基于SWAT模型的疏勒河中游径流模拟研究

基于SWAT模型的疏勒河中游径流模拟研究

流域水文模型是研究水文变化规律，对水资源进行合理配置的一种工具，它在研究水文规律和实际生产问题中起着重要的作用，近些年来，分布式水文模型成为水文建模领域的重点和热点，它可以分析模型参数和结构的空间变化以及流域下垫面和土壤含水量等的空间变异，成为流域水文循环研究的有效工具。SWAT模型是分布式水文模型的代表之一，它广泛地应用于流域径流模拟、流域下垫面条件变化以及气候变化响应模拟、污染物的运移模拟等方面。 随着经济社会的高速发展，水资源短缺日益严重，尤其是在干旱半干旱区，由于西北地区地貌复杂，地形起伏大，山地表层岩体破碎，黄土区土层松散，加之气候干燥，植被覆盖度很低，降水的增多，冰川消融的增强，河流径流量的增加使西北地区山体滑坡、泥石流、水土流失等灾害极易发生。所以，在全球变暖的趋势下研究西北地区河川径流的变化特征，对于掌握西北河流的径流变化规律，防止灾害的发生有重要的意义。地处极度干旱的河西走廊西部的疏勒河是甘肃省内陆三大主要河流之一，流域总面积13万多平方公里。近几十年来，天然植被萎缩，草场严重退化使疏勒河流域土地荒漠化加重，过量开发中游的水资源，导致下游的生态环境日益恶化，使水资源供需矛盾日趋显著。 所以本文选取疏勒河中游作为研究区域，利用美国农业部农业研究服务中心开发的分布式水文模型SWAT（Soil and Water Assessment Tool），在调查收集流域基本资料的基础上，在GIS技术支持下，对疏勒河中游流域进行径流模拟，同时进行模拟效果的检验，以确定SWAT模型在疏勒河流域应用的可行性，可以为该流域水资源的模拟、分析和评价提供有效手段，为进一步开展流域的水质模拟研究奠定基础。 （1）首先论述本文的选题背景和研究意义，然后详细阐述国内外分布式水文模型和SWAT模型的研究进展，进而论述本文的技术路线和主要的研究方法。 （2）分析处理模型运行所需要的基础资料，包括土地利用数据、气象数据、土壤属性数据，建立土地利用数据库、气象数据库、土壤属性数据库。在数字高程模型（DEM）的基础上，在Arcgis9.2下利用ArcSWAT2.1.6进行子流域的划分、河网的生成、流域边界的确定以及水文响应单元的划分，并进行与地形相关、具有水文学意义的部分参数的提取。基于DEM数据提取的疏勒河中游流域面积为33885.09km2，整个研究区划分为55个子流域，137个水文响应单元。 （3）应用现有资料对径流进行模拟，然后利用部分实测径流资料对模型进行校准和验证，以确定其在研究区的适用性。而参数的不确定性会给模型模拟结果带来影响，所以在校准前对模型进行敏感性分析和参数率定。采用1988-2007年昌马堡水文站实测年径流数据对模型进行校准和验证，其中1988-1997年为数据校准阶段，1998-2007年为数据验证阶段，模拟值与实测值相关系数R2分别为0.85和0.78，模型效率系数Ens分别为0.77和0.72，相对误差Re分别为5.71%和3.53%；采用1988-1993年的月实测数据对月径流模拟结果进行校准和验证，其中1988-1990年为数据校准阶段，1991-1993年为数据验证阶段，模拟值与实测值相关系数R~2分别为0.82和0.86，模型效率系数Ens分别为0.75和0.82，相对误差Re分别为2.51%和5.33%，模型具有较好的模拟效果。 （4）基于以上结果，利用北京师范大学数字流域实验室研发的BNU-SWATV1.0建立不同土地利用/土地覆被情景和气候变化情景，探讨了疏勒河流域中游地区土地利用覆盖变化和气候波动下的水文响应。结果表明，降水量的变化对径流量的影响要大于气温的变化，降水量与径流量呈正相关关系，而气温与径流量呈负相关关系，同时径流量也会受到二者双重作用的影响；而土地利用类型变化中，耕地的增加会导致径流量减少，林地对于涵养水分和消减径流量的效果要比草地要好，裸地的增加会使径流量增加，进而导致水土流失比较严重，而城镇面积的增加与减少对地表径流的影响较小。 （5）归纳总结本文的主要结论和创新点，并对不足之处做了说明，提出在后续研究中需要进一步探讨的问题，以期更加完善。