Impacts of Land Use and Climate Change on Flood Season Runoff in Tropical Islands

doi:10.11988/ckyyb.20231412

Abstract

Abstract:

To analyze the impacts of land use and climate change on flood season runoff in tropical island regions, we selected the middle and lower reaches of the Nandu River basin in Hainan, a tropical river area, as the study area. We employed the SWAT model to simulate flood season runoff changes under different scenarios. Results indicate that, under the land use change scenario, converting cropland or planted forest land to natural forest land in the watershed reduces both the average monthly runoff and its variance during the flood season. Conversely, converting planted forest land to cropland increases these two parameters. The runoff generation capacity of cropland is larger than that of planted forest land and natural forest land in descending order. Under the climate change scenario, the average monthly runoff and its variance during flood season in the basin are directly proportional to rainfall and inversely proportional to temperature. Particularly, the flood season average monthly runoff changes at Longtang Station are more susceptible to climate change. In the integrated scenario, compared with the base period, the increment of average monthly runoff and its variance due to climate change significantly outweighs the decrease caused by land use change. Longtang Station shows higher sensitivity to climate change.

Key words: land use change, climate change, SWAT model, tropical islands, flood season runoff

CLC Number:

P339

Cite this article

XIONG Wei, YE Chang-qing, XUE Shi-yu, ZHU Li-rong, LI Jun. Impacts of Land Use and Climate Change on Flood Season Runoff in Tropical Islands[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025, 42(4): 45-51.

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URL: http://ckyyb.crsri.cn/EN/10.11988/ckyyb.20231412

http://ckyyb.crsri.cn/EN/Y2025/V42/I4/45

Figures/Tables 11

Fig.1 Location of the middle and lower reaches of the Nandu River Basin

Table 1 Basic data for SWAT model

数据类型	数据描述	数据来源	处理方法
DEM	30 m×30 m	地理空间数据云	ArcGIS裁剪、投影
土地利用数据	1990年、2000年、 2019年	武汉大学、海南省林业局	ArcGIS裁剪、重分类、镶嵌
土壤类型数据	HWSD土壤栅格数据	HWSD土壤数据库	裁剪、投影
土壤属性数据	土壤容重、饱和水力传导系数等	HWSD土壤数据库	使用SPAW软件计算
气象数据	1962—2019年逐日	中国气象数据网	SWATWeather软件计算
水文数据	1975—2001年龙塘、三滩水文站逐月径流	海南省水务厅	SWAT-CUP输入格式处理

Table 1 Basic data for SWAT model

数据类型	数据描述	数据来源	处理方法
DEM	30 m×30 m	地理空间数据云	ArcGIS裁剪、投影
土地利用数据	1990年、2000年、 2019年	武汉大学、海南省林业局	ArcGIS裁剪、重分类、镶嵌
土壤类型数据	HWSD土壤栅格数据	HWSD土壤数据库	裁剪、投影
土壤属性数据	土壤容重、饱和水力传导系数等	HWSD土壤数据库	使用SPAW软件计算
气象数据	1962—2019年逐日	中国气象数据网	SWATWeather软件计算
水文数据	1975—2001年龙塘、三滩水文站逐月径流	海南省水务厅	SWAT-CUP输入格式处理

Table 2 Setting of land use and climate change scenarios

情景	土地利用数据	气候数据
情景1	1990年	1962—1990年
情景2	将1990年所有耕地转变为天然林地	1962—1990年
情景3	将1990年所有人工林地转变为耕地	1962—1990年
情景4	将1990年所有人工林地转变为天然林地	1962—1990年
情景5	1990年	1962—1990年降水增加20%
	1990年	1962—1990年降水增加10%
	1990年	1962—1990年降水减少10%
	1990年	1962—1990年降水减少20%
情景6	1990年	1962—1990年温度升高4 ℃
	1990年	1962—1990年温度升高2 ℃
	1990年	1962—1990年温度降低2 ℃
	1990年	1962—1990年温度降低4 ℃
情景7	2019年	1962—1990年
情景8	1990年	1991—2019年
情景9	2019年	1991—2019年

Table 2 Setting of land use and climate change scenarios

情景	土地利用数据	气候数据
情景1	1990年	1962—1990年
情景2	将1990年所有耕地转变为天然林地	1962—1990年
情景3	将1990年所有人工林地转变为耕地	1962—1990年
情景4	将1990年所有人工林地转变为天然林地	1962—1990年
情景5	1990年	1962—1990年降水增加20%
	1990年	1962—1990年降水增加10%
	1990年	1962—1990年降水减少10%
	1990年	1962—1990年降水减少20%
情景6	1990年	1962—1990年温度升高4 ℃
	1990年	1962—1990年温度升高2 ℃
	1990年	1962—1990年温度降低2 ℃
	1990年	1962—1990年温度降低4 ℃
情景7	2019年	1962—1990年
情景8	1990年	1991—2019年
情景9	2019年	1991—2019年

Fig.2 Land use classification results in the middle and lower reaches of the Nandu River basin in 1990, 2000, and 2019

Table 3 Percentages of land use types in middle and lower Nandu River Basin in 1990, 2000, and 2019

土地利用类型	不同年份面积比例/%			1990—2019年面积变化率/%
土地利用类型	1990年	2000年	2019年	1990—2019年面积变化率/%
耕地	33.83	28.14	24.05	-9.78
天然林地	5.31	4.54	3.82	-1.49
人工林地	59.06	65.25	69.75	10.69
水体	1.32	1.32	1.34	0.02
城镇用地	0.49	0.75	1.05	0.56

Table 3 Percentages of land use types in middle and lower Nandu River Basin in 1990, 2000, and 2019

土地利用类型	不同年份面积比例/%			1990—2019年面积变化率/%
土地利用类型	1990年	2000年	2019年	1990—2019年面积变化率/%
耕地	33.83	28.14	24.05	-9.78
天然林地	5.31	4.54	3.82	-1.49
人工林地	59.06	65.25	69.75	10.69
水体	1.32	1.32	1.34	0.02
城镇用地	0.49	0.75	1.05	0.56

Table 4 Sensitivity parameters of the model

参数名称	参数定义	取值范围	最佳值	敏感性排名名次
V__ALPHA_BF.gw	基流系数	0~1	0.27	1
R__CN2.mgt	SCS径流曲线系数	-0.5~0.5	0.23	2
V__CH_K2.rte	主河道水力传导率	-0.01~500	152.89	3
V__CH_N2.rte	主河道曼宁系数	-0.01~0.3	0.02	4
R__ SOL_AWC(1).sol	土壤可利用有效水	-0.5~0.5	0.40	5
V__SURLAG(1).bsn	地表径流延迟时间	0.05~24	11.30	6
V__CANMX.hru	最大冠层截留量	0~100	0.69	7
R__SOL_K(1).sol	土壤饱和导水系数	-0.5~0.5	-0.22	8
V__REVAPMN.gw	深层地下水再蒸发系数	0~500	90.27	9
V__ESCO.hru	土壤蒸发补偿系数	0~1	0.04	10
V__EPCO.hru	植物蒸腾补偿系数	0~1	0.06	11
V__RCHRG_DP.gw	深蓄水层渗透系数	0~1	0.86	12
V__GW_DELAY.gw	地下水滞后系数	0~500	165.93	13
V__GWQMN.gw	浅层地下水径流系数	0~5000	2 441.28	14
V__GW_REVAP.gw	浅层地下水再蒸发系数	0.02~0.2	0.14	15

Table 4 Sensitivity parameters of the model

参数名称	参数定义	取值范围	最佳值	敏感性排名名次
V__ALPHA_BF.gw	基流系数	0~1	0.27	1
R__CN2.mgt	SCS径流曲线系数	-0.5~0.5	0.23	2
V__CH_K2.rte	主河道水力传导率	-0.01~500	152.89	3
V__CH_N2.rte	主河道曼宁系数	-0.01~0.3	0.02	4
R__ SOL_AWC(1).sol	土壤可利用有效水	-0.5~0.5	0.40	5
V__SURLAG(1).bsn	地表径流延迟时间	0.05~24	11.30	6
V__CANMX.hru	最大冠层截留量	0~100	0.69	7
R__SOL_K(1).sol	土壤饱和导水系数	-0.5~0.5	-0.22	8
V__REVAPMN.gw	深层地下水再蒸发系数	0~500	90.27	9
V__ESCO.hru	土壤蒸发补偿系数	0~1	0.04	10
V__EPCO.hru	植物蒸腾补偿系数	0~1	0.06	11
V__RCHRG_DP.gw	深蓄水层渗透系数	0~1	0.86	12
V__GW_DELAY.gw	地下水滞后系数	0~500	165.93	13
V__GWQMN.gw	浅层地下水径流系数	0~5000	2 441.28	14
V__GW_REVAP.gw	浅层地下水再蒸发系数	0.02~0.2	0.14	15

Table 5 Evaluation of monthly runoff simulation results for calibration and verification periods

站名	R²		E_ns		R_e/%
站名	率定期	验证期	率定期	验证期	率定期	验证期
龙塘	0.88	0.90	0.87	0.90	4.20	-4.30
三滩	0.82	0.82	0.82	0.81	-3.80	-7.40

Table 5 Evaluation of monthly runoff simulation results for calibration and verification periods

站名	R²		E_ns		R_e/%
站名	率定期	验证期	率定期	验证期	率定期	验证期
龙塘	0.88	0.90	0.87	0.90	4.20	-4.30
三滩	0.82	0.82	0.82	0.81	-3.80	-7.40

Fig.3 Comparison of monthly runoff between measurements and simulations

Table 6 Runoff simulation results under land use change scenarios

情景	径流变化率/%		方差变化率/%
情景	龙塘水文站	三滩水文站	龙塘水文站	三滩水文站
情景2	-16.44	-14.24	-22.27	-20.89
情景3	+19.25	+17.17	+27.56	+22.79
情景4	-8.81	-8.56	-19.11	-18.00

Table 6 Runoff simulation results under land use change scenarios

情景	径流变化率/%		方差变化率/%
情景	龙塘水文站	三滩水文站	龙塘水文站	三滩水文站
情景2	-16.44	-14.24	-22.27	-20.89
情景3	+19.25	+17.17	+27.56	+22.79
情景4	-8.81	-8.56	-19.11	-18.00

Table 7 Impact of climate change scenarios on runoff

情景	气候变化	径流变化率/%		方差变化率/%
情景	气候变化	龙塘水文站	三滩水文站	龙塘水文站	三滩水文站
情景5	P×(1+20%)	+33.81	+31.69	+59.38	+58.90
	P×(1+10%)	+16.79	+15.80	+27.84	+27.20
	P×(1-10%)	-16.33	-15.40	-24.75	-24.59
	P×(1-20%)	-32.32	-30.51	-46.30	-45.28
情景6	T+4	-5.08	-4.23	-3.51	-3.59
	T+2	-2.64	-2.20	-1.94	-1.77
	T-2	+2.60	+2.33	+1.64	+1.90
	T-4	+4.92	+4.42	+3.13	+3.47

Table 7 Impact of climate change scenarios on runoff

情景	气候变化	径流变化率/%		方差变化率/%
情景	气候变化	龙塘水文站	三滩水文站	龙塘水文站	三滩水文站
情景5	P×(1+20%)	+33.81	+31.69	+59.38	+58.90
	P×(1+10%)	+16.79	+15.80	+27.84	+27.20
	P×(1-10%)	-16.33	-15.40	-24.75	-24.59
	P×(1-20%)	-32.32	-30.51	-46.30	-45.28
情景6	T+4	-5.08	-4.23	-3.51	-3.59
	T+2	-2.64	-2.20	-1.94	-1.77
	T-2	+2.60	+2.33	+1.64	+1.90
	T-4	+4.92	+4.42	+3.13	+3.47

Table 8 Simulation results of different scenarios in the middle and lower reaches of Nandu River Basin

情景	径流变化率/%		方差变化率/%
情景	龙塘水文站	三滩水文站	龙塘水文站	三滩水文站
情景7	-2.82	-3.39	-3.88	-3.37
情景8	+14.72	+10.24	+121.46	+116.89
情景9	+11.63	+6.68	+116.39	+113.60

Table 8 Simulation results of different scenarios in the middle and lower reaches of Nandu River Basin

情景	径流变化率/%		方差变化率/%
情景	龙塘水文站	三滩水文站	龙塘水文站	三滩水文站
情景7	-2.82	-3.39	-3.88	-3.37
情景8	+14.72	+10.24	+121.46	+116.89
情景9	+11.63	+6.68	+116.39	+113.60

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