土地利用_土地覆被变化的水文效应模拟
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水wk.baidu.com 泥沙
土地利用 /土地覆被变化的水文效应模拟
王韶伟
( 北京师范大学 水科学研究院 水沙科学教育部重点实验室, 北京 100875)
摘 ! 要: 通过 SW AT 模型数据库的建立 、参数敏感性分 析、率定、验证, 模拟了 泾河流 域 1992∀ 2001 年的月 流量过 程, 并 将构建的 5种不同土地利用 /土地覆被情景分别输入 SWAT 模型, 模拟土地利用 /土地覆被变化的水文效应。结果 表明: 随着草地和林地面积的 增加, 年均流量减小; 地表裸露无植被时, 年均 流量比模拟 期增大 20. 36% ; 地表全部为 林地草地 时, 年均流量比模拟期减小 7. 68% ; 退耕还林和土地进一步 退化时, 年均流量均有所增大, 但增幅不大。 关 ! 键 ! 词: 土地利用; 土地覆被; 水文效应; SWAT 模型; 泾河流域 中图分类号: X 143! ! ! 文 献标识码: A! ! ! do:i 10. 3969 / .j issn. 1000 1379. 2010. 05. 011
SWAT 模 型所要求的气象参数 比较多, 其模 拟时间 步长可 为年、月、日。根据实际月气象资料定义一个 ( 天气发生器 ), 如 果流域内某些数据难以获得时 , ( 天气发生器 )可以根据事先提 供的多年月平均资 料来模 拟逐日 气象资 料。 ( 天 气发生器 )所 需的参数包括月平 均最高 气温、月 平均最 低气 温、最高气 温标 准偏差、最低气温标准偏差、月 平均降雨量、月平均降 雨量标准 偏差、降雨的偏度系数、月 内干 日数、月内 湿日 数、平均降 雨天 数、露点温度、月平均太阳辐射量、月平均 风速以及最 大半小时 降雨量等。
1. 1! SWAT 模型的特点
从模型结构看, SW AT 属 于第 二类 分布式 水文 模型 [ 11], 即 在每一个网格单元 (或子流域 ) 上应用传 统的概 念性模 型来推 求净雨, 再进行汇流 演算, 最 后求得 出口 断面流 量。从建 模技 术看, SW AT 采用先 进的 模块 化设 计思 路, 水循 环的 每一 个环 节对应一个子模块, 十分方便模型的扩 展和应用。从 运行方式 看, SW AT 采用独特的命令代码 控制水流 在子流 域间和 河网中 的演进过程, 使添加水库调 蓄作用 变得异 常简单。 SWAT 模型 功能强大, 能够用来模拟和分析水土流失、非点 源污染、农业管 理等, 并能在资料缺乏 地区建 模, 在加 拿大和 北美 寒区得 到了 较为广泛的应用 [ 12- 16] 。
2. 3! 模型参数敏感性分析及模型参数率定验证 2. 3. 1! 模型参数敏感性分析
最新版本的 A rcSWAT 提 供了 自动 参数 敏感 性分 析模 块, 使用 LH S 法和 OAT 法相 结合 的方 式来 确定 参数 敏感 性。在 LHS法选出一个适 当的 变量 随机 抽样 组合, 然 后利 用 OAT 方 法直接确定参数敏感 度。应用 此模块, 确 定了对流域 输出有重 要影 响 的 11 个 敏感 性 参数, 按先 后 顺序 依 次 为径 流 曲 线数 CN2、地 表径流滞 后系 数 SURLAG、河道 有效 水 力传 导度 CH _ K 2、土壤蒸发补 偿系数 ESCO、基 流 系数 ALPHA _BF、土壤可 利用水量 SOL _AW C、土 壤深度 SO L _Z、湿 润土壤 反照率 SO L _ ALB、平均坡度 SLO PE、饱和水力传导 度 SO L _K、主河道 曼宁系 数 CH _N。
2. 1! 泾河流域概况
泾河发源于泾源 县, 流 经宁夏、甘肃、陕 西 3省 (区 ), 注入
! 收稿日期: 2009 10 20 ! 基金项目: 国家自然科学基 金资助项目 ( 50579003) ; 教育 部高等学校博士学科 点专项科研基金资助项目 ( 20040027005) 。 ! 作者简介: 王韶伟 ( 1983∀ ) , 男, 河南 陕县人, 博士研 究生, 研究方 向为水 文与 水资源。
数自动优化模块, 模型运行效率较高。
1. 2! SWAT 模型的水文过程
模型中采用的水 量平衡方程为
t
# SW t = SW 0 +
( Rday - Q surf - E a - W seep - Q gw ) ( 1)
i= 1
式中: SW t 为土 壤 最 终含 水 量, mm; SW 0 为 土 壤 前期 含 水 量,
! E m ai:l w ang shaow e@i m ai.l bnu. edu. cn
人 民 黄 河 ! 2010年第 5期
渭河。泾河全长 450 km, 流域 面积 为 45 421 km2, 其中张 家山 水文站控制面积为 43 216 km2。泾河流 域处于黄 土高原 腹地, 属温带半干旱半湿润 大陆性季风气候区, 气象灾 害频繁。流域 内存在部分次生林, 植被稀少。
! ! 随着资源、环境和人口问题的日 益突出, 土地利用 /土地覆 被变化已成为 全球变 化研 究的 热点 [ 1- 3] , 其 对区 域水 资源、水 文过程、干旱、洪涝灾 害和 社会经 济的 影响以 及可 持续发 展适 应对策, 已成为土地利用 /土地覆被 变化研究 领域的重要 课题, 流域尺度的 土 地利 用 /土 地覆 被 变化 水文 效 应研 究也 日 益活 跃 [ 4- 7] 。
H arg reaves等计算 潜在蒸散发能力的 方法, 笔者选 用 Penm an M onte ith法。
SWAT 模 型采用动力贮水方法 计算壤 中流, 下渗到 土壤中 的水以不同的方式 运动, 可以 被植 物吸收 或蒸 腾而 损耗, 可以
渗漏到土壤底层最终 补给地下水, 也可以形成壤中流。
2! SWAT模型在泾河流域的应用
mm; t为计算时段, d; Rday 为第 i天降雨量, mm; Q surf 为第 i天的
地 表径流深, mm; E a 为第 i天的蒸发量, mm; W seep 为第 i天土壤
侧向流量, mm; Q gw 为第 i天地下径流量, mm。
SWAT 模型提供了两种计 算地表 径流 量的 方法: SCS 曲线
2. 2! 数 ! 据 2. 2. 1! 空间数据
将数字高程模型 ( DEM )、土地利用类型图及土壤类型图统 一转换为 A lbe rs等积圆锥投影方式, 投影参数见表 1。
表 1! 研究区投影参数
第一标准 纬线
第二标准 纬线
中央经线
椭球体
单位
33∃N
39∃N
108∃E
K rasovsky
m
! ! 数 字高程模型从国家 基础地理信息中心 提供的全国 1 %25 万 DEM 中提取。土地利用类型图采用中 国科学院地 理科学与 资源研 究所提 供的 1 % 100 万黄河 流域土地 利用类 型图, 根据 土地利用类型原来 的分类 系统, 结 合研究 区特 点, 将土地 利用 划分为耕地、林地、草地、水 域、城乡 工矿居民用地和裸 地 6类。 土壤类型图采用 1 % 400万中国土 壤类型图。
1! 模型概述
SWAT 模型 是美 国 农业 部 ( U SDA ) 农 业研 究 局 ( AR S) 在 SWR BB模型基础上发展 起来的一个长时段 流域分布式 水文模 型, 具有很强的 物理 基础。 作为 流域 尺度 的模 型, SW AT 可以 用于模拟地表水和 地下水 的水 质、水量, 预测 土地 管理措 施对 大尺度流域水文、泥沙和农业化学物质的影响。
2. 3. 2! 模型参数率定验证
SWAT 模 型的自动率定模块采 用 SCE - UA 单纯多 边形进 化算法, 参数率定目标方程采用 SSQ 方程。选择张家 山水文站 1992∀ 1997年 实测日径流进行参数率定, 结果见表 2。
表 2! 参数率定结果
参数名
CN 2 SU RLAG
ESCO SOL _AWC
随着计算机技 术的 发展, 基于 G IS 技术、具 有物 理基 础的 分布式水文模型为分 析土地利用 /土地覆 被变化的水 文效应提 供了更有效的 手段。然 而, 用模 型模拟 土地 利用 /土 地覆 被变 化的水文效应只是刚 刚起步, 研究工作还比较薄弱 [ 8] 。
近年 来, 泾河流 域开展 了大规 模的水土 保持工 作, 土地利 用 /土地覆被 发 生 了 显 著 的 变 化。笔 者 借 助 SWAT ( So il and W a ter A ssessm ent T ool)模型 [ 9- 10] 模拟了各种土 地利用 /土地覆 被情景下泾河流域径 流量变化。
2. 2. 2! 属性数据
地理属性数据主 要包括土层厚度、密 度、有 机碳、有效可利
用水量和土壤饱和 水力 传导 率等。研 究中所 需要 的土壤 参数 主要取自 &中国土壤 ∋和 &黄河 流域农业 土壤志 ∋。 SWAT 模型 中有关土地利用和植 被覆盖的数 据通过 DBF 文 件进行 存储和 计算。
3! 情景分析
3. 1! 情景模式的建立
为了掌握土地利 用 /土地覆被状况对 流域径流量 的影响过 程, 在分析泾河流域 多年土 地利 用 /土 地覆被 变化 及景观 特征 状况 的基础 上, 对 未来流 域内土 地利用 /土地覆 被构建 5种情 景: 情景 1, 地表无 任何植 被覆盖, 全部 为裸地; 情 景 2, 地 表全 部被林地和高密度草 地覆盖; 情景 3, 地表 符合退耕 政策, 耕地 林地草地并存; 情景 4, 地表 土地进 一步退 化, 为 低密度 草地和 裸地; 情景 5, 地表为率定验证期状况。
法 和 G reen& Ampt入渗法。因研究中采用日平均降雨数据, 故 选用 SCS曲线方法。 SCS 曲线法 是以 美国 一些 小流 域降 雨径
流关系为基础的, 可以用于不同土地利用和土壤类型区。 SWAT 模型提供 了 P enm an- M onteith、P r iestley - T ay lo r和
24
SWAT 模型的主要版本有 SWAT94. 2、SW AT 96. 2、SWAT98. 1、
SW AT 99. 2、SW AT2000、SWAT 2003 以 及 SW AT2005[ 9- 10]。 目前
较为成熟的版本 是 SW AT 2005, 其 主要技 术优势 是在基 于 A rc M ap平台的 A rcSW AT 模块上加入了参数 自动敏 感性分 析和参
第 32卷第 5 期 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 人 ! 民 ! 黄 ! 河 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! V ol. 3 2, N o. 5 ! ! 2010年 5 月 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! YELLOW ! R IVER! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! M ay, 2010! !
价结果见表 3。 表 3! 月平均径流模拟效果评价
模拟期 率定期 验证期
R e /% 10. 29 13. 83
R 0. 79 0. 76
E 0. 77 0. 75
! ! 从模拟结果的评 价指标来看 , SWAT 模型在 泾河流 域模拟 的效果是比较好的。模型参数 的空间差异性显 著, 模 拟时间跨 度较大, 且人类活动 作用 明显, 影响 了模 拟结果。 如果能 获得 较为详细的下垫面 资料, 例如 更为 详尽准 确的 气象 资料、土壤 属性参数、土地利用属 性参数 等, 同时 考虑流 域内 水库的 取用 水情况, 模型精度会进一步提高。对于适 用于丰富资 料地区的 SWAT 模型来讲, 资料的贫乏限 制了模型 在大尺 度流域 水文模 拟上优势的发挥。
SOL - Z CH - K 2 A LPHA - BF
参数变化范围
- 25% ~ 25% 0 ~ 10 0~ 1 0~ 1
- 25% ~ 25% 0 ~ 150 0~ 1
最终取值
20. 785% 0. 829 0. 003 1 25% 0. 995 0. 397
! ! 模型的有 效性 评定 和验 证采 用相 对误 差 R e、相 关系 数 R 和有效性系数 E。参数 率定期 和验 证期 ( 1998∀ 2001 年 ) 的评
土地利用 /土地覆被变化的水文效应模拟
王韶伟
( 北京师范大学 水科学研究院 水沙科学教育部重点实验室, 北京 100875)
摘 ! 要: 通过 SW AT 模型数据库的建立 、参数敏感性分 析、率定、验证, 模拟了 泾河流 域 1992∀ 2001 年的月 流量过 程, 并 将构建的 5种不同土地利用 /土地覆被情景分别输入 SWAT 模型, 模拟土地利用 /土地覆被变化的水文效应。结果 表明: 随着草地和林地面积的 增加, 年均流量减小; 地表裸露无植被时, 年均 流量比模拟 期增大 20. 36% ; 地表全部为 林地草地 时, 年均流量比模拟期减小 7. 68% ; 退耕还林和土地进一步 退化时, 年均流量均有所增大, 但增幅不大。 关 ! 键 ! 词: 土地利用; 土地覆被; 水文效应; SWAT 模型; 泾河流域 中图分类号: X 143! ! ! 文 献标识码: A! ! ! do:i 10. 3969 / .j issn. 1000 1379. 2010. 05. 011
SWAT 模 型所要求的气象参数 比较多, 其模 拟时间 步长可 为年、月、日。根据实际月气象资料定义一个 ( 天气发生器 ), 如 果流域内某些数据难以获得时 , ( 天气发生器 )可以根据事先提 供的多年月平均资 料来模 拟逐日 气象资 料。 ( 天 气发生器 )所 需的参数包括月平 均最高 气温、月 平均最 低气 温、最高气 温标 准偏差、最低气温标准偏差、月 平均降雨量、月平均降 雨量标准 偏差、降雨的偏度系数、月 内干 日数、月内 湿日 数、平均降 雨天 数、露点温度、月平均太阳辐射量、月平均 风速以及最 大半小时 降雨量等。
1. 1! SWAT 模型的特点
从模型结构看, SW AT 属 于第 二类 分布式 水文 模型 [ 11], 即 在每一个网格单元 (或子流域 ) 上应用传 统的概 念性模 型来推 求净雨, 再进行汇流 演算, 最 后求得 出口 断面流 量。从建 模技 术看, SW AT 采用先 进的 模块 化设 计思 路, 水循 环的 每一 个环 节对应一个子模块, 十分方便模型的扩 展和应用。从 运行方式 看, SW AT 采用独特的命令代码 控制水流 在子流 域间和 河网中 的演进过程, 使添加水库调 蓄作用 变得异 常简单。 SWAT 模型 功能强大, 能够用来模拟和分析水土流失、非点 源污染、农业管 理等, 并能在资料缺乏 地区建 模, 在加 拿大和 北美 寒区得 到了 较为广泛的应用 [ 12- 16] 。
2. 3! 模型参数敏感性分析及模型参数率定验证 2. 3. 1! 模型参数敏感性分析
最新版本的 A rcSWAT 提 供了 自动 参数 敏感 性分 析模 块, 使用 LH S 法和 OAT 法相 结合 的方 式来 确定 参数 敏感 性。在 LHS法选出一个适 当的 变量 随机 抽样 组合, 然 后利 用 OAT 方 法直接确定参数敏感 度。应用 此模块, 确 定了对流域 输出有重 要影 响 的 11 个 敏感 性 参数, 按先 后 顺序 依 次 为径 流 曲 线数 CN2、地 表径流滞 后系 数 SURLAG、河道 有效 水 力传 导度 CH _ K 2、土壤蒸发补 偿系数 ESCO、基 流 系数 ALPHA _BF、土壤可 利用水量 SOL _AW C、土 壤深度 SO L _Z、湿 润土壤 反照率 SO L _ ALB、平均坡度 SLO PE、饱和水力传导 度 SO L _K、主河道 曼宁系 数 CH _N。
2. 1! 泾河流域概况
泾河发源于泾源 县, 流 经宁夏、甘肃、陕 西 3省 (区 ), 注入
! 收稿日期: 2009 10 20 ! 基金项目: 国家自然科学基 金资助项目 ( 50579003) ; 教育 部高等学校博士学科 点专项科研基金资助项目 ( 20040027005) 。 ! 作者简介: 王韶伟 ( 1983∀ ) , 男, 河南 陕县人, 博士研 究生, 研究方 向为水 文与 水资源。
数自动优化模块, 模型运行效率较高。
1. 2! SWAT 模型的水文过程
模型中采用的水 量平衡方程为
t
# SW t = SW 0 +
( Rday - Q surf - E a - W seep - Q gw ) ( 1)
i= 1
式中: SW t 为土 壤 最 终含 水 量, mm; SW 0 为 土 壤 前期 含 水 量,
! E m ai:l w ang shaow e@i m ai.l bnu. edu. cn
人 民 黄 河 ! 2010年第 5期
渭河。泾河全长 450 km, 流域 面积 为 45 421 km2, 其中张 家山 水文站控制面积为 43 216 km2。泾河流 域处于黄 土高原 腹地, 属温带半干旱半湿润 大陆性季风气候区, 气象灾 害频繁。流域 内存在部分次生林, 植被稀少。
! ! 随着资源、环境和人口问题的日 益突出, 土地利用 /土地覆 被变化已成为 全球变 化研 究的 热点 [ 1- 3] , 其 对区 域水 资源、水 文过程、干旱、洪涝灾 害和 社会经 济的 影响以 及可 持续发 展适 应对策, 已成为土地利用 /土地覆被 变化研究 领域的重要 课题, 流域尺度的 土 地利 用 /土 地覆 被 变化 水文 效 应研 究也 日 益活 跃 [ 4- 7] 。
H arg reaves等计算 潜在蒸散发能力的 方法, 笔者选 用 Penm an M onte ith法。
SWAT 模 型采用动力贮水方法 计算壤 中流, 下渗到 土壤中 的水以不同的方式 运动, 可以 被植 物吸收 或蒸 腾而 损耗, 可以
渗漏到土壤底层最终 补给地下水, 也可以形成壤中流。
2! SWAT模型在泾河流域的应用
mm; t为计算时段, d; Rday 为第 i天降雨量, mm; Q surf 为第 i天的
地 表径流深, mm; E a 为第 i天的蒸发量, mm; W seep 为第 i天土壤
侧向流量, mm; Q gw 为第 i天地下径流量, mm。
SWAT 模型提供了两种计 算地表 径流 量的 方法: SCS 曲线
2. 2! 数 ! 据 2. 2. 1! 空间数据
将数字高程模型 ( DEM )、土地利用类型图及土壤类型图统 一转换为 A lbe rs等积圆锥投影方式, 投影参数见表 1。
表 1! 研究区投影参数
第一标准 纬线
第二标准 纬线
中央经线
椭球体
单位
33∃N
39∃N
108∃E
K rasovsky
m
! ! 数 字高程模型从国家 基础地理信息中心 提供的全国 1 %25 万 DEM 中提取。土地利用类型图采用中 国科学院地 理科学与 资源研 究所提 供的 1 % 100 万黄河 流域土地 利用类 型图, 根据 土地利用类型原来 的分类 系统, 结 合研究 区特 点, 将土地 利用 划分为耕地、林地、草地、水 域、城乡 工矿居民用地和裸 地 6类。 土壤类型图采用 1 % 400万中国土 壤类型图。
1! 模型概述
SWAT 模型 是美 国 农业 部 ( U SDA ) 农 业研 究 局 ( AR S) 在 SWR BB模型基础上发展 起来的一个长时段 流域分布式 水文模 型, 具有很强的 物理 基础。 作为 流域 尺度 的模 型, SW AT 可以 用于模拟地表水和 地下水 的水 质、水量, 预测 土地 管理措 施对 大尺度流域水文、泥沙和农业化学物质的影响。
2. 3. 2! 模型参数率定验证
SWAT 模 型的自动率定模块采 用 SCE - UA 单纯多 边形进 化算法, 参数率定目标方程采用 SSQ 方程。选择张家 山水文站 1992∀ 1997年 实测日径流进行参数率定, 结果见表 2。
表 2! 参数率定结果
参数名
CN 2 SU RLAG
ESCO SOL _AWC
随着计算机技 术的 发展, 基于 G IS 技术、具 有物 理基 础的 分布式水文模型为分 析土地利用 /土地覆 被变化的水 文效应提 供了更有效的 手段。然 而, 用模 型模拟 土地 利用 /土 地覆 被变 化的水文效应只是刚 刚起步, 研究工作还比较薄弱 [ 8] 。
近年 来, 泾河流 域开展 了大规 模的水土 保持工 作, 土地利 用 /土地覆被 发 生 了 显 著 的 变 化。笔 者 借 助 SWAT ( So il and W a ter A ssessm ent T ool)模型 [ 9- 10] 模拟了各种土 地利用 /土地覆 被情景下泾河流域径 流量变化。
2. 2. 2! 属性数据
地理属性数据主 要包括土层厚度、密 度、有 机碳、有效可利
用水量和土壤饱和 水力 传导 率等。研 究中所 需要 的土壤 参数 主要取自 &中国土壤 ∋和 &黄河 流域农业 土壤志 ∋。 SWAT 模型 中有关土地利用和植 被覆盖的数 据通过 DBF 文 件进行 存储和 计算。
3! 情景分析
3. 1! 情景模式的建立
为了掌握土地利 用 /土地覆被状况对 流域径流量 的影响过 程, 在分析泾河流域 多年土 地利 用 /土 地覆被 变化 及景观 特征 状况 的基础 上, 对 未来流 域内土 地利用 /土地覆 被构建 5种情 景: 情景 1, 地表无 任何植 被覆盖, 全部 为裸地; 情 景 2, 地 表全 部被林地和高密度草 地覆盖; 情景 3, 地表 符合退耕 政策, 耕地 林地草地并存; 情景 4, 地表 土地进 一步退 化, 为 低密度 草地和 裸地; 情景 5, 地表为率定验证期状况。
法 和 G reen& Ampt入渗法。因研究中采用日平均降雨数据, 故 选用 SCS曲线方法。 SCS 曲线法 是以 美国 一些 小流 域降 雨径
流关系为基础的, 可以用于不同土地利用和土壤类型区。 SWAT 模型提供 了 P enm an- M onteith、P r iestley - T ay lo r和
24
SWAT 模型的主要版本有 SWAT94. 2、SW AT 96. 2、SWAT98. 1、
SW AT 99. 2、SW AT2000、SWAT 2003 以 及 SW AT2005[ 9- 10]。 目前
较为成熟的版本 是 SW AT 2005, 其 主要技 术优势 是在基 于 A rc M ap平台的 A rcSW AT 模块上加入了参数 自动敏 感性分 析和参
第 32卷第 5 期 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 人 ! 民 ! 黄 ! 河 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! V ol. 3 2, N o. 5 ! ! 2010年 5 月 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! YELLOW ! R IVER! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! M ay, 2010! !
价结果见表 3。 表 3! 月平均径流模拟效果评价
模拟期 率定期 验证期
R e /% 10. 29 13. 83
R 0. 79 0. 76
E 0. 77 0. 75
! ! 从模拟结果的评 价指标来看 , SWAT 模型在 泾河流 域模拟 的效果是比较好的。模型参数 的空间差异性显 著, 模 拟时间跨 度较大, 且人类活动 作用 明显, 影响 了模 拟结果。 如果能 获得 较为详细的下垫面 资料, 例如 更为 详尽准 确的 气象 资料、土壤 属性参数、土地利用属 性参数 等, 同时 考虑流 域内 水库的 取用 水情况, 模型精度会进一步提高。对于适 用于丰富资 料地区的 SWAT 模型来讲, 资料的贫乏限 制了模型 在大尺 度流域 水文模 拟上优势的发挥。
SOL - Z CH - K 2 A LPHA - BF
参数变化范围
- 25% ~ 25% 0 ~ 10 0~ 1 0~ 1
- 25% ~ 25% 0 ~ 150 0~ 1
最终取值
20. 785% 0. 829 0. 003 1 25% 0. 995 0. 397
! ! 模型的有 效性 评定 和验 证采 用相 对误 差 R e、相 关系 数 R 和有效性系数 E。参数 率定期 和验 证期 ( 1998∀ 2001 年 ) 的评