分布式水文模型在黑河中游的应用 ——基于SWAT模型的研究

论文摘要

近年来,流域水文模型成为研究水文循环变化规律和各种水文过程中无法替代的工具,对于研究水资源的高效利用和农业生产有着重要意义。而在众多水文模型中,分布式水文模型由于其参数具有物理意义,模拟结果可以真实地描述和科学地揭示降雨径流形成机理,因此成为当前水文学科的重要工具与研究热点。SWAT模型作为分布式水文模型的代表,应用广泛,包括径流模拟、土地利用与覆被变化、气候变化等方面。自21世纪以来,人类面临的主要挑战之一就是如何解决水危机问题,水是生命之源,但长期以来,由于人为的原因造成了水资源的不合理利用,造成了大量的水资源浪费,使得全球性水危机问题日益严重。黑河流域地处我国西北内陆地区,该地区地貌复杂,地形变化大,气候干燥,植被覆盖度低,降雨量少,因此,准确评价人为活动下的土地利用变化对于水文径流的影响,以及西北内陆地区的径流变化规律,合理配置水资源有着重要的意义。本文以黑河流域中游—甘州、临泽、高台为主要研究区,前期收集并整理模型运行相关资料,构建SWAT水文模型,并对流域多年月径流量进行模拟。在此基础上,研究了流域土地利用变化对径流的影响。本研究主要研究结论如下:（1）构建了黑河流域中游SWAT水文模型,建立基础数据库,包括数字高程DEM数据、土地利用数据库、土壤数据库、气象数据库、河流水文数据库。并将整个流域划分为30个子流域和178个水文响应单元。（2）确立了适用于黑河流域中游的SWAT模型参数值,同时运用SWAT-CUP对模型进行参数的率定与验证,在此基础上,确立了对模型影响最大的15个参数,其中排名前五参数分别为:SCS径流曲线（CN2）、基流消退系数（ALPHABF）、土壤容重（SOLBD）、土壤饱和导水率（SOLK）、浅层地下水产生基流的阈值深度（GWQMN）。（3）评价了SWAT模型在黑河流域中游的适用性,并利用实测数据对模型进行率定及校准和验证。选择正义峡水文站（1980-1988年）实测月径流量对模型参数率定。经过模拟,在参数率定阶段,得到决定系数R2=0.87且纳什效率系数Nash-Suttcliffe为0.81。1990-1999年的月径流数据作为校准期,得到决定系数R2=0.91,纳什效率系数Nash-Suttcliffe为0.84。2000-2008年数据为验证期,得到决定系数R2=0.92,纳什效率系数Nash-Suttcliffe为0.86。均满足径流模拟精度要求。表明该模型适用于黑河中游地区的水文模拟。（4）土地利用对径流影响分析表明,森林植被覆盖度和草地灌木植被的增加可导致流域径流量及基流量的减少。在相同气象数据输入的前提下,2000年土地利用情景下的年均地表径流量为6.3mm,年均基流量为12.67mm,年均基流指数为0.42;2015年土地利用情景下的年均地表径流为4.3mm,其中年均基流量为11.56mm,基流指数为0.46。2000年土地利用变化下情景下的流域年均蒸散发量为1726mm,2015年土地利用变化情景下的流域蒸散发量为1779mm,高于2000年情景下的模拟值约53mm。2000年土地利用情景下的年均河道径流量为14.7m3/s,2015年土地利用情景下年均河道径流量为14.2m3/s,减少0.5m3/s,减少幅度为3%。

论文目录

摘要

Abstract

1.绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 水文模型研究进展

1.2.2 分布式水文模型研究进展

1.2.3 SWAT模型应用研究进展

1.2.4 SWAT模型的改进研究

1.2.5 SWAT模型在西北寒旱区适用性研究

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究方法

1.3.3 技术路线

2 研究区概况

2.1 自然条件概况

2.1.1 地理位置

2.1.2 气候

2.1.3 地形地貌

2.1.4 土壤植被

2.1.5 水文状况

2.2 社会经济状况

3 SWAT模型概述

3.1 模型简介

3.2 模型原理

3.2.1 水量平衡方程

3.2.2 地表径流的计算模式

3.2.3 汇流计算

3.2.4 潜在蒸散发计算

3.2.5 实际蒸散发计算

3.2.6 地下水计算

3.2.7 土壤侵蚀与泥沙输运计算

3.3 模型输入参数介绍

4 基础数据库的建立

4.1 地图投影变换

4.2 数字高程模型（DEM）的建立

4.3 土地利用数据

4.4 土壤数据

4.4.1 土壤粒径数据

4.4.2 SPAW软件计算部分参数

4.4.3 土壤有机碳参数

4.4.4 土壤水文组

4.4.5 土壤可侵蚀K值

4.5 气象数据库的建立

5 基于SWAT模型的黑河流域中游的径流模拟

5.1 黑河流域中游SWAT模型的构建

5.1.1 子流域的划分

5.1.2 HRU的划分

5.1.3 气象资料的输入

5.1.4 模型输入文件的创建

5.2 黑河流域SWAT模型的运行

5.2.1 降雨量模拟方法

5.2.2 潜在蒸发量模拟方法

5.2.3 径流模拟方法

5.2.4 河道演算方法

5.3 SWAT-CUP参数率定及验证

5.3.1 参数敏感性分析

5.3.2 参数不确定性分析

5.3.3 参数率定和验证

5.3.4 模型校准和验证

5.4 黑河中游流域河川基流量变化分析

6 土地利用变化对黑河流域中游径流影响分析

6.1 土地利用变化的分析

6.2 土地利用变化下的水文响应分析

6.2.1 土地利用变化对流域蒸散发的影响

6.2.2 土地利用变化对流域径流量及其基流量的影响分析

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 论文不足

7.3 研究展望

参考文献

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王泽群

导师: 胡广录

关键词: 黑河流域,模型,土地利用变化,径流模拟

来源: 兰州交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 兰州交通大学

分类号: P333

DOI: 10.27205/d.cnki.gltec.2019.000207

总页数: 83

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