基于SWAT模型的森林分布不连续流域水源涵养量多时间尺度分析

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森林水源涵养功能是森林生态系统服务功能的重要组成部分,森林水源涵养量的定量计算是森林水源涵养功能评估的主要内容。在全球气候变化的背景下,人类活动加剧,频繁改变了流域下垫面的空间分布,森林植被空间分布不连续,差异性较大。如何从流域水循环过程的模拟,揭示森林在水循环过程中的作用,从而定量计算森林分布不连续流域森林水源涵养量的时空变化,对于进一步完善森林水源涵养功能理论,具有重要的意义。选取国际上比较通用的半分布式水文模型Soil and Water Assessment Tool(SWAT),在分析该模型日径流模拟精度与目标函数——Nash效率系数(简称“Ens”)关系的基础上,提出反映流域森林斑块空间分布的流域日径流SWAT模型的构建方法;根据模型水循环过程的模拟结果,建立了不同时间尺度(年、月、日)森林空间分布不连续流域森林水源涵养量及其对森林面积空间变化响应的计算方法;提出了相应的森林水源涵养系数的概念,即以森林水源涵养量与相应降水量的比值来反映流域森林水源涵养能力。以社会经济快速发展,森林分布不连续特征明显的东南沿海晋江流域为例,应用1985年和2006年的土地利用,构建了反映两种森林条件的流域日径流模型,分别计算2002-2010年气象条件下的年、月、日的森林水源涵养量及其空间变化,结果表明:1)日尺度SWAT模型的Ens判别标准与年、月尺度有不同,当效率系数达到0.7左右时,模型模拟精度可以满足实际的要求,且Ens对洪水径流比较敏感,对枯水径流不敏感。2)通过把土地利用、土壤、坡度等面积阈值设定为0,可以实现含森林水文响应单元(HRU)与实际森林斑块空间分布上的匹配,使得相应的SWAT模型可以合理模拟森林在流域水循环中的作用。3)不同时间尺度森林水源涵养功能差异明显。森林水源年涵养量都为正值,多年平均森林水源涵养系数为0.243,且年际差异小。森林水源月涵养量大部分为正值,部分月份森林水源涵养量为负值,月涵养量的正负变化反映了丰水月份与枯水月份之间的森林蓄丰补枯作用。洪水期森林水源涵养量都为正值,枯水期是森林水源涵养量都为负值,森林蓄丰补枯作用明显。森林水源涵养量与降雨量密切相关,总体表现为年尺度相关系数最大,月尺度次之,日尺度最小。森林的空间分布是影响森林水源涵养量空间分布的重要因素。4)森林面积变化是各类土地利用转移的结果,相应的,森林面积变化导致的森林水源涵养量变化需考虑各类土地利用水源涵养的相对变化。森林面积减小导致森林水源涵养量变小。森林面积空间变化条件下,森林水源月涵养变化量与月降雨量相关关系较强,降雨量大的月份,森林水源月涵养变化量大。变化面积大小是影响森林水源涵养变化量空间分布的主要因素。5)本研究提出的应用分布式水文模型进行森林分布不连续流域水源涵养量及其森林面积空间变化响应的计算方法,为流域森林水源涵养功能评价提供了一种新的尝试。
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