摘要：由于氣候變化、土地利用變化及固溝保塬工程實施，黃土高原的水文循環(huán)變化備受世界關(guān)注?；赟WAT模型和中國大氣同化驅(qū)動數(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程;1995—2020年間，流域內(nèi)年平均徑流量減少了13 087.50萬m3，降幅達到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、1 923.70萬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m3。模擬研究固溝保塬工程和土地利用變化對馬蓮河流域徑流的影響在生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展方面具有十分重要的現(xiàn)實意義。

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

中圖分類號：TV121;P333

文獻標志碼：A

文章編號：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

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（42261144749;41877232）

作者簡介：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市實施的固溝保塬工程的驅(qū)動下，黃河流域水沙急劇下降的問題引起極大關(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)水文變化過程，以及目前正在實施的固溝保塬工程對水文生態(tài)的影響。固溝保塬工程于2007年由甘肅省提出，到2016年開始實施歷經(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)開展［4-5］。

地形和土地利用變化對水文要素的影響呈現(xiàn)出復(fù)雜性與不確定性態(tài)勢，國內(nèi)外學(xué)者圍繞這兩方面展開了一系列研究［6-7］。劇烈的人類活動（如水利工程修建、城市化進程等）改變了流域下墊面條件和水資源在時空尺度上的分配過程，對流域土壤濕度、蒸散發(fā)和流域產(chǎn)匯流過程造成了顯著影響［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，定量評估地形和土地利用對水文要素影響的方法主要有傳統(tǒng)檢驗統(tǒng)計分析及水文模型兩方面。其中，水文模型定量分析各驅(qū)動因子對徑流變化的影響，該方法物理機制強，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程的內(nèi)在機理［11］，在流域水文模擬方面有十分明顯的優(yōu)勢，被廣泛用于模擬流域人類活動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50年代開始長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徑流的補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km2的多沙粗沙區(qū)水土流失強度大，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，缺少對該流域固溝保塬過程和土地利用變化下的水文過程研究。

本文選取馬蓮河流域為研究區(qū)，基于雨落坪水文站長系列徑流數(shù)據(jù)，通過建立SWAT水文模型，設(shè)定不同模擬情景，定量評估溝頭填埋和土地利用變化對于流域徑流變化的貢獻，以揭示該流域人類活動對于徑流的水文響應(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，是黃河的三級支流，是黃河支流渭河的支流涇河的最大一級支流，位于35°14′N—37°23′N、106°40′E—37°23′E之間，干流全長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］。馬蓮河流域長期受水力和風(fēng)力的強烈侵蝕，形成了支離破碎、千溝萬壑的黃土溝壑區(qū)地貌。因此，馬蓮河流域也是實施水土保持工程、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］。因為長時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?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)合地面氣象站點數(shù)據(jù)和衛(wèi)星氣象數(shù)據(jù)，在NCEP/GFS背景場基礎(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。相對于CMADS V1.0，V1.2精度進一步提高，且時間序列有所增加。由于該數(shù)據(jù)集已經(jīng)與SWAT模型所需氣象數(shù)據(jù)格式進行了轉(zhuǎn)化匹配，只需通過ArcGIS輔助選取研究區(qū)范圍內(nèi)的站點數(shù)據(jù)，然后直接輸入到SWAT模型中［20］。本文數(shù)據(jù)說明見表1。為了方便柵格計算，需要對所選的柵格數(shù)據(jù)進行投影、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模型具有多個擴展子模塊，本文主要應(yīng)用其中的水文過程子模塊。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個階段組成，陸地產(chǎn)流階段的產(chǎn)流過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，河流中的流量通過馬斯京根方程來進行計算。

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 模型評價指標的選擇

本文SWAT模型適用性評價指標為決定系數(shù)（R2）和納什效率系數(shù)（ENS）。R2代表模擬值和實測值的相似程度，ENS代表模擬值和實測值的偏離程度，R2和ENS的取值情況見表2［23］。R2和ENS的計算公式如下：

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次徑流實測值;n為實測數(shù)據(jù)的個數(shù);Qavr為實測值的平均值;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個梯度（0～15°和gt;15°）。同時，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?shù)氐膶嶋H坡度值，需要進行必要的修正計算。在實際生產(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DEM誤差占主導(dǎo)因素，三階差分系列的坡度算法對此類誤差具有過濾和平滑作用，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，實際計算中使用了三階不帶權(quán)差分坡度計算模型［24-25］。為研究流域內(nèi)固溝保源工程（溝頭填埋）對徑流的影響，情景5通過修改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行回填（如圖2）。在其他參數(shù)不變的條件下帶入SWAT模型，計算徑流變化。最后將計算得到的徑流變化量進行等比例擴縮。

3 結(jié)果與分析

3.1 1995—2020年土地利用動態(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;草地呈先增加再減少然后增加趨勢，總體呈現(xiàn)增加趨勢。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，再運行ArcGIS的空間分析功能（Intersect），在不同時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)來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心的“中國1∶10萬土地利用數(shù)據(jù)”。這是目前中國精度最高的土地利用數(shù)據(jù)產(chǎn)品，已經(jīng)在國家土地資源調(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個參數(shù)進行率定。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個最為敏感的參數(shù)作為校準模型的最終參數(shù)，然后通過重復(fù)迭代得到較好的結(jié)果，見表4。

對徑流影響較大的參數(shù)有4個，分別為CN2、SOL-K、GW_DELAY、GW_REVAP，其他參數(shù)對徑流影響相對不顯著。其中，對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動的難易程度［26］，SOL-K參數(shù)的取值對模擬結(jié)果的敏感程度較高，說明研究區(qū)域的蓄水能力較高；GW_DELAY表示降水入滲補給地下水的滯后時間，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，會延長地表水補給地下水的時間，因此GW_DELAY對徑流較為敏感；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)的選取會影響SWAT模型對于降雨徑流過程、水文過程和地下水徑流過程的模擬準確性。

3.2.2 模型驗證與率定結(jié)果

將時間序列分為率定期（2009年1月至2014年12月）和驗證期（2015年1月至2018年12月），同時為了提高模擬精度，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個時期的徑流（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測資料的替代性。CMADS數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型中雨落坪把口站率定期R2為0.89、ENS為0.82，驗證期R2為0.85、ENS為0.79。兩者率定期和驗證期評價指標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程的模擬。

3.2.3 溝頭填埋和不同土地利用模式對徑流量的影響

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，見表5。由表5可知，對比情景1和情景2，在實施退耕還林工程前流域內(nèi)徑流量遠遠大于在實施退耕還林工程后，在實施退耕還林工程后，流域內(nèi)徑流量減少了4.56%；對比情景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、283.80萬、1 135.30萬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空上的轉(zhuǎn)移具有一定可逆性，在向外轉(zhuǎn)出的同時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，對地表水的下滲作用不夠強，降水易形成直接的徑流，下滲相對較小，從而達到增加徑流量的作用。草地和林地相對于耕地而言，在降水時能夠?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模型對馬蓮河流域徑流變化進行多情景模擬，該模型的優(yōu)勢在于綜合考慮氣候變化和多種人類活動的影響，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。草地在沒有過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較少，土壤緊實度一般較大［31］，入滲能力也相對較弱，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，在未來馬蓮河流域水土保持政策實施時，不僅僅需要考慮生態(tài)效應(yīng)，還應(yīng)該考慮其對徑流的影響。實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m3，這是因為固溝保塬工程（溝頭填埋）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)了場地的水文循環(huán)模式，同時也使得滲透介質(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，實現(xiàn)固溝保塬工程優(yōu)化組合，增加工程長期效果。

本文利用CMADS氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動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。需要說明的是，由于馬蓮河流域面積較大，全部實現(xiàn)情景5不太現(xiàn)實，所以本文采用了等比例擴縮換算。雖然與實際模擬結(jié)果會存在一定的誤差，且無法驗證，但對比基準完全一致，所以嚴格來說在一定程度上反映了固溝保塬工程建設(shè)對水文循環(huán)的影響。未來會采用野外試驗和敏感性分析等方法來進一步研究溝頭填埋對水文循環(huán)的影響。同時，綜合考慮流域的實際情況和經(jīng)濟發(fā)展政策等方面，更加準確地模擬出土地使用情況。尤其在構(gòu)建溝頭填埋情景時，需要進一步分析不同地形地貌因素對模型參數(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象，利用CMADS數(shù)據(jù)集驅(qū)動SWAT模型對流域內(nèi)徑流進行模擬，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好的SWAT模型中，利用SWAT 模型模擬結(jié)果對多種情景下的年平均徑流情況進行定量分析，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。林地、草地相比坡耕地對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m3。

參考文獻：

［1］PAN H L，RAN Q H，HONG Y Y，et al.Long-term impacts of ecosystem restoration on saturated hydraulic conductivity in the Loess Plateau［J］.Journal of Hydrology，2023，620：129337.

［2］HUO A D，YANG L，LUO P P，et al.Influence of landfill and land use scenario on runoff，evapotranspiration，and sediment yield over the Chinese Loess Plateau［J］.Ecological Indicators，2021，121：107208.

［3］杜敏，穆興民，何毅.黃土塬區(qū)馬蓮河流域侵蝕產(chǎn)沙變化特性［J］.泥沙研究，2021，46（2）：42-46.（DU M，MU X M，HE Y.Erosion and sediment yield in the Malian River basin of the Loess Tableland［J］.Journal of Sediment Research，2021，46（2）：42-46.（in Chinese））

［4］金釗，彭建兵，莊建琦，等.黃土塬溝道侵蝕擴張機理與固溝保塬工程的科學(xué)性［J］.中國科學(xué)：地球科學(xué)，2023，53（4）：806-822.（JIN Z，PENG J B，ZHUANG J Q，et al.Gully erosion and expansion mechanisms in loess tablelands and the scientific basis of gully consolidation and tableland protection［J］.Scientia Sinica Terrae，2023，53（4）：806-822.（in Chinese））

［5］胡春宏，張治昊，張曉明.維持黃河流域水沙平衡的調(diào)控指標閾值體系研究［J/OL］.水科學(xué)進展，2023：1-13.（HU C H，ZHANG Z H，ZHANG X M.Threshold system of regulation indicators for maintaining the runoff and sediment balance of the Yellow River basin［J/OL］.Advances in Water Science，2023：1-13.（in Chinese））

［6］TIAN P，TIAN X J，GENG R，et al.Response of soil erosion to vegetation restoration and terracing on the Loess Plateau［J］.Catena，2023，227：107103.

［7］王強，許有鵬，于志慧，等.快速城市化地區(qū)多尺度水文觀測試驗與暴雨洪水響應(yīng)機理分析［J］.水科學(xué)進展，2022，33（5）：743-753.（WANG Q，XU Y P，YU Z H，et al.Multi-scale hydrological experimental observations and responding mechanisms of storm floods in rapid urbanization areas［J］.Advances in Water Science，2022，33（5）：743-753.（in Chinese））

［8］任立良，沈鴻仁，袁飛，等.變化環(huán)境下渭河流域水文干旱演變特征剖析［J］.水科學(xué)進展，2016，27（4）：492-500.（REN L L，SHEN H R，YUAN F，et al.Hydrological drought characteristics in the Weihe catchment in a changing environment［J］.Advances in Water Science，2016，27（4）：492-500.（in Chinese））

［9］楊林，趙廣舉，穆興民，等.基于Budyko假設(shè)的洮河與大夏河徑流變化歸因識別［J］.生態(tài)學(xué)報，2021，41（21）：8421-8429.（YANG L，ZHAO G J，MU X M，et al.Attribution of runoff variations in Tao River and Daxia River based on Budyko hypothesis［J］.Acta Ecologica Sinica，2021，41（21）：8421-8429.（in Chinese））

［10］ZHAO Z X，HUO A D，LIU Q，et al.Spatiotemporal variation in the coupling relationship between human activities and soil erosion：a case study in the Weihe River basin［J］.Sustainability，2023，15（14）：10785.

［11］李昱，席佳，張弛，等.氣候變化對瀾湄流域氣象水文干旱時空特性的影響［J］.水科學(xué)進展，2021，32（4）：508-519.（LI Y，XI J，ZHANG C，et al.Impact of climate change on the spatio-temporal characteristics of meteorological and hydrological drought over the Lancang-Mekong River basin［J］.Advances in Water Science，2021，32（4）：508-519.（in Chinese））

［12］HUO A D，WANG X F，LIANG Y，et al.Integrated numerical model for irrigated area water resources management［J］.Journal of Water and Climate Change，2020，11（4）：980-991.

［13］向偉.基于穩(wěn)定同位素的黃土高原區(qū)域尺度土壤蒸發(fā)和地下水補給研究［D］.楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2021.（XIANG W.Study on soil evaporation and groundwater recharge based on stable isotopes in the Loess Plateau at regional scale［D］.Yangling：Northwest A amp; F University，2021.（in Chinese））

［14］黃維東，朱詠，王啟優(yōu)，等.馬蓮河流域泥沙演變規(guī)律及其成因分析［J］.人民黃河，2023，45（3）：19-23.（HUANG W D，ZHU Y，WANG Q Y，et al.Analysis of sediment evolution law and origin in Malian River basin［J］.Yellow River，2023，45（3）：19-23.（in Chinese））

［15］高文冰，姚聰聰，夏巖，等.觀測資料短缺地區(qū)水文模擬與地表水資源時空分布評價：以馬蓮河流域為例［J］.中國農(nóng)村水利水電，2023（7）：8-18.（GAO W B，YAO C C，XIA Y，et al.Hydrological simulation and evaluation of spatial and temporal distribution of surface water resources in areas with shortage of observational data：a case study of Malian River basin［J］.China Rural Water and Hydropower，2023（7）：8-18.（in Chinese））

［16］張耀宗，張多勇，劉艷艷.近50年黃土高原馬蓮河流域降水變化特征分析［J］.中國水土保持科學(xué)，2016，14（6）：44-52.（ZHANG Y Z，ZHANG D Y，LIU Y Y.Precipitation variation in Malianhe River basin of the Loess Plateau in recent 50 years［J］.Science of Soil and Water Conservation，2016，14（6）：44-52.（in Chinese））

［17］田成方.馬蓮河流域水安全研究［D］.金華：浙江師范大學(xué)，2010.（TIAN C F.Study on water security of Malian River basin［D］.Jinhua：Zhejiang Normal University，2010.（in Chinese））

［18］解建倉，張建龍，朱記偉，等.馬蓮河苦咸水來源分析及治理方案［J］.資源科學(xué)，2011，33（1）：77-85.（XIE J C，ZHANG J L，ZHU J W，et al.Analysis of brackish water sources and treatment plan in the Malian River［J］.Resources Science，2011，33（1）：77-85.（in Chinese））

［19］王雨山，韓雙寶，鄧啟軍，等.馬蓮河流域化學(xué)風(fēng)化的季節(jié)變化和影響因素［J］.環(huán)境科學(xué)，2018，39（9）：4132-4141.（WANG Y S，HAN S B，DENG Q J，et al.Seasonal variations in river water chemical weathering and its influence factors in the Malian River basin［J］.Environmental Science，2018，39（9）：4132-4141.（in Chinese））

［20］谷新晨，肖森元，楊廣，等.基于CMADS和SWAT模型的瑪納斯河流域水文過程模擬［J］.水資源與水工程學(xué)報，2021，32（2）：116-123.（GU X C，XIAO S Y，YANG G，et al.Hydrological process simulation of Manas River basin based on CMADS and SWAT model［J］.Journal of Water Resources and Water Engineering，2021，32（2）：116-123.（in Chinese））

［21］陳長征，甘容，楊峰，等.基于SWAT的徑流模擬參數(shù)優(yōu)化方案及不確定性分析［J］.人民長江，2022，53（7）：82-89.（CHEN C Z，GAN R，YANG F，et al.Parameters optimization scheme and uncertainty analysis of runoff simulation based on SWAT model［J］.Yangtze River，2022，53（7）：82-89.（in Chinese））

［22］唱彤，酈建強，郭旭寧，等.江漢平原水域空間格局時空演變特征及其驅(qū)動因素分析［J］.水科學(xué)進展，2023，34（1）：21-32.（CHANG T，LI J Q，GUO X N，et al.The spatial-temporal characteristics and driving forces analysis of water area landscape pattern changes on the Jianghan Plain［J］.Advances in Water Science，2023，34（1）：21-32.（in Chinese））

［23］張程鵬，張鳳娥，耿新新，等.巖溶地下河在SWAT中的概化方法：以畢節(jié)倒天河流域為例［J］.中國巖溶，2020，39（5）：665-672.（ZHANG C P，ZHANG F E，GENG X X，et al.Generalization method of karst underground river in SWAT：an example of the Daotian River watershed in Bijie，Guizhou［J］.Carsologica Sinica，2020，39（5）：665-672.（in Chinese））

［24］劉學(xué)軍，龔健雅，周啟鳴，等.基于DEM坡度坡向算法精度的分析研究［J］.測繪學(xué)報，2004，33（3）：258-263.（LIU X J，GONG J Y，ZHOU Q M，et al.A study of accuracy and algorithms for calculating slope and aspect based on grid digital elevation model（DEM）［J］.Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2004，33（3）：258-263 （in Chinese））

［25］姜健，李陽，王永澍.基于DEM的6種坡度提取算法的比較分析：以山東省青島市為例［J］.測繪與空間地理信息，2018，41（2）：195-199，206.（JIANG J，LI Y，WANG Y S.Comparison and analysis of 6 slope extraction algorithms based on DEM：a case study of Qingdao City，Shandong Province［J］.Geomatics amp; Spatial Information Technology，2018，41（2）：195-199，206.（in Chinese））

［26］郭偉，陳興偉，林炳青.SWAT模型參數(shù)對土地利用變化的響應(yīng)及其對不同時間尺度徑流模擬的影響［J］.生態(tài)學(xué)報，2021，41（16）：6373-6383.（GUO W，CHEN X W，LIN B Q.Response of SWAT model parameters to land use change and its effects on the simulation of runoff with different time scales［J］.Acta Ecologica Sinica，2021，41（16）：6373-6383.（in Chinese））

［27］武海喆，劉登峰，黃強，等.降水產(chǎn)品在黃土高原的精度評價及替代性研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2021，40（6）：31-40.（WU H Z，LIU D F，HUANG Q，et al.Study on accuracy evaluation and substitutability of multiple precipitation products on Loess Plateau［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2021，40（6）：31-40.（in Chinese））

［28］劉衛(wèi)林，李香，吳濱，等.修河中上游流域土地利用變化對徑流的影響［J］.水土保持研究，2023，30（3）：111-120.（LIU W L，LI X，WU B，et al.Impact of land use change on runoff in the middle and upper reaches of Xiuhe River basin［J］.Research of Soil and Water Conservation，2023，30（3）：111-120.（in Chinese））

［29］王磊，劉亭亭，謝建治.基于SWAT模型的張家口清水河流域土地利用情景變化對徑流影響研究［J］.水土保持研究，2019，26（4）：245-251.（WANG L，LIU T T，XIE J Z.Study on the effect of different land use scenarios on runoff in Qingshuihe basin of Zhangjiakou based on SWAT model［J］.Research of Soil and Water Conservation，2019，26（4）：245-251.（in Chinese））

［30］郝振純，蘇振寬.土地利用變化對海河流域典型區(qū)域的徑流影響［J］.水科學(xué)進展，2015，26（4）：491-499.（HAO Z C，SU Z K.Effects of land use change on runoff in the typical areas in Haihe River basin［J］.Advances in Water Science，2015，26（4）：491-499.（in Chinese））

［31］袁江，李瑞，舒棟才，等.基于SWAT模型的喀斯特流域產(chǎn)流特征對石漠化治理措施的響應(yīng)［J］.水土保持學(xué)報，2021，35（6）：151-160.（YUAN J，LI R，SHU D C，et al.Response of runoff characteristics of Karst watershed to rocky desertification control measures based on SWAT model［J］.Journal of Soil and Water Conservation，2021，35（6）：151-160.（in Chinese））

［32］梁越，秦偉，張勤，等.多時間尺度小流域侵蝕產(chǎn)沙對土地利用/覆被格局的變化響應(yīng)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2023，39（8）：155-166.（LIANG Y，QIN W，ZHANG Q，et al.Response of sediment yield under different temporal scales to land use/cover pattern changes in typical watershed of Loess Plateau［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2023，39（8）：155-166.（in Chinese））

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