)確性。

3.2.2 模型驗(yàn)證與率定結(jié)果

將時(shí)間序列分為率定期（2009年1月至2014年12月）和驗(yàn)證期（2015年1月至2018年12月），同時(shí)為了提高模擬精度，將2008年作為預(yù)熱期。結(jié)果表明在月尺度上SWAT模型能較好地模擬2個(gè)時(shí)期的徑流（圖4）。根據(jù)前人研究［27］可知CMADS數(shù)據(jù)在黃土高原流域具有實(shí)測(cè)資料的替代性。CMADS數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型中雨落坪把口站率定期R2為0.89、ENS為0.82，驗(yàn)證期R2為0.85、ENS為0.79。兩者率定期和驗(yàn)證期評(píng)價(jià)指標(biāo)R2均大于0.80，ENS均大于0.75，表明本文使用CMADS數(shù)據(jù)集構(gòu)建的SWAT水文模型適用于馬蓮河流域水文過(guò)程的模擬。

3.2.3 溝頭填埋和不同土地利用模式對(duì)徑流量的影響

為了定量分析固溝保塬（溝頭填埋）和土地利用地類轉(zhuǎn)化對(duì)馬蓮河流域徑流的影響，本文將設(shè)置好的情景分別輸入已經(jīng)校準(zhǔn)的SWAT模型中，并保證氣候數(shù)據(jù)、土壤圖以及其他基本數(shù)據(jù)和模型設(shè)置不變。得到5種情景的年均徑流量，見(jiàn)表5。由表5可知，對(duì)比情景1和情景2，在實(shí)施退耕還林工程前流域內(nèi)徑流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在實(shí)施退耕還林工程后，在實(shí)施退耕還林工程后，流域內(nèi)徑流量減少了4.56%；對(duì)比情景2，情景3、情景4和情景5的年均徑流量分別減少1 923.70萬(wàn)、283.80萬(wàn)、1 135.30萬(wàn)m3。

4 討" 論

土地利用轉(zhuǎn)移情況表明，馬蓮河流域土地利用類型在時(shí)空上的轉(zhuǎn)移具有一定可逆性，在向外轉(zhuǎn)出的同時(shí)又伴隨著其他地類的轉(zhuǎn)入，這與劉衛(wèi)林等［28］研究結(jié)果較為一致。耕地的透水性較差，對(duì)地表水的下滲作用不夠強(qiáng)，降水易形成直接的徑流，下滲相對(duì)較小，從而達(dá)到增加徑流量的作用。草地和林地相對(duì)于耕地而言，在降水時(shí)能夠?qū)搅髌鸬揭欢ǖ慕亓髯饔?，隨之導(dǎo)致徑流量發(fā)生減少。城鄉(xiāng)建設(shè)用地的面積變化與徑流量的變化呈正相關(guān)，在這方面本文同前人的研究結(jié)論一致［29-30］。2020年相較于1995年，流域范圍內(nèi)徑流量減少了4.56%，表明馬蓮河流域退耕還林工程取得了非常好的成效。

本研究基于SWAT模型對(duì)馬蓮河流域徑流變化進(jìn)行多情景模擬，該模型的優(yōu)勢(shì)在于綜合考慮氣候變化和多種人類活動(dòng)的影響，獲得了較高的模擬精度。研究發(fā)現(xiàn)退耕還林、退耕還草、溝頭填埋3種措施都具有一定的蓄水截流效果。草地在沒(méi)有過(guò)多人為干擾的情況下，地面植被可以保持較高的覆蓋率，從而提高蓄水保墑效益;人工林地土壤受擾動(dòng)較少，土壤緊實(shí)度一般較大［31］，入滲能力也相對(duì)較弱，致使其地下徑流較小，而地表徑流較草地更多。退耕還林、還草對(duì)徑流主要起抑制作用，該結(jié)果與梁越等［32］研究結(jié)果一致。因此，在未來(lái)馬蓮河流域水土保持政策實(shí)施時(shí)，不僅僅需要考慮生態(tài)效應(yīng)，還應(yīng)該考慮其對(duì)徑流的影響。實(shí)施溝頭填埋工程措施后，流域年平均徑流量減少了1 135.30萬(wàn)m3，這是因?yàn)楣虦媳＼こ蹋项^填埋）完全再造了建設(shè)區(qū)原有的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，重構(gòu)了場(chǎng)地的水文循環(huán)模式，同時(shí)也使得滲透介質(zhì)的結(jié)構(gòu)與土性特征完全不同于原狀黃土，具有一定的滯留徑流的作用，能較好地降低下游溝道徑流量［1］。建議和林草措施結(jié)合，實(shí)現(xiàn)固溝保塬工程優(yōu)化組合，增加工程長(zhǎng)期效果。

本文利用CMADS氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)SWAT模型模擬馬蓮河流域在不同措施（包括固溝保塬工程）下的徑流變化，取得了較好的效果。需要說(shuō)明的是，由于馬蓮河流域面積較大，全部實(shí)現(xiàn)情景5不太現(xiàn)實(shí)，所以本文采用了等比例擴(kuò)縮換算。雖然與實(shí)際模擬結(jié)果會(huì)存在一定的誤差，且無(wú)法驗(yàn)證，但對(duì)比基準(zhǔn)完全一致，所以嚴(yán)格來(lái)說(shuō)在一定程度上反映了固溝保塬工程建設(shè)對(duì)水文循環(huán)的影響。未來(lái)會(huì)采用野外試驗(yàn)和敏感性分析等方法來(lái)進(jìn)一步研究溝頭填埋對(duì)水文循環(huán)的影響。同時(shí)，綜合考慮流域的實(shí)際情況和經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策等方面，更加準(zhǔn)確地模擬出土地使用情況。尤其在構(gòu)建溝頭填埋情景時(shí)，需要進(jìn)一步分析不同地形地貌因素對(duì)模型參數(shù)敏感性及模型模擬精度的影響。

5 結(jié)" 論

本研究以馬蓮河流域作為研究對(duì)象，利用CMADS數(shù)據(jù)集驅(qū)動(dòng)SWAT模型對(duì)流域內(nèi)徑流進(jìn)行模擬，設(shè)置4種不同土地利用情景和溝頭填埋情景并帶入校準(zhǔn)好的SWAT模型中，利用SWAT 模型模擬結(jié)果對(duì)多種情景下的年平均徑流情況進(jìn)行定量分析，得到以下主要結(jié)論：

（1） 基于CMADS氣象數(shù)據(jù)集+SWAT模型的模式適用于馬蓮河流域徑流的模擬。在月尺度上，徑流模擬的決定系數(shù)大于0.80，納什效率系數(shù)大于0.75，表明模型在該地區(qū)模擬精度較好。模擬結(jié)果顯示，1995—2020年間，馬蓮河流域年均徑流量減少了13 087.50萬(wàn)m3。

（2） 在不同模擬情景下，總體上截流效果表現(xiàn)為退耕還草gt;溝頭填埋gt;退耕還林。在退耕還林情景和退耕還草情景下，流域內(nèi)年均徑流量呈減少趨勢(shì)。林地、草地相比坡耕地對(duì)徑流有一定的抑制作用。

（3） 固溝保塬（溝頭填埋）情景下，短期內(nèi)能明顯減少流域范圍內(nèi)年平均產(chǎn)流量。相對(duì)于2020年土地利用情景，流域內(nèi)年均徑流量減少了1 135.30萬(wàn)m3。

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Hydrologic response change and optimization of gully consolidation and highland

protection in the Malian River basin based on CMADS and SWAT model

The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China （No.42261144749;No.41877232）.

HUO Aidi1，2，ZHAO Zhixin1，2，WANG Xing1，2，YANG Luying1，2，ZHONG Fangqian1，2，CHEN Jian1，2

（1. School of Water and Environment，Chang′an University，Xi′an 710054，China;

2. Key Laboratory of Subsurface Hydrology

and Ecological Effects in Arid Region，Ministry of Education，Chang′an University，Xi′an 710054，China）

Abstract：The hydrological cycle changes in the Loess Plateau have attracted a global attention due to the combination of climate，land use changes，and the implementation of gully consolidation and highland protection （GCHP） project.The Soil and Water Assessment Tool （SWAT） model and the China Meteorological Assimilation Driving Datasets （CMADS） were used to quantitatively analyse the effects of the GCHP project and four distinct land use scenarios on the evolution of the hydrological cycle in the Malian River basin.The results indicate that the SWAT and CMADS model effectively simulates the hydrological process changes in the basin.From 1995 to 2020，there was a decrease in the annual average runoff volume within the basin by 130.875 0 million m3，representing a reduction of 4.56%.Compared to the land use scenario in 2020，the average annual runoff in the scenario of converting all farmland back to forest/grassland in the basin decreased by 2.838 0 million m3 and 19.237 0 million m3，respectively while the average annual runoff in the scenario of GCHP project （gully head landfill） decreased by 11.353 0 million m3.The simulation study on the impact of GCHP project and land use changes on runoff in the Malian River basin has significant practical implications for ecological environment protection and sustainable development.

Key words：hydrological response;gully consolidation and highland protection project;CMADS;SWAT model;Malian River basin