（水文学及水资源专业论文）甘肃梨园河流域径流模拟及对气候变化的响应.pdf

兰州大学2 0 1 0 届硕士毕业论文 甘肃梨园河流域径流模拟及对气候变化的响应 摘要：该文以梨园河鹦鸽嘴水库入口断面以上流域为研究对象，建立s w a t 分 布式流域水文模型，进行地表径流模拟，为解决水资源的合理调配提供参考依据， 以保障张掖市节水型社会建设顺利实施，改善梨园河乃至黑河流域日益恶化的生 态环境。 据研究区已有的数字高程图、土地利用类型图、土壤类型图等数据资料，将 研究区流域划分为4 5 个子流域，1 8 4 个水文响应单元，结合s w a t 模型自带的 数据库建立梨园河流域的属性数据库。根据已有的气象资料和径流资料，选择合 理的模拟方法和模拟尺度，以1 9 9 0 1 9 9 4 年为模型参数率定期，1 9 9 5 1 9 9 9 年为 验证期，利用s w a t 模型进行模拟。模拟结果显示年径流深率定期和验证期的 相关系数分别为o 9 7 和o 9 4 ，n a s h s u t c l i f f e 效率系数分别为0 8 6 和o 8 0 ，月径 流深的率定期和验证期的相关系数分别为0 8 4 和o 8 7 ，n a s h s u t c l i f f e 效率系数 分别为0 8 3 和0 8 6 ，相关系数和n a s h s u t c l i f f e 效率系数均大于0 7 5 ，模拟效果 好，所建立的s w a t 模型适用于梨园河流域的地表径流模拟。最后，应用自回 归模型和时域法预测梨园河流域2 0 0 9 2 0 1 8 年的气候状况，并重新建立气象数据 库，加载到已率定的s w a t 模型中进行地表径流模拟，模拟结果表明径流呈明 显下降趋势，分析径流对气候变化的水文响应，结果表明径流深对气温的水文响 应敏感度较降水量高。 关键词：s w a t 模型，地表径流模拟，地理信息系统，自回归模型，梨园河流域 兰州大学2 0 1 0 届硕：l = 毕业论文 t h es i m u l a t i o no fr u n o f fa n dr e s p o n s et oc l i m a t ec h a n g eo f l i y u a nr i v e rb a s i ni ng a n s u a b s t r a c t t h i ss t u d ys i m u l a t e st h es u r f a c er u n o f fi nt h eu p p e rr e a c h e so fl i y u a nr i v e ra b o v e y i n g g e z u ir e s e r v o i rw i t hs w a tm o d e l i ti sh e l p f u lf o rw a t e rm a n a g e m e n ti nt h i sa r e a i t i sa l s ou s e f u lt ob n n gw a t e rs a v i n gi n t oe f f e c to ft h es o c i e t ya n di m p r o v et h e z o o l o g ye n v i r o n m e n tw h i c hi si n c r e a s i n g l yd e s t r o y i n g a c c o r d i n gt ot h ed a t u mi n c l u d i n gd e m ，t h el a n du s em a pa n dt h es o i lt y p em a p ，t h e s t u d ya r e ai sd i v i d e di n t o4 5s u bb a s i n sa n d18 4h y d r o l o g yr e s p o n s eu n i t s t h e a t t r i b u t ed a t a b a s ei sb u i l tb yc o m b i n i n gd a t u mw i t l ls w a tm o d e l t h e nb a s e do n e x i s t i n gr u n o f fm a t e r i a l so fy i n g g e z u ir e s e r v o i rt h ey e a r s19 9 0 19 9 4 a r ec h o s e na st h e v a l i d a t i o np h a s ea n dt h ey e a r s1 9 9 5 1 9 9 9a l es e l e c t e da sv e r i f i c a t i o np h a s e t h e r e s u l t sa r et h a tt h ec o r r e l a t i o no fm o d e l i n gi nc a l i b r a t i o np h a s ea n di nv e r i f i c a t i o n p h a s ea r e0 9 7a n d0 9 4 ，a n dn a s h - s u t c l i f f ec o e f f i c i e n t sa r e0 8 3a n d0 8 6r e s p e c t i v e l y , w h i c ha r ea l lb e t t e rt h a no 7 5 t i l i sg o o ds i m u l a t i n ge f f e e ti n d i c a t e st h a tt h e e s t a b l i s h e ds w a tm o d e lc a nb ea p p l i e dt ot h es u r f a c er u n o f fs i m u l a t i o no fl i y u a n r i v e rb a s i n l a s t l y , c o m p l e t i n gt h ec l i m a t ef o r e c a s t i n gt h ey e a rf r o m2 0 0 9 2 018 ，t h e s w a tm o d e li sr e b u i l tt os i m u l a t es u r f a c er u n o f ft h r o u g ht h ec l i m a t ef o r e c a s t i n gd a t a p r e d i c t e db ya u t o r e g r e s s i v em o d e la n dt i m ed o m a i na n a l y s i s t h er e s u l t si n d i c a t et h a t r u n o f fh a sa p p a r e n td o w n t r e n d a n a l y z et h er e s p o n s eo ft h er u n o f fo nc l i m a t ec h a n g e ， t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h er e s p o n s eo fr u n o f ft ot e m p e r a t u r ei sm o r es e n s i t i v et h a n p r e c i p i t a t i o n k e yw o r d s ：s w a tm o d e l ，s u r f a c er u n o f fm o d e l i n g ，g i s ，a u t o r e g r e s s i v em o d e l ， l i y u a nr i v e rb a s i n 2 兰州大学2 0 1 0 届硕上毕业论文 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发 表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明 引用的内容外，不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研 成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 担 日期：业 兰州大学2 0 1 0 届硕士毕业论文 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：导师签名：望始期：型； 兰州大学2 0 1 0 届硕上毕业论文 1 绪论 1 1 研究背景 黑河发源于祁连山，终于内蒙居延海，是我国西北较大的内陆河，流经了甘、 青、蒙三省( 区) ，为所流经的大小城市带来了水源，带来了繁荣和发展，但是 由于历史上人类和自然的相互作用与影响，黑河也带来了肆虐的沙尘暴。黑河流 经的西北河西走廊的干旱区，气候恶劣，降水稀少，生态环境脆弱，人类对水资 源的节约与保护程度不够，使得环境问题愈演愈烈，而水资源作为支撑社会、经 济、生态环境可持续发展的必须物质，其质与量的状况都关系着西北干旱区的社 会、经济、生态环境的协调发展，干旱区的许多水问题不仅制约了经济和社会的 发展，更是导致不可再生的环境恶化l l j 。自2 0 世纪6 0 年代以来，由于黑河流域 中地区人口增长和经济发展，用水量不断升高，造成下游地区河水枯竭、地下水 位下降、林木大量死亡、草场退化、沙尘暴肆虐等生态环境问题。梨园河作为黑 河的一条一级支流，同样面临着地下水位下降，地表水量减少、草地退化、沙尘 暴肆虐等生态和环境问题。在上游河段，由于矿产资源的开发，河道中的水质也 遭受了不同程度的污染，主要污染物为铁、铜和氮，水质不断恶化，不断开采作 业也使得地下水硬度在逐年攀升，不断影响着人类的健康。黑河流域作为国家治 理生态环境的一个综合治理区域，在张掖河段采取了一些措施恢复适宜该地区生 长的灌、草植被，如：封山育林( 草) 、人工造林( 草) 等方式，严格保护现有 的乔、灌、草等资源和仅有的一些生态湿地资源；严禁在植被恢复区内超载放牧 和滥挖、滥垦，在治理区内全面加大防沙、治沙力度；对于南部的祁连山山区， 以封山育林为主，以其自身的物种多样性和旺盛的繁殖能力，在无人类干扰的情 况下恢复林草植被，大力加强对现有天然林、草场的保护，提高植被的水源涵养 效能，同时在浅山区和沿山区退耕还林、还草；对于祁连山核心区的农牧民实现 生态移民，耕地还林还草，封山育林育草。这些措施的实施必须依赖于水资源的 供给充足，只有水资源满足该区域的生态需求，才能使治理措施达到预定效果， 所以水资源量( 地下水量、地表水量) 的调查研究也非常重要。如何处理生态环 境与人口增长、生活用水、工业用水等问题之间的关系，需从多方面进行考虑， 而解决流域水资源的合理调配手段的选择是关键，而对流域的径流模拟为流域水 资源合理调配措施的选择提供了参考依据。 梨园河水源主要来自祁连山冰雪融水、降水及山泉水，梨园河出山口以后的 河段上建有1 5 座四级水电站及大型自流灌区，梨园河下游河段大沙河由于梯级 水电站的建设，产生了大量的减水河段，造成下游河段的生态需水量无法得到满 足的现象，对临泽县的农作物及城镇供水造成了定的影响，所以，有必要模拟 预测流域水资源量，作为制订水资源合理调配计划的参考，以保障节水型社会建 兰州大学2 0 1 0 届硕士毕业论文 设顺利实施，改善梨园河乃至黑河流域日益恶化的生态环境。 1 2 研究意义 梨园河的发源地为祁连山北坡，海拔4 6 0 0 m ，主要水源为冰雪融水和降水。 梨园河由祁连山发源后，在九个泉、摆浪河汇流，进而自西向东流动。该论文选 择梨园河鹦鸽嘴水库入口以上流域为研究区，属典型干旱区地理环境，研究干旱 区径流模拟的特性及气候变化的水文响应，能够对更好的利用和管理水资源并为 实现水资源的可持续发展起到一定的指导作用。 该文利用水文模型中最基本、也是最重要的环节地表径流模拟来研究梨 园河流域的径流过程，解决梨园河流域中存在的水文、水资源问题。分布式流域 水文模型在描述模拟水文过程的数据输入方面、边界条件、空间变化方面及水文 物理特性等这些要素的非均质性方面有一个比较全面、客观的定义，同时，分布 式流域水文模型的数据输入过程、中间处理过程到输出结果及与输出关联密切的 模拟过程都是分布式的，流域内存在的这种时空的不均匀性是通过分布式模型中 的具有物理意义的参数体现出来的，这种不均匀性还体现在流域下垫面的时间和 空间的变异性，及水文气象环境等要素的时间和空间的变异性，理论上，分布式 模型可以通过这些参数的时空变化来模拟土地利用状况、水资源开发现状、生产 生活活动等人类因素影响环境而造成的水文响应，为流域的土地利用规划、水土 保持措施、防洪减灾、水资源的有效开发等多方面提供制订方案的科学依据，以 实现流域一体化的管理，而梨园河流域的一体化管理首先要从对水资源量和质的 了解开始。 梨园河灌区是从黑河支流梨园河引水灌溉的大型自流灌区，在梨园河上同时 建有径流引水式梯级小水电站1 5 座，研究区位于梨园河出山口前，是灌区和梯 级水电站的源头，产流机制的模拟为鹦鸽嘴水库的调蓄防洪、灌区和梯级水电站 的水资源优化配置、保证农业灌溉用水提供一定的科学依据。 1 3s w a t 模型的应用 随着计算机技术的突破性进步，g i s 和r s 技术的发展纯熟，数字高程模型、 信息、通信技术的普及，分布式水文模型【2 4 】已逐步代替了集总式水文模型，并 且其物理过程也越来越符合实际，能够很好的描述模拟区域的下垫面状况，最具 代表性的分布式水文模型为：t o p m o d e l 模型【5 1 、s h e m i k es h e 模型【6 8 】、 s w a t 模型【9 】等。前两者可应用到大、中流域，而后者在小型流域的模拟效果较 好，研究区域为梨园河上游流域，集水面积为1 6 8 3 k r n 2 ，属小型流域，因此，拟 选用s w a t 模型来模拟梨园河流域的地表径流过程。 基于物理过程的s w a t 模型，利用g i s 和r s 等工具提取空间数据信息，模 2 兰州大学2 0 1 0 届硕上毕业论文 拟流域各异的水文过程，其应用较广泛的领域主要有地表径流模拟【9 ”】，对下垫 面条件变化和气候变化的水文响应模拟【1 6 。2 6 】，非点源污染模拟预测研究 2 7 0 2 1 以及 水土保持的应用研究【3 3 j 等方面。 鉴于s w a t 模型在国内外涉及径流、泥沙、下垫面条件变化和气候变化的 水文响应模拟、非点源污染等方面的成功例子 3 4 1 ，在中国辽阔的土地面积和多 元化的生态环境下的应用将会有广大的应用前景。与国外的应用区域类型相似， 在国内也是主要在中部湿润区开始了s w a t 模型的应用，但国内已有前人已干 旱内陆河流域利用s w a t 模型做过一定的研究工作，其应用效果较好。研究对 象为梨园河流域，位于西北河西走廊干旱区，该论文将s w a t 模型应用于梨园 河流域的径流模拟，即为将模型应用干旱区模拟，在一定程度上有助于s w a t 模型在干旱区应用的适用性讨论和研究。 1 4 研究内容及技术路线 该文的研究内容紧紧围绕着s w a t 模型的建模与运行展开，在g i s 技术和 r s 技术的支持下，应用s w a t 模型模拟梨园河流域产汇流过程，并利用白回归 模型预测未来气候状况，进而模拟预测鹦鸽嘴水库控制站点未来的径流量。具体 的研究内容包括以下方面： ( 1 ) 了解和理解s w 虹模型的运行原理和结构 参考s w a t 2 0 0 0 的英文帮助文件以及有关分布式水文模型、s w a t 模型的书 籍和相关方面的文章，清晰了解模型的原理和结构，该论文是对梨园河流域的地 表径流过程进行模拟，于是针对其着重分析模型中与地表径流模拟相关的地形、 气象、土地利用、产流、河道汇流等模块。 ( 2 ) 建立空间数据库与属性数据库 赴梨园河流域地区( 肃南县、临泽县等地) 进行实地考察( 了解研究区的实 际状况) 、针对性的搜集建模所需资料，并进行室内整理，以g i s 和r s 的各模 块工具为技术支撑，以s w a t 模型的建模要求为依据，构建研究区的空间数据 库和属性数据库，并在此基础上，利用m i c r o s o f te x c e l 工具建立d b f 文件作为 索引链接文件，以实现s w a t 模型中数据库的互相调用。 ( 3 ) 建立s w a t 分布式水文模型 将上述建立好的空间数据库和属性数据库按照模型建立步骤输入到模型中， 使模型能够无误的读取所有数据库信息，而后，在运行s w a t 模型过程中，选 择与研究区梨园河流域相适应的降水模拟、蒸散发模拟、河道汇流演算等的模拟 方法，选择与实测资料相对应的时间尺度进行地表径流的模拟。以1 9 9 0 1 9 9 4 年 为模型参数率定期，选取敏感性分析中对模拟结果影响较大的参数进行参数率 定；并选择1 9 9 5 1 9 9 9 年的实测数据对模拟结果进行验证，以确定模型在梨园河 3 兰州大学2 0 1 0 届硕士毕业论文 流域上游的适用性。 ( 4 ) 利用自回归模型和时域法模拟预测2 0 0 9 2 0 1 8 年的降水量和最高最低 气温，以得到未来的气候状况，进而重新建立气象资料数据库来模拟梨园河流域 未来1 0 年的地表径流量。 ( 5 ) 分别分析未来1 0 年的降水量变化、最高最低气温变化和径流量变化， 进而分析径流对气候变化的水文响应。 4 兰州大学2 0 1 0 届硕士毕业论文 2 研究区自然地理概况 梨园河是西北地区内陆河黑河的一经支流，位于黑河于流以西，地处西北河 西走廊的干早区河道全长1 6 9 k j n ，年径流量为23 7 亿一，是张掖市的第二大 河流。梨园河的发源地是祁连山北坡的锅盖沟与马圈沟，其海拔高程为4 6 0 0 m ， 由九个泉、摆浪河自西向东汇流，在白泉门处转折向东北流动，流至肃南红湾寺 处，与东柳沟、西柳沟河两河汇流，这一段被称为隆畅河，而后再与青沟河、海 牙沟河、禾杨沟河汇合，途经骆驼脖子 梨园堡以上流域的集水面积为2 2 4 0 k m 2 至梨园堡出山，这一段被称为梨园河 该河出山后向北流动，经临泽县城东侧 于野沟湾处汇入黑河，这一河段被称为大沙河。该模型模拟以鹦鸽嘴水库入口作 为流域的控制点，研究梨园河在该控制点以上的流域。该流域的集水面积为 1 6 8 33 k r n 2 。 - 睾z ：= = ：= ： 圈2 - i 研究区地理位置田 f i d 2 - il o c a t i o n m a p o f t h es t e d ya t - f l t 2 1 地形地貌 梨园河发源于祁连山北坡的锅盖沟，分水岭海拔高程为4 6 0 0 m ，上游河段被 称为隆昌河经肃南裕固族自治县，于梨园堡出山，进入河西走廊盆地，在野沟 湾处汇入黑河。在鹦鸽嘴水库以上的河段一般深切基岩，河床呈“v 字型河谷状， 狭窄而陡峭，坡降极大，且常形成阶梯状陡坎，肃南县城段的河段正处于山间盆 地中，较为开阔，且两岸由两级侵蚀摹座的阶地堆积而成；在鹦鸽嘴水库以下至 梨园堡出山口的梨园河河口段的河谷相对开阔，河谷呈现为“u ，字形状，在两岸 5 粼 。 、 t 兰州大学2 0 1 0 届硕士毕业论文 分布着不对称的4 5 级侵蚀阶地。河床的松散覆盖层厚度一般为2 6 m 。岩层 中有第四系的冲积砂卵石岩、坡积碎石土和洪积碎石士。砂卵石层分布在梨园河 的河床中及各堆积阶地上，该岩层的蚀圆度较好，砾石、卵石的成分主要是变质 砂岩、沉积岩和花岗岩等，未胶结，其质地坚硬，可采为建筑材料使用。坡积和 洪积的碎石土，主要为白垩系砂砾岩、砂岩碎块及土类。梨园河流域的地形地貌 可从图2 - 2 中得到体现。 o | 二三_ b = 二- 圈2 _ 2 研究区鼍蓐髟像圈 f i g 2 - 2 r e m o t eg e n s i n $ i m a g e o f t h e “由a r 鞠 2 2 气象 梨园河流域地处河西走廊干早区，为内陆河黑河的一级支流，其气候类型属 于大陆性干早气候，其气候特征可概括为：夏季酷热蒸发量大，雨量稀少；冬 季严寒，结冰期延续长达四个月之久。流域山区降水有明显的垂直分带性，降水 在地区上总的分布趋势是上游大干下游，东面太于西面，降永主要集中在汛期。 汛期暴雨的特点是历时短、强度大、笼罩面积小。流域上的降水量随着河流从上 游到下游流动逐渐减少相反的是，蒸发量随之逐渐增加。临泽县梨园堡水文站 气象数据的统计资料显示多年年平均蒸发量为2 3 3 76 r m u ，年平均降水量为 1 6 07 m m ，降水的峰值主要集中在6 9 月，年平均气温为75 ，极端最低气温 为一2 68 ，极端最高气温为3 75 4 ，年均日照时数为3 0 7 5 小时，无霜期为1 7 9 兰州大学2 0 1 0 届硕士毕业论文 天，最多风向为西北风，平均风速为3 6 m s ，最大风速为2 0 m s ，最大积雪深为 1 0 c m ，最大冻土深为1 1 4 c m 。图2 3 、图2 4 为肃南气象站多年平均最高最低气 温趋势图，从图中可看出最高最低气温均呈上升趋势；图2 5 为肃南气象站多年 平均降水量趋势图，可看出降水量略有上升，但趋势不明显。 图2 - 3 肃南多年年均最高气温年际分布图 f i g 2 - 3i n t e r - a n n u a ld i s t r i b u t i o no f t h em a x t e m p e r a t u r ei ns u n a n 图2 - 4 肃南多年年均最低气温年际分布图 f i g 2 - 4i n t e r - a n n u a ld i s t r i b u t i o no ft h er a i n - t e m p e r a t u r ei ns u n a n 7 兰州大学2 0 1 0 届硕士毕业论文 2 3 水文 图2 5 肃南多年降水量年际分布图 f i g 2 - 5i n t e r - a n n u a ld i s t r i b u t i o no ft h ep r e c i p i t a t i o ni ns u n a n 黑河发源于祁连山中段，是我国第二大内陆河。其干流全长8 2 1 k i n ，全流域 的集水面积达1 1 6 0 万k m 2 ，海拔均在1 7 5 0 m 以上，地势高寒，气候阴湿，降水量 均在3 0 0 m m 以上。梨园河属于内陆河黑河水系，是黑河较大的一级支流，梨园河 分为三段，上游为隆畅河，中游为梨园河，下游为大沙河。梨园河发源于祁连山 北麓，而后自西北向东南流动，于自泉门折转向东北，注入黑河。流域呈长条状， 流域内总的地势是西南高，东北低，上游祁连内河段，山势陡峭，河源终年积雪， 少有现代冰川分布，山地阴坡面分布有天然林，牧草丰富，植被较好，山区雨量 大，是梨园河流域的主要产流区。肃南至梨园堡站植被逐渐稀少，区间较大的支 沟是肃南县城附近的东流沟、西流沟及县城下游7 k m 处汇入的海牙沟和青庄子 沟，其余支沟均为间歇性沟，干沟门至梨园堡一段河段由于植被覆盖度低，暴雨 洪水陡涨陡落，成为梨园河泥沙的主要来源地。梨园河流域上有水文站两处，一 处为干沟门水文站，集水面积为8 3 9 k m 2 ，1 9 8 4 年下迁至肃南县城内，更名为肃 南站，距干沟门站约5 o k m ，集水面积为1 0 8 0 k i n 2 ，另一处为梨园堡水文站，集 水满级为2 2 4 0 k m 2 ，1 9 9 0 年撤销，移交鹦鸽嘴水库代测。梨园河的径流总量主要 由汛期降水和冰雪融水补给，径流量在年内分配极不均匀，其极大一部分都集中 在每年的汛期6 9 月，这同降水在年内分配的不均匀性是一致的，可以看出降水 量对径流的影响较大。4 6 月气温开始升高，上游的冰雪融水补给河川径流的补 给量呈上升趋势，其量约占年来水量的1 1 7 ；6 - , 9 月河川径流主要由降水补给， 其量约占年来水量的7 0 ，2 ，全年最大洪水也分布在6 , - 、一9 月；1 0 - 11 月为洪水的 退水时段，河川径流量呈减少趋势，其量约占年来水量的1 0 5 ；1 2 月至次年3 月河川径流主要为地下水补给，其量占年来水量的7 6 ，全年最小径流量在1 2 8 兰州大学2 0 1 0 届磺士毕业论立 月下旬至次年2 月下旬出现。梨园河多年平均径流量为23 1 亿m ，鹦鸽嘴水库的 多年平均径流量的年际分布如图2 6 所示。从图中可看出多年年均径流的趋势略 有上升，但趋势极不明显。 田2 - 6 鹦鸽费水库多年年均径流湃年际分布阻 f 培2 - 6 i a t e r - a m n t t ld i $ t h b u t i o no f t h er e n o f f d e e p i n u n a 圈2 7 研究区永摹圈 f k 2 - 7 r i v e r n e t w o r k o f t h es t e d ) r a m 2 4 土地利用，植被覆盖 研究区主要位于祁连山至出山口一段，受祁连山的影响，植被类型呈现明显 9 兰州大学2 0 1 0 届硕士毕业论文 的垂直过渡带。从祁连山高海拔过渡到出山口冲积平原地带，植被类型也从林地 过渡为草地。在祁连山高海拔地区主要以冰雪覆盖，随着海拔的降低，积雪减少， 森林也随之减少，逐渐过渡为荒漠、草地。荒漠植物由于受水分条件的制约，多 以片状、均匀、聚集状分布在沙平地、河床阶地上。 2 5 土壤 研究区位于祁连山发源地至梨园河出山口流域内，区内土壤类型可分为七个 土类，十二个亚类，区内高山土面积占了5 1 。祁连山地受山地气候、地形和植 被影响，为高山寒冷荒漠土壤系列、高山草甸土壤系列、山地草甸草原土壤系列、 山地草原土壤系列和山地森林土壤系列形成分布区，主要土类有寒漠土、高山草 甸土( 寒冻毡土) 、高山灌丛草甸土( 泥炭土型寒冻毡土) 、高山草原土( 寒冻钙 土) 、亚高山草甸土( 寒毡土) 、亚高山草原土( 寒钙土) 、灰褐土、山地黑钙土、 山地栗钙土、山地灰钙土等。土壤垂直带谱也非常显著。海拔4 0 0 0 - - - 4 5 0 0 m 为 寒漠土；3 6 0 0 - 4 0 0 0 m 为高山灌丛草原土和高山灌丛草甸土；3 2 0 0 - - 3 6 0 0 m 为亚 高山灌丛草甸土；3 2 0 0 - - 3 4 0 0 m 的阴坡为灰褐土，阳坡为山地黑钙土；2 6 0 0 - 3 2 0 0 m 的阴坡为灰褐土，阳坡为山地暗栗钙土；2 3 0 0 - - - 2 6 0 0 m 为山地栗钙土； 1 9 0 0 2 3 0 0 m 为山地灰钙土。 1 0 兰州大学2 0 1 0 届硕士毕业论文 3s w a t 模型数据库的构建 应用的s w a t 模型的版本为s w a t 2 0 0 0 ，是镶嵌于e s r i 旗下的产品 a r c v i e w 软件中的一个模块，s w a t 2 0 0 0 的数据库相对简单，最主要的缺点是 土壤类型这一数据库的建立无参考资料，作者需根据建模需要查阅土壤资料、计 算参数、建立土壤属性数据库。为s w a t 模型建立的数据库有两种类型：空间 数据库和属性数据库。空间数据库类型主要包括数字高程模型( d e m ) 、土地利 用类型( l a n d u s e ) 、土壤类型( s o i l ) ：属性数据库类型主要包括土壤物理属性数 据库、气象数据库及与气象数据库相关联的气象数据、流域控制站点的流量资料。 数据库中数据的存储形式主要为栅格图、矢量图和二维数据表，空间数据库 可选择以栅格数据或矢量数据输入，该文中采用的是栅格数据输入，属性数据库 以二维数据表d b f 格式进行存储。 表3 - 1s w a t 模型需要的数据及格式 t a b 3 - 1d a t aa n df o r m a tn e e d e db ys w a tm o d e l 3 1 空间数据库 为了更好的完成建模，避免建模过程出现错误，要求所有的空间数据库必须 选择一致的投影坐标系，在文中利用a r c i n f o w o r k s t a t i o n 中的p r o j e c t 命令完成 对所有空间数据的投影变换工作。投影信息见表3 2 。 表3 - 2 投影信息表 t a b 3 - 2i n f o r m a t i o no fp r o j e c t i o n 3 1 1 数字高程模型 数字高程模型是一种实体地面模型，其建立和生成是以一组有序的数字阵列 来表示地面高程值，其它各种地形特征值均可由数字高程模型提取出来。数字高 程模型是s w a t 模型进行流域勾画、子流域划分、河网水系生成、水文响应单 元划分生成的基础。在建模过程中，使用的d e m 是由国家级自然科学基金委的 兰州大学2 0 1 0 届颈毕业论文 “中国西部环境及生态科学数据中心”发布的甘肃省1 ：2 5 万的地理坐标系的数字 高程模型，根据流域的勾画和控制站点的选取将研究区流域划定在9 9 。- - 1 0 0 。e ， 3 8 。3 9 0 n 的范围内。最后，将原始的d e m 进行规定投影坐标系的投影变换、 网格大小重分类等处理，生成s w a t 模型建模所需要的d e m 图。图3 - 3 为根据 流域边界抽取出来的研究区高程图。 圈3 1 研究区d e m 圈 f i g 3 - 1d e m i m a g e e f t h es t u d y i r e _ t 3 1 2 土地利用艟被覆盖 土地利用植被覆盖的类型分布影响着蒸发量和下渗率，主要有冠层截留量、 陆面蒸发量、土壤下渗量、植被蒸腾量等，进而撮终影响了地面产流和汇流过程 以及径流量的大小。在文中首先投影研究区附近的各以县为单位的土地利用类型 图，然后利用a r e g i s 中的a r e m a p 工具合并土地利用类型图单元的c o v e r a g e 格式的文件，再用流域边界对己合并好的土地利用类型文件进行切割，然后对具 有流域边界的土地利用类穗代码进行重分类并赋值，如表3 - 3 所示，最后将处理 好的s h a p e 文件转换为g r i d 文件，将其栅格太小设为1 0 0 m x l 0 0 m ，土地利用 类型图如图3 4 所示，经过g i s 的上述预处理后，土地利用类型图可供建模使用。 要建立s w a t 模型的土地利用数据库需将原始的土地利用类型重分类后使用， 并将其与s w a t 模型中自带的植物生长模型的数据库中的代码对应起来，作为 划分水文响应单元的基础之一。 兰州大学2 0 1 0 届硕士毕业论文 表3 - 3 研究区土地利用类型重分类表 t a b 3 - 3l a n d u s er e c l a s s i f i c a t i o no ft h es t u d ya r e a 根据研究区土地利用类型图，统计得到重分类后的各种土地利用类型的面积 百分比，统计结果为：研究区的总土地面积为1 6 8 3 2 2 h m 2 ，其中草地所占的面积 最大，占总面积的4 7 4 7 ，林地占总面积的2 7 8 ，土地利用所占比例的详细 情况见表3 - 4 。 表3 4 研究区土地利用类型面积 t a b 3 - 4l a n d u s ea r e ao ft h es t u d ya r e a 兰州大学2 0 1 0 届碗毕业论立 圉3 4 研究区土地利用重分类图 f 1 2 3 4 l a n d u s e 愀h e m i f i c a f i o n m a po f t h es t u d ya r h 圈3 - 3 研究区土壤类型圈 f 唔3 3 s o i l m a p o f t h es t u d y r 蜘 3 1 3 土壤类型图 土壤类型图是根据1 9 9 5 年全国土壤普查办公室编制并出版的i ；1 0 0 万中 华人昆共和国土壤图中获取的该全国土壤图式采用了传统的“土壤发生分类” 的系统，基本制图单元为土壤亚类，土壤类型分为1 2 个士纲，6 1 个土类，2 2 7 个亚类。该文制作土壤类型图是将获得的全国土壤图的c o v e r a g e 格式转换为 兰州大学2 0 1 0 届硕士毕业论文 s h a p e 文件格式，应用a r c i n f ow o r k s t a t i o n 中的p r o j e c t 命令对其进行投影变换， 并用研究区的流域边界进行切割，得到该论文研究区的土壤类型图，最后应用 c o n v e r s i o nt o o l s 将土壤类型图的s h a p e 格式转换为g r i d 格式，设定栅格大小 为l o o m x l 0 0 m ，预处理完成后，该土壤类型图可供建模使用，如图3 3 所示。 土壤类型图的生成对地表径流模拟非常重要，直接关系到研究区的土壤下渗 率，以及水在土壤中的运移速度及方式，决定着地表径流的产流机制。为了满足 s w a t 模型的模拟需要，将土壤类型概化为1 2 个亚类，土壤类型名称及所占面 积如表3 5 所示，在完成土壤类型图的制作和必要的处理后，建立一个土壤类型 图与土壤物理属性数据库相对应并相互链接的索引表s o i l c ，最后将土壤类型 和索引表均输入到s w a t 模型中，进行重分类( r e c l a s s i f y ) ，而后将其与上 面输入的土地利用类型图合并作为划分水文响应单元的划分依据。 表3 - 5 研究区土壤类型及所占面积 t a b 3 - 5s o i la r e ao ft h es t u d ya r e a 3 2 属性数据库 s w a t 2 0 0 0 中使用了7 个数据库来存储模型有关的属性信息，包括土壤类型、 气象数据、土地利用植被覆盖、耕作、营养成分和农药及农业管理模式等，分 别存储在u s e rs o i l s 、u s e rw e a t h e rs t a t i o n s 、l a n dc o v e r p l a n tg r o w t h 、f e r t i l i z e 、 p e s t i c i d e 、t i l l a g e 、u r b a n 数据库中。在文中着重于地表径流总量的模拟，所以 仅用到土壤的物理属性数据库、土地利用植被覆盖数据库以及气象站点数据库， 而s w a t 2 0 0 0 中自带着一个单一的植物生长模型，可以用来模拟世界上所有类 型的植被覆盖，所以对土地利用植被覆盖数据库不做修改，仅在模型自带的数 据库的基础上对土壤物理属性数据库和气象站点参数数据库进行修改。 兰州大学2 0 1 0 届硕士毕业论文 3 2 1 土壤物理属性数据库 模型中用到的土壤属性数据库有两类：物理属性数据库和化学属性数据库， 由于在s w a t 模型中物理属性数据库是必须的建立的，而化学属性数据库为可 选项。根据模拟地表径流的实际情况及使用的产汇流子模块类型，仅涉及到物理 属性数据库，在文中仅建立物理属性数据库。土壤的物理属性决定了土壤剖面中 水和气的运动和交换状况，并影响着每个水文响应单元中的水文过程。物理属 性数据库主要包括土层厚度、有机碳含量、土层有效水量、土壤的饱和水力传导 度等，模型中土壤物理属性数据库文件的各变量名称及含义如表3 6 所示。 表3 - 6s w a t 模型土壤物理属性输入文件 ，t a b 3 - 6i n p u tf i l e so fs o i lp h y s i c a la t t r i b u t i o nu s e di ns w a tm o d e l 变量名称变量含义 i i i l e i e x i 。 s n a m h y d g r p s o l _ z m x a n i o n e x c l s o l _ - c r k t e x t u r e s o l z ( 1 a y e r # ) s o l _ b d ( 1 a y e r # ) s o l _ a w c ( 1 a y e r # ) s o l _ k ( 1 a y e r # ) s o l _ - c b n ( 1 a y e r # ) c l a y ( 1 a y e r # ) s i l t ( 1 a y e r # ) s a n d f l a y e r # ) r o c k ( i a y e 一1 s o l _ 札b ( 1 a y e r # ) u s l e _ k ( 1 a y e r # ) s o u c ( 1 a y e r # ) 位于s o i l 文件的第一行，用于说明文件 土壤名称( 在h r u 总裹中显示) 土壤水文学分组( a 、b 、c 或d ) 土壤剖面最大根系深度( r a m ) 阴离子交换孔隙度，默认值为o 5 土壤的孔隙比，可查得 土壤层的结构 土壤层厚度( n u n ) 土壤湿密度( m m 3 ) 土壤层可利用的有效水( m m r n m ) 饱和水力传导系数( r a m h ) 有机碳含量 黏( ) ，直径 2 0 m m 的土壤颗粒组成 地表反射率 u s l e 方差中土壤侵蚀力因子 电导率( d s m ) ( 1 ) 土壤颗粒c l a y 、s i l t 、s a n d 、r o c k 百分含量的计算 首先查阅全国土壤数据库，得到各土壤类型中的颗粒百分含量。但是，由全 国土壤数据库查得的颗粒百分含量采用的粒径级配标准为国际制标准，而在 s w a t 模型中应用的是土壤粒径级配标准为u s d a 简化的美制标准，因此需要将 所查得资料的土壤粒径级配从国际制标准转换为美制标准。鉴于相关研究应用三 次样条、二次样条、线性插值法等方法对不同标准的土壤粒径级配进行转换插值 的数学方法进行土壤质地转换的结果p 6 - 37 。，经过对比分析，选择三次样条插值法 进行土壤粒径级配标准的转换工作，在计算过程中，应用m a t l a b 软件编程进 行三次样条插值法计算以达到粒径级配转换的目的，最终得到美制的c l a y 、 1 6 兰州大学2 0 1 0 届硕士毕业论文 s i l t 、s a n d 、r o c k 的百分含量。 表3 - 7 土壤粒径级配标准对比 t a b 3 - 7c o m p a r i s o no fs o i ls i z eg r a d a t i o n s ( 2 ) 根据土壤颗粒组成计算部分参数 利用计算得到的c l a y 、s i l t 、s a n d 、r o c k 的百分含量来计算s o lb d 、 s o la w c 、s o lk 等参数。应用前面求得的各土壤颗粒粒径转换为美制的土壤 颗粒含量数据，结合美国华盛顿州立大学研制开发的土壤水特性软件s p a w ( 即 s o i l p l a n t a t m o s p h e r e w a t e r ) ，可以很好的计算出土壤属性数据所需的部分参数。 在计算过程中，利用s w c t 模块，将黏土( c l a y ) 含量、砂土( s a n d ) 含量、砂砾 ( r o c k ) 含量、有机质( o r g a n i cm a t t e r ) 含量等参数，输入到s p a w 软件的 s w c t ( s o i l w a t e r - c h a r a c t e r i s t i c s ) 模块中，即可直接得到建立数据库所需的部分参 数，而另一部分参数还需经过人工代入经验公式中计算得到。可直接输出相关数 据为：田间持水率( f i e l dc a p a c i t y ，v 0 1 ) ；凋萎系数( w i l t i n gp o i n t ，v 0 1 ) ； 土层饱和度( s a t u r a t i o n ，v 0 1 ) ；土壤容重( b u l kd e n s i t y ，l b r 3 ) ，单位需转换 g c m 3 ；饱和导水率( s a t h y d r a u l i cc o r i d ，i n h r ) ，单位需转换为c m h 。而后， 由变量和可以计算土壤可利用的有效水量值( s o la w c ) ，其计算公式为： s o la w c = f c w p ，其中f c 为田间持水率，w p 为凋萎系数。据相关研究分析表 明：土壤的各颗粒的百分含量与土壤的各物理属性参数之间有着极好的统计关 系，该软件的计算值与实测值之间的拟合度很高1 3 引。 ( 3 ) 部分参数查阅资料得到 s o lz m x 、s o lz 、s o lc r k 可通过查阅甘肃省土壤志、甘肃省土种志 和张掖市土壤志等资料得到。s o lc b n ：土壤层中有机炭含量，其值的计算一 般由有机质的含量乘0 5 8 得到，而有机质的含量可通过查阅相关资料获得。 ( 4 ) 部分参数采用模型默认值 s o le c 、a n i o ne x c l 可采用模型默认值。s o le c ：电导率( d s m ) ， 采用模型默认值1 0 ；a n i o ne x c l ：阴离子交换孔隙度，模型默认值为0