基于swa模型的水循環(huán)模擬研究

人類活動導致氣體濃度增加和土壤溫度增加。然而，在某些地區(qū)，氣溶膠將導致低溫氣候。氣候變化直接影響著降水、蒸發(fā)和徑流等水文循環(huán)過程，改變了水文循環(huán)，并導致資源在時間和空間上再分配。本文利用swt模型模擬了西山流域氣候條件變化下的水文效應。1研究區(qū)流域分布西溪是晉江的重要支流,發(fā)源于安溪縣西北桃舟鄉(xiāng)達德坂的梯子嶺,河長145km,流域面積3101km2.研究區(qū)范圍為西溪安溪水文站以上段,是西溪的重要組成部分,主要位于安溪縣和永春縣境內(nèi),流域內(nèi)地形復雜,地勢西高東低,研究區(qū)總面積2466km2.2水文平衡的基本方程產(chǎn)流和坡面匯流與河道匯流是SWAT模型模擬流域水文過程的兩部分,具體包括地表徑流、土壤水、蒸散發(fā)、地下水(淺層地下水和深層地下水)以及河道匯流.根據(jù)水文循環(huán)原理,SWAT模型水文計算水量平衡基本表達式如下:SWt=SW0+∑(Rday?Qsurf?Ea?Wseep?QgwSWt=SW0+∑(Rday-Qsurf-Ea-Wseep-Qgw式中,SWt是最終的土壤含水量(mm),SW0是土壤初始含水量(mm),t是時間(d),Rday是第i天的降水量(mm),Qsury是第i天的地表徑流量(mm),Ea是第i天的蒸發(fā)量(mm),Wseep是第i天存在于土壤剖面底層的滲透量和側(cè)流量(mm),Qgw是第i天的地下水含量(mm).3shwat模型的執(zhí)行過程3.1基于網(wǎng)絡dem的域信息提取研究區(qū)的DEM,是確定流域邊界、劃分子流域和生成河網(wǎng)的基礎數(shù)據(jù).3.2土地利用面積閾值的確定本文采用多種水文響應單元法(MultipleHydrologicResponseUnit):(1)土地利用面積閾值的確定,用來確定子流域內(nèi)需保留的最小土地利用的面積,在模擬過程中取5%;(2)土壤面積閾值的確定,用來確定土壤類型中需保留的最小土壤類型的面積,在模擬過程中選取10%.3.3日降雨、氣象觀測數(shù)據(jù)運行模型所需要輸入的氣象數(shù)據(jù)來自流域內(nèi)桃舟、龍山、中板等14個雨量站1970～1979年連續(xù)10年的日降雨量數(shù)據(jù),安溪氣象觀測站點1970～1979年連續(xù)10年的各月平均最低氣溫、各月平均最高氣溫、各月降水量等觀測數(shù)據(jù).3.4子流域水文環(huán)境文件輸入的文件類型有流域配置文件(.fig),土壤文件(.sol),氣象文件(.wgn),子流域文件(.sub),水文響應單元文件(.hru)及主河道文件(.rte).3.5/降水模擬及潛在蒸發(fā)模擬在模型運行的操作界面上,選擇“日降雨數(shù)據(jù)/徑流曲線/日(Daily-rain/CN/Daily)”方式;降雨量模擬選擇SWAT模型手冊中推薦的偏正態(tài)分布方法(Skewednormal);潛在蒸發(fā)模擬方法選擇Penman-Monteith方法;河道演算選擇VariableStorage方法,最后運行模型.4模型校正4.1基流料及其處理在模型校正過程中,確定6個敏感參數(shù)進行敏感性分析和驗證,得到適合西溪流域的參數(shù)值,這6個參數(shù)的具體描述如表1所示.理論上CN值取值范圍在0～100之間,值越大表示產(chǎn)生徑流的可能性越大.土壤蒸發(fā)補償系數(shù)(ESCO)是模型調(diào)整不同土壤層間水分補償運動的參數(shù),該系數(shù)與產(chǎn)流量呈反比例關(guān)系.土壤中可利用水量(AWC),是指土壤中從田間持水量減去植物永久凋萎點的水分,該參數(shù)與產(chǎn)流量呈反比例關(guān)系.基流消退系數(shù)(ALPHA_BF)是通過輸入1970～1975年日流量數(shù)據(jù),運用數(shù)字濾波法分割基流得到的,即在MS—DOS環(huán)境下運行bflow.exe模塊,對6年的日徑流數(shù)據(jù)分割計算結(jié)果為0.0414.ALPHA_BF在0.1～0.3之間表明地下水再分配過程較緩慢,從計算結(jié)果看流域內(nèi)水流速度更為緩慢.根據(jù)福建省水文總站對福建省地下水參數(shù)的分析,西溪流域多年基流量占總徑流量的25%,通過數(shù)字濾波技術(shù)分割實測徑流得到的第三基流系數(shù)為30%.地下水延遲天數(shù)(GW_DELAY)是從福建省水文總站關(guān)于福建省山丘區(qū)地下水出流量參數(shù)分析成果獲得.植被最大儲水量(CANMX)反映出冠層的截流能力,該參數(shù)與植被覆蓋度以及植被類型相關(guān).Zinke研究了不同植被類型的截流能力,本研究根據(jù)流域植被覆蓋分布情況,選取2mm用于所有水文響應單元內(nèi).4.2模擬結(jié)果評估為驗證模型的有效性,本文選用Nash-Suttclife效率系數(shù)E、線性回歸系數(shù)R2來評估模型在校準和驗證過程中的模擬效果.5未來氣候變化期間年度流量模擬5.1氣候變化情景分析福建省50年間的降雨和氣溫變動情況表明:降雨量的長期變化趨勢為全年降雨量均呈略增加的趨勢,但雨季降水量呈略減少的趨勢;氣溫的長期變化趨勢為全年氣溫均呈明顯的升高趨勢,全省平均氣溫的上升速率約為0.16℃/10年.本文采用氣候方案假定法,分析氣候變化對西溪流域徑流的影響,在1970～1979年氣象資料的基礎上,不改變氣候因子的時空分布,并且未來將重現(xiàn)降雨和氣溫縮放后的序列,建立的未來氣候變化情景為:降雨變化為原來的+20%、-20%、+10%、-10%和不變的情況;氣溫分別在原來的基礎上+2℃、-2℃、+1℃、-1℃和不變的情況,土地覆被基準數(shù)據(jù)采用1985年晉江流域土地覆被數(shù)據(jù).建立的氣候情景模型共有24種,詳見表2.5.2降雨和氣溫變化時,流量隨降雨變化的特征特性,模對不同的氣溫和降雨組合進行年徑流量的模擬計算,得出年徑流量、年徑流變化量和變化率,模擬結(jié)果如表3和圖1所示.降雨對年徑流的影響大于氣溫,當氣溫保持不變,降雨量增加10%時,年徑流量增加11.28m3/s,增加了13.21%,當降雨量保持不變,氣溫降低1℃時,年徑流量增加1m3/s,增加了1.17%,這表明研究區(qū)未來降雨量變化是影響年徑流量變化的主要因素,而氣溫對年徑流量變化影響不是很明顯.氣溫對徑流量的影響隨降雨量的增加變化幅度不明顯.在降雨增加20%,氣溫升高2℃時,模擬徑流量為107.87m3/s,較降雨量增加20%和氣溫保持不變時徑流量減少1.39m3/s;氣溫對徑流量的影響隨降雨量的減少變化幅度也不明顯,在降雨量減少20%,氣溫升高2℃時,模擬徑流量為58.04m3/s,只比降雨量減少20%和氣溫保持不變的情況下徑流量減少1.14m3/s.不同情景下的年徑流量變化顯著,在24種假定氣候情景中,徑流量增加最多的情景為S51,模擬徑流量增加25.64m3/s,增加了30.02%,徑流量減少最多的情景為S15,模擬徑流量減少27.36m3/s,較S00情景減少了32.04%,因此,預測未來的氣候變化情景對于研究流域徑流量變化是非常重要的.6降雨變化對年徑流的影響對不同氣溫和降雨組合情景進行模擬的結(jié)果表明,年徑流量隨降雨量的增加而增