基于SWAT模型的黑河上游徑流模擬及其對(duì)氣候變化的響應(yīng).pdf

1、流域水文模型是研究水文變化規(guī)律,對(duì)水資源進(jìn)行合理配置的一種工具,對(duì)于研究水文情勢(shì)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)模擬、非點(diǎn)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(yán)重,導(dǎo)致水分循環(huán)過程出現(xiàn)危機(jī)。西北地區(qū)地貌復(fù)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(jìn)而造成山體滑坡,水土流失等災(zāi)害發(fā)生。因此,在全球變暖的趨勢(shì)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(duì)于掌握西北地區(qū)的徑流變化規(guī)律,防止災(zāi)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(dòng)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(yán)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(chǔ)上,在 GIS技術(shù)支持下,對(duì)黑河上游進(jìn)行徑流模擬,同時(shí)進(jìn)行模擬結(jié)果的驗(yàn)證,來確定 SWAT模型在黑河上游應(yīng)用的可行性,為流域水資源模擬、分析和評(píng)價(jià)提供有效手段,為進(jìn)一步開展流域水資源管理奠定基礎(chǔ)。

4、　　本文主要研究結(jié)論如下:
　　(1)分析和處理模型運(yùn)行所需的基礎(chǔ)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(chǔ),借助 ArcGis9.3利用 ArcSWAT進(jìn)行子流域劃分、河網(wǎng)生成、流域邊界的確定以及水文響應(yīng)單元的劃分,將整個(gè)研究區(qū)劃分了27個(gè)子流域,154個(gè)水文響應(yīng)單元。
　　(2)應(yīng)用現(xiàn)有資料對(duì)徑流進(jìn)行模擬,利用實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證,以確定其在研究區(qū)

5、的適用性。對(duì)模型進(jìn)行敏感性分析和參數(shù)率定。采用1960-2007年鶯落峽水文站實(shí)測(cè)年徑流數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證,其中1960-1984為數(shù)據(jù)校準(zhǔn)階段,1985-2007年為數(shù)據(jù)驗(yàn)證階段,模擬值和實(shí)測(cè)值相對(duì)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證,其中1990-1998為數(shù)據(jù)校準(zhǔn)階段,1999

6、-2007為數(shù)據(jù)驗(yàn)證階段,校準(zhǔn)期模型相對(duì)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(duì) SWAT模擬結(jié)果進(jìn)行分析,提取模型水量平衡分量數(shù)據(jù),并選取模型驗(yàn)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(jié)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(shì)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(guān)性分析中,月土壤水分與月降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,其他分量均與月降水量呈正相關(guān),且相關(guān)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(shì),且年降水量和年蒸發(fā)量變化趨勢(shì)顯著;累積距平法和 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)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(jì)算氣候變化對(duì)徑流量的貢獻(xiàn),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(duì)徑流量增加和減小的貢獻(xiàn)率分別為42.33%和10.96%,在不考慮其他氣象要素的影響時(shí)人類活動(dòng)對(duì)徑流量的貢獻(xiàn)為46.71%。
　　(5)基于以上結(jié)果,利用校準(zhǔn)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(yīng)。結(jié)果表明,降水量的變化對(duì)徑流的影響高于氣溫,徑流量與降水量呈正相關(guān),而與氣溫呈負(fù)相關(guān),同時(shí)徑流量會(huì)受到二者雙重作