文摘

评估气候变化的影响和土地利用/覆盖变化(LUCC)流流域地区的政权是一个基础研究需要的可持续水资源管理和ecosocial发展。在这项研究中,一个综合统计和建模方法利用水土评估工具(SWAT)已经采用在两个流域的青藏高原东北部分离的个人影响气候和LUCC的流态指标。两LUCC和气候变化的综合影响导致增加年度Yingluoxia流域(YLC)地区的河流和下降Minxian流域(MXC)地区总流速及流水量的3.2%和4.3%,分别。气候变化表明在YLC流速及流水量的增加,下降MXC地区,占据总数的107.3%和93.75%流速及流水量的变化,分别反映了气候纬度对水流的影响。因此解释,更重要的气候因素影响比LUCC大小,可变性,持续时间、流动机制和组件,这意味着气候肯定占据了青藏高原东北部流态变化。

1。介绍

气候变化和土地利用/覆盖变化(LUCC)是重叠因素和功能两个关键驱动程序直接影响各流域水文过程(1,2]。特别是在干旱和半干旱地区,生态系统的脆弱和对气候变化更敏感,由于限制供水系统的可用性。研究人员因此专用的重大努力拓宽的理解这两个变量对水文过程的影响,以及流动制度(3]。众所周知,温室气体排放的浓度的增加导致全球气候变暖4]。因此,时间空间分布和降水的大小,频率和强度洪水和河流的充电和放电可能会相应地改变(5]。LUCC可以改变水流的协会代,蒸腾,拦截和生态系统保护6,7]。森林砍伐,例如,可以产生更高的流速及流水量之间的生成和减少延迟时间降水和径流导致最大流量的增加,洪水灾害风险,和严重的水土流失8,9]。相反,植树造林和集约农业康复可以显著减少河流的一代和触发流浓度的增加时间。尽管几个来源文献报道森林变化的相互作用,气候和水文活动(10),如何将这些因素纳入水文过程以及不同流机制仍不清楚。因此重要的是要收集更深入地影响气候和LUCC因素对流动的政权为了准确地量化不同的分水岭地区各自的角色。

可用的水文影响评估方法常用在文学包括流域配对实验,统计分析,测量与水文模型(11),但很少有这些参与流速及流水量政权研究[12,13]。此外,实验和统计方法治疗研究盆地作为一个黑盒,很少检查降水变化的复杂性,下垫面条件和气候变化之间的相互作用和各自的水文过程(2]。水文模型,然而,提供一个可行的框架,概念化和调查气候之间的关系,下垫面和水文过程在各种类别的时间和空间14,15]的方法one-factor-at-a-time(种)得到了广泛的应用16,17]。例如,Karlsson et al。18)建模的综合影响土地利用和气候变化对流域的水文位于丹麦。赵et al。19)评估了气候变化和土地使用影响绿色和蓝色在渭河流域水资源,中国西北。这些方法考虑水文过程及其与环境的相互作用。应该注意的是,水文模型更有效,因为他们直接联系模型参数物理观测到的地表特征(20.]。然而,假设在种方法是,在评价的过程中给定的因素对水文过程的影响,不考虑其他因素的影响。事实上,不考虑其他因素变化的同时在整个期间的观察可以分离结果贡献作为一个明显的偏见。分离的两个因素对水文过程的影响因此权证需要输入两个因素的适用状况基线期的整个时期。杨et al。21]建议结合统计和建模方法可以用来解决这种偏见,进一步确定了气候和土地覆盖变化对水文过程的影响在黑河。在这项研究中,研究结果更为合理和提供更大的精度比传统的种和其他统计方法。

Yingluoxia流域(YLC)和Minxian流域(MXC),在这项研究中,利用位于青藏高原东北部,这主要是受到北半球中纬度西风带和亚洲夏季季风,分别为(22,23]。这两个流域几乎是位于同一经度,但安静地不同的纬度。这意味着进一步北部水域,水蒸气含量越少。与此同时,这些地区是最敏感的区域的气候变化(24]。超过130万人和266000公顷的农田灌溉依靠水流从YLC地区(25]。这个流是至关重要的维持绿洲和农业生态系统(26,27]。MXC看作是一个重要的黄河水资源中心,但它也是一个地区解决甘肃黄土高原严重缺水地区(28]。因此,气候变化的影响的量化和LUCC流在这些地区政权为了澄清是至关重要的水文响应不同的气候类型和理解流态行为与不同气候和土地覆盖的组合。本研究的目标,因此,()定义一个概念框架,并提出一个修改是方法分离的个人贡献气候和LUCC流动制度,()来提高分离精度和与气候条件比较分离结果,和()比较,并获得更深入的洞察和理解这两个主要因素对水流的影响。结果可以提供一个有益的参考评估和适当的管理水资源的相关决策者和利益相关者在YLC MXC地区。

2。研究区和数据收集

2.1。研究区域

2.1.1。Yingluoxia流域(YLC)

YLC,黑河流域的源头地区,位于河西走廊中部,中国总排水面积10009公里²躺在99°和101°E和38°和39°N。海拔从5058米到1668米不等(图1)。YLC是主要地区一代的水流在整个盆地。大约90%的水资源在中下游因此充电的流速及流水量YLC地区。气候,主要由北半球中纬度西风带控制,特点是寒冷和潮湿的大时空异质性(29日]。平均年降水量超过400毫米,增加15.5 - -16.4毫米,每100米海拔的增加。近70%的年降水量发生从6月到9月,从11月到3月不到10%。年平均气温变化从−5°C到4°C,和降低0.5°C随着海拔增加每100米(30.]。年径流总量为16.05×10⁸米³有明显的年际变化31日]。在黑河条件在中国引起了极大的关注由于增加压力的国家,特别是水资源和自然环境的恶化行业(32,33]。

2.1.2。Minxian流域(MXC)

MXC Taohe河的上游源头,由总排水面积14912公里²一年一度的流速及流水量为26.8×10⁸米³,躺在101°和105°E和34°35°N,主导亚洲夏季季风。土地覆盖和地形变化从森林和高山草原和开放的峡谷28]。年平均气温增加从1到6°C,海拔从4562到2411米。年平均降雨量减少,从640年到560毫米MXC地区从西到东。占主导地位的气候变化从一个高山寒冷湿润半湿润气候温带半干旱气候,陆地植被和范围从高山草原和森林干旱草原和雨养耕地(34]。

2.2。数据收集

数字高程模型(DEM) (30 m×30 m),土壤类型(1:1000000)的地图,和土地利用图(100×100)的1980年代和2000年代收集的斯瓦特建模。土壤特性得到中国土壤数据库研究所的土壤科学,而土地使用性质也直接从SWAT模型数据库。地表径流数据来自黄河水文科学数据库的服务,其中包括从1980年到2010年月度时间序列和从中国气象局气象数据收集。后者提供至关重要的信息来源在《每日降水,最大和最小温度、日照时数、湿度和风速。长期测量测量空气温度和降水是因此聚合来确定每月值通过使用日常数据集。数据质量控制,气候和流速及流水量数据的均化已经测试使用标准正态均匀性测试。

3所示。方法

3.1。流态的度量

6代表河流政权指标,由流的大小(MMF, Lw75, Hg25)可变性(CvMF),持续时间(DMF)和组件,选择评价指标的气候变化的影响和LUCC流速及流水量(表1)[25,35]。值得注意的是底部流动指数(BFI)基流的分数超过总流速及流水量(16),它是由地下水。我们使用BFI反映了低流量流速及流水量组件的特性。由于限制的仿真性能长期每日流动制度在我们的研究区域,是不可能描述日常流程制度的细节特征。每月流量指标将是一个有效的替代方案,这已广泛应用在目前水管理策略。然而,每月流态仍然可以捕捉日常流动机制[的几个特征36]。

3.2。SWAT模型

斯瓦特是一个物理和数学为基础的水文模型开发的在美国农业部研究中心(37]。模型需要大量的专业信息,包括天气、土壤性质、地形、植被和土地管理实践。结果数据用于确定参数控制水文过程在给定的分水岭。详细描述模型和它的输入/输出变量在模型的公共领域的网站可以找到http://www.brc.tamus.edu/swat。

斯瓦特过程水文模拟运用水平衡的原则的水文响应单元(HRUs) [38),它定义相同的组合的区域地面坡度、土地利用和土壤类型(18]。水平衡方程给出 在哪里是最后的土壤水分(毫米)是初始土壤水分的时候吗(毫米)沉淀的时候吗(毫米)时间的河流(毫米)蒸散的时候吗(毫米)是水流的非饱和区土壤剖面的时候吗(毫米),从流域从地下水流的时候吗(毫米)。在这项研究中SCS(水土保持服务)曲线方法适用于计算流速及流水量体积数。Muskingum和Penman-Monteith方法用于路由和潜在蒸散估算流动。

3.3。框架将气候变化和LUCC的影响

在给定的流域水文过程的变化是由气候变化引起的LUCC,两者都是假定为独立因素(39]。在这项研究中,水文政权被视为这两个因素的函数。将离散的气候变化对水流流态的影响,我们已经创建了一个示意图来说明水文过程的变化以及气候变化下LUCC不同场景(图2)。

由于不同的反应不同的土地覆盖和水文过程之间的关系,我们的示意图显示流机制应对土地覆盖和(图2)。请注意,和流政权对气候变化的响应(Δ吗土地覆盖条件下)和 。通常情况下,和是不同的,当土地覆盖变化(Δ吗)是小的,更接近于 。因此,我们使用的平均值和表示不同的气候变化对水文的影响元素(): 在哪里 , , ,和捐赠流程制度价值点一个,B,C,D,分别。同样,流态的反应LUCC计算通过应用不同的土地使用条件的水文组件值和的气候条件下和 ,表示为和 ,分别。气候变化的变化(Δ越小),越接近是 。因此,我们接受的算术平均值和的单独影响LUCC水文元素(),

总水文要素的变化等于两个因素的贡献之和。总变化也可以估计水文要素的差异在两个时期, 在哪里代表总给定水文要素的变化;水文要素可以作为对年度统计平均值,季节性,或每月时间尺度21]。

在这项研究中,我们选择1982 - 1995年期间作为基线情况是感情和1996 - 2010年,随着土地利用每一段反映在一个单独的映射。土地利用图的1980年代和2000年代是用来表示两个时期的土地利用模式。校准SWAT模型应用于四种排列来自两个时间段和两个土地利用地图;以下这些被称为四个场景。LUCC和气候变化的影响量化比较的斯瓦特输出四个场景使用分离方程(2)和(3)),如下:( )1980年代土地使用和1982 - 1995年的气候 2000年代土地使用和1982 - 1995年的气候 1980年代土地使用和1996 - 2010年的气候 2000年代土地使用和1996 - 2010年的气候。

3.4。模型校准和验证

SWAT模型校准使用历史数据从1982年1月至1995年12月。验证周期是根据观察到的从1996年1月至2010年12月径流。热身时间是1980年1月至1981年12月。相关系数()、Nash-Sutcliffe系数(研究)和相对偏差(偏见)是用来评估性能的斯瓦特在校准和验证(40,41]。方程被定义为 在哪里是数据点的数量,是观察到的径流,是模拟径流,和模拟结果与实际观测值的平均值是径流,分别。模型的性能被认为是令人满意的如果了无大于0.5和偏差小于25%42]。

4所示。结果与讨论

4.1。SWAT模型的校准和验证

每月模拟水流具有良好的通信期间观察到的系列校准和验证(图3)。按照表2和图4模拟结果与实际观测值之间存在显著相关性水流在月度和年度的尺度上。即偏见是发现大约1.14%和6.80%的校准和验证段−0.15%和2.7%在YLC MXC区域,分别。YLC地区的相关系数是0.95和0.96月流水量和年度流速及流水量约为0.94和0.96,分别在校准和验证阶段。MXC地区的相关系数是0.90和0.94月流水量和年度流速及流水量约为0.91和0.96,分别在校准和验证阶段。YLC地区0.91和0.90中的分析了无月流水量和年度流速及流水量约为0.88和0.76,分别在校准和验证阶段。MXC地区,分析了无为每月0.85和0.74流水量,大约每年0.80和0.78的水流在校准和验证周期,分别。尽管对流域SWAT模型的性能验证期间发现不准确的校准周期和月度表现相比一般比每年的结果,性能仍然被认为是令人满意的结果,这表明基本降雨径流关系和水平衡包括intra-annual分布很好地捕获。我们因此断言,这些结果是“很好的表现”范围内的基准(42]。

4.2。土地利用/覆盖变化的特征

为了研究土地利用的变化从1980年到2010年,我们整合不同来源的土地利用进行相比,1980年代和2000年代,主要土地利用在两个时间片的比例从1980年代到2000年代。图5显示了一部分YLC和MXC区域的土地利用。土地利用结构显示轻微的变化从1980年代到2000年代。牧场是主导土地利用模式,占据约52%和61%的总面积YLC MXC,分别,其次是贫瘠的土地和森林、占领YLC总量的23%和22%,林地和农田,分别占据MXC总量的27%和7%。其他土地利用类型占不到2.5%,而有限的对径流的影响机制。

图6显示了土地利用的空间分布转换YLC和MXC地区。大约有331公里²在YLC和176公里²MXC地区已经改变了他们的土地利用类型占据约3.3%和1.2%的整个流域进行类型转换,分别。我们主要关注占领了大片的土地利用转换和径流政权可能会导致重大的变化。YLC地区森林草场的增加主要是由于转换(63.65公里²),这主要是归功于造林项目,在祁连山生态环境恢复项目在2000年代初推出(43]。草地面积增加的结果转换从贫瘠的土地(226.03公里²),这是由于全球变暖导致牧场一直延伸到高海拔地区(33]。其他两个转换类型YLC牧场农田(13.3公里²贫瘠的土地(28.37公里)和冰川²),它占据了土地利用转换总面积的12%左右。土地利用转换显示YLC地区植被动态的增加,这可能会导致增加林冠截留并通过植被蒸腾,同时降低流速及流水量。MXC地区三个主要转换类型是森林,牧场(34.44公里²农田(92.37公里),牧场²),和农田牧场(37.23公里²)(图6 (b))。由于森林砍伐森林转换牧场主要发生在三个林场。牧场的转换农田是最大的土地利用类型转换MXC地区,由于牧民定居下来,草原是回收44]。农田牧场主要结果的转换从退耕还林项目实施在2000年代早期在黄土地区的低流(34]。其他三个占领小面积转换类型:森林,农田(3.26公里²住宅(3.59公里),牧场²住宅(5.89公里),和农田²)。这些转换相关城市化和回收。从上面的分析,我们可以得出这样的结论:气候变化影响土地利用转换YLC地区土地利用变化和人类活动影响MXC地区30年。

4.3。观察到的降水变化、空气温度和流速及流水量

图7显示了年降水的变化、河流和空气温度和MXC YLC地区整个建模期间以及线性拟合观测值。类似的这些元素的变化发生在两个分水岭。降水和径流减少的趋势从1980年到1995年,从1996年到2010年增加水域。然而这些减少或增加的趋势在YLC比MXC比较微小。这表明,水汽来源的变化由于气候变化更明显比YLC MXC。这主要是因为亚洲夏季季风会影响MXC地区显著多于YLC地区导致更多的水蒸气在MXC比YLC地区(22]。然而,降水和水流趋势情况下的结果没有通过显著性检验的0.05,除了MXC地区河流期间1980 - 1995。YLC地区气温的增加趋势明显比MXC地区率为0.0381°C / a ( )YLC相比0.0265°C / a ( )MXC地区从1980年到1995年。重要的是要注意,显著提高空气温度的大小意味着重要的对流域蒸散的影响。不同的降水和径流之间的改变率,我们可以发现,蒸散在YLC MXC相比并不密集。基于上述分析,很明显,降水和河流改变了一个值得关注的程度在1995年和1996年。根据这一点,我们把1980 - 1995年期间基线阶段和1996 - 2010年期间的感情阶段在我们的研究中。

4.4。气候变化和LUCC对水流的影响机制

表3显示了水流模拟的结果SWAT模型提出了四个假设场景下部分3所示。3。相比 ,平均年径流模拟似乎YLC地区增加约5.6毫米,似乎减少了大约8.0毫米MXC地区。这些变化的结果导致,分别3.1%和4.3%的总流水量的变化。它代表了气候和土地利用变化影响期间1980年至2000年的两个分水岭。之间的区别和和之间的),)显示土地利用变化的影响在两个时期。分离方程(3)是用来评估土地利用变化的影响。结果还表明,土地利用变化导致平均流速及流水量减少约0.4毫米和0.5毫米,然后占大约7.30%和6.25%的年平均流速及流水量YLC和MXC区域的变化。气候变化的影响在两个时期可以计算之间的区别和和之间的和( 。6毫米的气候变化增加流速及流水量约占总量的107.30% YLC地区流速及流水量变化和流速及流水量下降约7.5毫米,约占总量的93.75% MXC流速及流水量变化区域。这表明气候变化显示了相反的对水流的影响,气候的影响超过了到目前为止的LUCC研究在两个分水岭。

4.1.1。LUCC对流动的影响机制

本文模拟结果的测量数据用于水文模型的结果进行比较。流量历时曲线(FDC)应用于每月流量进一步量化水文时空变化的机制。流持续时间曲线是一个简单而全面的流流分析方法,给出了相关的整体可变性的图形视图流量在一段时间内(16]。MXC地区YLC流持续时间曲线,如图所示8与不同的时间片。之间的对比和和之间的和显示了土地利用变化的影响在这两个研究阶段。从数据8(一个)和8 (b)之间的差异,我们可以看到两个YLC地区的土地利用情况。土地使用情况的曲线在2000年代几乎低于下的曲线为1980年代的土地利用情况。这表明LUCC导致减少每月的流量YLC地区虽然减少影响非常小。数据8 (c)和8 (d)当前LUCC的差异影响MXC地区流量历时曲线。显然,两条曲线的1980年代和2000年代的土地利用情况几乎是重叠的。这意味着LUCC MXC对河川径流的影响几乎可以忽略不计。基于上述分析,很明显,LUCC影响有限流政权在这两个流域,主要归因于相比非常小的区域土地利用变化的整个流域地区。

10/24/11。气候变化对流动的影响机制

图9介绍了气候变化对河川径流的影响在不同的土地使用情况在两个集雨。两片的曲线在每个土地利用情况和各自的集雨交织在一起。这反映了气候变化的不确定性和复杂性,在这些地区。LUCC的影响相比,气候变化对河川径流的影响更明显,表明气候因素对河流的影响主要在这两个研究集雨。然而,气候变化的影响和对水流LUCC不同阶段的各种流量历时曲线。因此,我们选择了六个代表河流政权指标确定的单独影响气候变化和LUCC对两流域河川径流。

由于合并后的气候和土地利用变化的影响,相应的六流政权似乎已经改变了。从表4,我们都可以看到,气候变化导致流水量指标增加YLC地区,除了CvMF的减少。这意味着气候变化增加高速流和低流量、流速及流水量减少的变化。相反,气候因素对流速及流水量指标有相反的影响在MXC地区。即气候导致降低流速及流水量指标,除了BFI,表明气候变化能够诱导减少高速流,低流量、流速及流水量的变化。LUCC导致MMF, Lw75、Hg25 CvMF减少和DMF和BFI增加两个分水岭。这些变化意味着LUCC会导致降低流速及流水量的大小和变化,同时增加基础流。与此同时,气候变化因素更大贡献所有的流水量指标相比LUCC分水岭。根据这一点,我们可以得出这样的结论:所有流水量指标比LUCC从气候变化有更大的贡献,表明气候变化是更相关的流程制度的转变。因此可以断言,气候变化的贡献行为主导的变化流动制度和土地使用演绎的贡献相对较小。

本研究试图解决气候变化和LUCC对水流的影响在两个选择流域和比较他们的不同的影响对主要气候类型和土地覆盖状况。发表的文献中,有一些以前的研究工作都集中在气候和土地覆盖变化的影响的调查21,26,45- - - - - -48]。这些研究的结果同意我们的研究的主要发现,气候变化已经影响了河流政权更重要比土地利用/覆盖变化研究地区(21,48,49]。值得注意的是,我们的研究也强调气候和土地利用/覆盖变化的影响在流动制度和气候对河流的纬度的影响机制。这项研究的结果进一步证实了气候变化提供了一个决定性的影响大小,可变性,持续时间、流速及流水量政权和组件。

5。结论

中国水资源的赤字的重要性引起了调查水文过程变化的因果关系。人们普遍认为这些过程主要是由气候条件控制。尽管如此,它也相信他们被LUCC的强烈影响。后者的效果是由人为活动,部分的原因是气候变化。在目前的研究中,斯瓦特方法成功地应用于不同的气候和土地覆盖变化对水流流态的影响青藏高原东北部的两个分水岭。本研究证实了SWAT模型的有用性分离相比气候变化的影响在LUCC流机制。

一体化的LUCC和气候变化的影响是增加年度流速及流水量的5.6毫米YLC地区和后续年度流速及流水量的减少8.0毫米MXC地区的大约3.2%和3.4%的总流水量,分别。很明显,在两个流域气候变化显示了相反的效果。结果表明,气候变化正在确认大于LUCC对水流的影响,导致YLC流速及流水量的增加,下降MXC地区,测量大约107.3%和93.75%的总流水量的变化,分别。LUCC影响显示的变化约−径流总量的7.3%和6.25%。这些结果的结果是基于收集的数据进行的分析,在过去的30年里,表明气候变化有重大影响而LUCC研究地区的流动机制。气候变化是因此更可以看到相关的转移流动机制和控制青藏高原东北部的水文过程变化。

明显从研究中,我们得出结论,关键是应用集成的方法,结合气候、LUCC的影响流的准确评估制度。未来的调查应该这样解决研究不同的环境场景的投影面积,也考虑到预测气候变化和LUCC中固有的不确定性。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由国家重点研发项目的中国(2017 yfc0404302 2016 yfc0400908),关键前沿科学研究项目,中科院(QYZDJ-SSW-DQC031),中国国家自然科学基金项目(41601038),和中国博士后科学基金会(2015 m572620)。作者感谢科学数据中心在寒冷和干旱地区和中国气象数据共享服务系统提供数据。