使用改进的校准技术对太平洋西北地区野火引起的水文响应进行建模

《Environmental Innovation and Societal Transitions》：Modeling hydrologic response to wildfires in the Pacific Northwest with a modified calibration technique

森林火灾导致的水文响应机制研究——以2020年俄勒冈西部喀斯喀特山脉野火为例，采用改进的SWAT模型整合植被损失与土壤参数化模块，揭示火灾严重程度与蒸散发下降、高洪峰增加及年径流波动间的显著相关性，为林区水文学模拟及灾害防控提供新方法。

　　

作者：Hyunwoo Kang、Cameron E. Naficy、Kevin D. Bladon

美国华盛顿州立大学土木与环境工程系，普尔曼市

摘要

2020年美国俄勒冈州西部喀斯喀特山脉的劳动节大火烧毁了大片森林区域，改变了水文过程、水质、水生生态系统和饮用水资源。了解野火严重程度对水文过程的影响对于改进水资源管理至关重要。我们的研究使用改进的校准方法对土壤和水资源评估工具（SWAT）模型进行了评估，以研究野火严重程度对水文过程的影响。校准过程中考虑了蒸散量和叶面积指数，以反映植被损失和水文影响。我们还整合了一个野火模块来模拟火灾对土壤和植被参数的影响。这种改进的建模方法有效地捕捉了火灾后的水文行为，特别是高流量增加和蒸散量减少的现象，且这些变化与更高的火灾严重程度密切相关。这些发现强调了在水文建模中考虑火灾严重程度的重要性，有助于制定积极的管理和缓解策略，以保护水资源并增强易发生野火地区的生态系统韧性。

引言

近年来，太平洋西北地区（PNW）发生的大规模、更严重的野火日益增多，这引发了人们对水文过程、流量、水质、水生生态系统和饮用水处理影响的担忧（Bladon等人，2014年；Robinne等人，2020年）。野火会对许多水文过程产生显著且持久的影响（Long和Chang，2022年；Robinne等人，2020年）。例如，森林冠层和地表覆盖物的丧失会导致截留量减少，从而使净降水量增加（Ma等人，2020年；Williams等人，2019年）。尽管净降水量有所增加，但由于植被损失，许多研究观察到在林分或流域尺度上蒸散量有所减少（Collar等人，2021年；Ma等人，2020年；Niemeyer等人，2020年；Poon和Kinoshita，2018年）。除了蒸散量减少外，更多的水分到达土壤表面以及径流路径的改变通常会导致峰值流量和年水量的变化，这些变化可能在火灾后持续多年（Hallema等人，2017年；Holden等人，2012年；Stoof等人，2012年）。此外，野火还会改变土壤的物理性质，如表面密封、灰分沉积和防水层的形成，从而影响渗透、地表径流、坡面径流和侵蚀过程（Ebel等人，2012年；Ebel和Moody，2020年；Moody等人，2015年）。这些土壤变化还会通过改变土壤物理性质来影响土壤湿度动态（González-Pelayo等人，2024年；Stevens等人，2020年），可能影响火灾干扰后的植被恢复和植物再生（Yang等人，2022年）。

火灾严重程度是指野火对植被和土壤造成的影响程度，是火灾后水文变化的关键决定因素。例如，Kang等人（2024年）研究了2020年俄勒冈州西部喀斯喀特山脉劳动节大火对几个流域的径流和蒸散量的影响，发现蒸散量的减少和径流的增加与火灾严重程度和烧毁面积密切相关。另外，一项在太平洋西北地区的研究发现，中度至高度火灾影响的流域在火灾后的峰值流量增加了21-34%，而低严重程度区域的峰值流量影响很小（约2%）（Li等人，2023年）。然而，火灾严重程度与水文响应之间的关系复杂，受多种因素影响，导致结果存在较大的不确定性和变异性（Saxe等人，2018年；Spencer和Winkler，2024年）。此外，实证研究在空间和时间上往往受到限制，这限制了知识的转移能力和我们进行准确预测的能力（Emmerton等人，2020年；Wu等人，2021年）。

水文模型常被用作研究火灾对水文影响的有效工具，因为它们能够模拟复杂的水文过程（Ebel等人，2023年；Kiesel等人，2013年；Loiselle等人，2020年；Wampler等人，2023年）。许多水文模型已被改编用于评估火灾对水文的影响，不同的模型适用于不同的空间和时间尺度（Ebel等人，2023年）。例如，区域水生生态模拟系统（RHESSys；Tague和Band，2004年）模型被用于评估火灾对植被碳循环的影响（Bart等人，2020年），以及气候变化对火灾模式的影响（Hanan等人，2021年）。同样，水蚀预测项目（WEPP；Elliot，2004年）是一个基于过程的水文和侵蚀模型，用于模拟火灾对水量和质量的影响（Dobre等人，2022年）。这些例子说明了不同模型在不同空间尺度上的运作方式，每个模型在捕捉火灾-水文相互作用的具体方面具有独特的优势。

土壤和水资源评估工具（SWAT；Arnold等人，1998年；Neitsch等人，2011年）是一个半分布式、连续的过程模型，近年来越来越多地被用于评估河流流域尺度上的火灾对水文的影响（Basso等人，2020年；Loiselle等人，2020年；Wampler等人，2023年）。与其他用于评估火灾对水文影响的水文模型相比，SWAT适用于相对较大的流域，并且过程复杂性较低（Ebel等人，2023年）。SWAT最初是为农业系统开发的，后来通过更新植物生长、森林动态和养分循环等功能进行了改进，以更好地模拟森林生态系统中的水文过程（Lai等人，2020年；Yang和Zhang，2016年；Zhang等人，2020年）。最近，Haas等人（2022a，2022b）提出了一种新的校准方法，通过重新参数化森林植被（包括蒸散量、生物量和叶面积指数（LAI）的校准，改进了森林流域的水量平衡模拟。这些改进提高了SWAT在模拟大流域火灾引起的水文变化方面的适用性，同时保持了计算效率。

近年来，来自卫星和遥感产品的水文数据量和类型显著增加，包括降水、土壤湿度、地下水位、积雪覆盖和蒸散量等数据，这些数据提高了我们理解水文循环的能力。在代表蒸散量的数据集中，NASA的中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据集在美国被广泛用于SWAT模型的校准（Dangol等人，2023年；Koltsida和Kallioras，2022年）。多项研究使用MODIS蒸散量数据校准SWAT，从而提高了流域模型的预测准确性（Parajuli等人，2018年；Tobin和Bennett，2017年），展示了使用基于遥感的蒸散量数据的价值。然而，之前的野火研究尚未专门针对森林流域进行蒸散量校准。虽然其他研究使用SWAT研究了火灾对流量和峰值流量的影响（Wampler等人，2023年），并通过整合蒸散量和LAI校准改进了其在森林流域中的应用（Haas等人，2022b），但尚未有研究将这两种校准方法结合在一起，用于受火灾影响的森林流域。因此，SWAT在解决火灾后水文动态和火灾严重程度影响方面的应用不足。最近，SWAT+模型（Bieger等人，2017年）作为SWAT系列的最新版本，提供了更高的空间灵活性和更好的土地管理操作表示能力，包括在管理模块中纳入火灾操作的功能。我们的研究使用了SWAT 2012版本，该版本仍被广泛用于火灾相关的水文模拟（Wampler等人，2023年），此处介绍的校准框架和野火参数化与SWAT+中引入的结构概念一致。

在我们的研究中，我们基于这些最近开发的方法改进了SWAT模型对森林和野火动态的模拟校准。我们实施了额外的野火校准步骤，以进一步改进野火模块，并评估了修改后的SWAT模型对火灾驱动的水文变化的模拟。通过解决这一空白，我们旨在推进SWAT在森林流域火灾影响分析中的应用。具体来说，我们评估了2020年劳动节大火期间美国俄勒冈州西部喀斯喀特山脉两个流域中大规模、高严重程度野火对水文通量的影响。在这些事件中，五场大型野火（Archie Creek、Beachie Creek、Holiday Farm、Lionshead和Riverside）烧毁了超过343,900公顷的土地，摧毁了4,000多栋房屋（俄勒冈州林业部，2022年）。异常干燥的条件和强东风助长了火灾的蔓延，使其迅速扩散并造成严重破坏（Abatzoglou等人，2021年）。这些事件突显了关于火灾严重程度如何影响火灾后蒸散量、径流和流量以及总体水量平衡的关键知识空白。我们的具体目标是：

研究区域

在我们的研究中，我们选择了俄勒冈州喀斯喀特山脉的两个大型子流域，它们是威拉米特河流域的支流（图1）。McKenzie河流域为俄勒冈州尤金地区的约20万人提供饮用水（Kraus等人，2010年），而North Santiam河流域为俄勒冈州塞勒姆地区的约20万居民供水。这些流域位于地中海气候区，夏季干燥温暖，冬季凉爽湿润。

森林系统的基准模型校准

默认校准程序和修改后的校准程序在两个流域产生了相似的流量模拟结果（表6）。默认模型和修改后模型的最终校准参数值也提供在补充材料中（表S1–S3）。在McKenzie流域，修改后的模型在校准期间的表现略优于默认模型（NSE = 0.88 vs. 0.87；R2 = 0.90 vs. 0.88），而验证结果也相似。在North Santiam流域，两种模型的表现也相似。

讨论

在我们对美国俄勒冈州两个被烧毁的子流域的研究中，我们展示了如何通过校准SWAT模型来改进季节性和火灾后的水文及植被通量模拟。我们的方法提高了对火灾引起的水文通量（季节性径流、峰值流量、水量平衡、蒸散量和叶面积指数）的模拟精度，而使用传统校准方法的SWAT模型在这些方面的表现较差。此外，我们证明了火灾

结论

在我们的研究中，我们采用了一种改进的校准技术，将更详细的森林和野火模块纳入SWAT模型，以改进对美国俄勒冈州研究流域火灾后水文响应的模拟。通过校准模型中的蒸散量通量和森林生态系统的LAI恢复情况以及流量，SWAT能够更准确地描述火灾严重程度对水量平衡和水文动态的影响。我们的模型模拟表现良好

软件和数据可用性

• • 土壤和水资源评估工具（SWAT）
• • 开发者：美国农业部（USDA），农业研究服务（Jeff Arnold博士）
• • 首次可用年份：1998年
• • 联系方式：https://swat.tamu.edu/support/
• • 免费
• • 程序语言：Fortran
• • 软件和源代码：https://swat.tamu.edu/software/swat/
• • 详细安装、测试和部署文档：https://swat.tamu.edu/
• • 数据可用性：

CRediT作者贡献声明

Hyunwoo Kang：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，可视化，验证，方法论，调查，数据分析，概念化。 Kevin D. Bladon：撰写 – 审稿与编辑，验证，资源管理，项目管理，方法论，资金获取，概念化。 Cameron E. Naficy：撰写 – 审稿与编辑，验证，项目管理，方法论，资金获取，概念化。

未引用参考文献

Jefferson等人，2006年；Jefferson等人，2010年；Sánchez-Gómez等人，2024年；Tague和Grant，2004年；美国陆军工程兵团，2025年；地质调查局，2022年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

该项目得到了美国地质调查局西北气候适应科学中心（UWSC13136）的合作协议支持。其内容仅代表作者的观点，不一定代表西北气候适应科学中心或USGS的观点。此外，还得到了美国林业局（协议编号22-JV-11261952-071）的额外资助。本手稿提交出版时，理解到