基于SWAT模型的黑河上游徑流模擬及其對氣候變化的響應.pdf

1、流域水文模型是研究水文變化規(guī)律,對水資源進行合理配置的一種工具,對于研究水文情勢和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的作用。近年來,水文模型已經(jīng)發(fā)展到分布式水文模型階段,能夠分析模型參數(shù)和結構的空間變化及流域下墊面和土壤含水量等的空間變異,是流域水循環(huán)研究的主要工具。SWAT模型是分布式水文模型的代表,其應用非常廣泛,從流域徑流模擬、流域下墊面條件變化及氣候變化響應模擬、非點源污染模擬等方面均有研究。
　　長期以來,由于人類的不合理利用,使得水資源

2、短缺日益嚴重,導致水分循環(huán)過程出現(xiàn)危機。西北地區(qū)地貌復雜,地形起伏大,且氣候干燥,植被覆蓋度低,降水增多、冰川消融等使得河流徑流量增加,進而造成山體滑坡,水土流失等災害發(fā)生。因此,在全球變暖的趨勢下研究西北地區(qū),尤其是干旱半干旱地區(qū)河川徑流的變化特征,對于掌握西北地區(qū)的徑流變化規(guī)律,防止災害發(fā)生有重要的意義。黑河流域地處河西走廊中部,是甘肅省三大內(nèi)陸河之一,流域面積1.3×105 km2。近年來,由于人類活動影響,流域天然植被遭到破壞,

3、尤其是流域上游地區(qū)草場嚴重退化,中游水資源開發(fā)過量,造成下游水資源缺乏,生態(tài)環(huán)境日益惡化,水資源供需矛盾突出。
　　本文選取黑河上游作為研究區(qū),利用美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心開發(fā)的分布式水文模型 SWAT,在調(diào)查收集流域基本資料的基礎上,在 GIS技術支持下,對黑河上游進行徑流模擬,同時進行模擬結果的驗證,來確定 SWAT模型在黑河上游應用的可行性,為流域水資源模擬、分析和評價提供有效手段,為進一步開展流域水資源管理奠定基礎。

4、　　本文主要研究結論如下:
　　(1)分析和處理模型運行所需的基礎資料,包括土地利用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù),建立土地利用數(shù)據(jù)庫、氣象數(shù)據(jù)庫、土壤數(shù)據(jù)庫。以 DEM為基礎,借助 ArcGis9.3利用 ArcSWAT進行子流域劃分、河網(wǎng)生成、流域邊界的確定以及水文響應單元的劃分,將整個研究區(qū)劃分了27個子流域,154個水文響應單元。
　　(2)應用現(xiàn)有資料對徑流進行模擬,利用實測徑流數(shù)據(jù)對模型進行校準和驗證,以確定其在研究區(qū)

5、的適用性。對模型進行敏感性分析和參數(shù)率定。采用1960-2007年鶯落峽水文站實測年徑流數(shù)據(jù)對模型進行校準和驗證,其中1960-1984為數(shù)據(jù)校準階段,1985-2007年為數(shù)據(jù)驗證階段,模擬值和實測值相對誤差分別為5.7％和5.0%,Nash-Suttcliffe效率系數(shù)分別為0.81和0.87,確定系數(shù) R2為0.89和0.88。采用1990-2007年的月實測數(shù)據(jù)對模型進行校準和驗證,其中1990-1998為數(shù)據(jù)校準階段,1999

6、-2007為數(shù)據(jù)驗證階段,校準期模型相對誤差分別為10.6%和9.5%,Nash-Suttcliffe效率系數(shù)分別為0.95和0.83,確定系數(shù) R2分別為0.96和0.9。
　　(3)對 SWAT模擬結果進行分析,提取模型水量平衡分量數(shù)據(jù),并選取模型驗證期1999-2007年數(shù)據(jù)從年際變化和年內(nèi)變化做了簡要分析。結果如下:降水是流域最重要的水汽來源,其余均為水分支出,蒸發(fā)所占比重最大,占降水輸出的40%;年內(nèi)變化,降水量和地表徑

7、流的變化趨勢基本相同,均在7月份取得最大值,12月、1月取得最小值,其余分量變化幅度不大;相關性分析中,月土壤水分與月降水量呈負相關關系,其他分量均與月降水量呈正相關,且相關程度都不那么明顯。
　　(4)黑河上游年徑流量、與年降水量、年蒸發(fā)量均呈上升趨勢,且年降水量和年蒸發(fā)量變化趨勢顯著;累積距平法和 Mann-Kendall突變檢驗發(fā)現(xiàn)1979年是黑河上游徑流量突變年份;通過累積量斜率變化率法計算氣候變化對徑流量的貢獻,得出黑河

8、上游年徑流量在突變年1979前后均增大,年降水量和年蒸發(fā)量也有不同程度的增加,且它們對徑流量增加和減小的貢獻率分別為42.33%和10.96%,在不考慮其他氣象要素的影響時人類活動對徑流量的貢獻為46.71%。
　　(5)基于以上結果,利用校準且率定好的SWAT模型建立不同氣候變化情景,探討黑河上游氣候變化下的水文響應。結果表明,降水量的變化對徑流的影響高于氣溫,徑流量與降水量呈正相關,而與氣溫呈負相關,同時徑流量會受到二者雙重作