长安大学大学生创新性实验计划项目结题报告-张庆海.doc

土壤高浓度CO2对植物光合作用的影响指导教师：韩枫团队人员：张庆海，刘颖华，薛晓芹，王丽萍完成时间：2012年5月17日 二一二年五月目 录第一章综述21.1 研究背景21.2 研究目的及意义31.3 国内外研究现状31. 3.1 洪水预报研究现状31.3.2 水文模型研究现状31.3.3 SWAT模型的研究现状31.3.4 基于GIS的洪水演进研究现状31.3.5 HEC研究现状31.4 研究现状的评价31.5研究主要内容及方法31.6.本研究的特色3第二章研究区概况32.1 自然地理概况32.1.1流域水系特征32.1.2 地质地貌32.1.3 气候32.1.4 水文32.1.5 土壤与植被32.2 社会经济与水资源开发利用概况3第三章研究区基础资料处理33.1 数据处理33.1.1 DEM数据处理33.1.2土地利用数据处理33.1.3土壤数据处理33.2 数据库的建立33.2.1土地利用属性数据库33.2.2土壤属性数据库33.2.3气象信息数据库3第四章基于SWAT的黄土高原典型泥石流区域径流模拟34.1 SWAT模型简介34.1.1SWAT模型的发展34.1.2 SWAT模型原理34.1.3 SWAT模型的结构和运行控制34.2 模型对DEM分辨率和积水面积阈值的敏感性分析34.2.1不同DEM分辨率和集水面积阈值下的地形参数提取3第五章基于的河道水力演进模拟35.1 HEC模型简介35.1.1 HEC概述35.1.2 HEC-RAS模型原理35.2 HEC-GeoRAS耦合ArcView GIS提取该流域河网35.3 建立河道山洪（泥石流）演进模型35.3.1河网几何资料的处理35.3.2边界与初始条件设置35.3.3演进分析35.4 三维显示各种情景下的洪水淹没范围显示3第六章运用模型研究建庄川典型泥石流流域产生洪水淹没的临界降雨量36.1 运用模型研究建庄川典型泥石流流域产生山洪（泥石流）淹没的临界降雨量36.1.1 SWAT构建降雨-径流模拟模型36.1.2不同降雨情景下的山洪（泥石流）演进分析36.2 根据未来降雨预报预测该区的洪水淹没36.2.1不同降雨情景下的径流量36.2.2不同降雨情景下洪水演进分析3第七章结论与展望37.1 主要结论37.2 展望3第一章综述1.1 研究背景洪水通常是指由暴雨、急剧冰雪融化、风暴潮等自然因素或水库调度不当、水利工程溃决失事等人为因素引起的江河、湖泊洪水流量激增、水位急剧上涨的一种水文现象。洪水是自然和环境系统变化的产物，其发生和发展都受自然和环境系统的作用和制约。洪水灾害是指因大雨、暴雨或持续的降雨是低洼地区淹没、滞水的现象。洪涝灾害的发生使人民的生命财产受到威胁和损害。随着社会经济的发展，洪水灾害对人类的危害在不断的增长，洪灾不断的成为社会关注的焦点1。近年来，由于世界气候异常，全球多个国家都遭遇洪水灾害的袭击。据媒体报道：2006年6月美国连降暴雨，使得密西西比河的水位开始猛涨，涨高的洪水漫过了沿途的房屋、农场和道路。在艾奥瓦州洪水漫过了防洪堤，涌入锡达拉皮兹市城区，至少438处民居遭浸泡。此外，3000多户居民离家，前往高处避险，工厂、汽车均被淹没在一片汪洋之中；2008年7月，乌克兰遭遇百年一遇的大洪水；2011年10月泰国北部和中部遭遇50年来最大洪水灾害，全国3/4成为汪洋，死亡200多人。2009年5月22日，澳大利亚南利斯莫尔的机场被洪水包围。澳大利亚东海岸几天来连降暴雨，造成洪水泛滥，数千人被迫离开家园。我国幅原辽阔，全国大约有2/3的国土面积都有着不同类型和不同程度的洪水灾害2。历年来洪水灾害给我国带来了巨大的损失，对河流沿岸人民的生产生活带产生严重的影响。如1954年长江特大洪水，淹没农田4755万亩，受灾人口1888万人，死亡3.3万人，直接经济损失100亿元；1963年海河发生特大洪水，三大水系决口2400处，有104 个县市遭灾，淹没农田6600万亩。保定、邢台、邯郸市水深23米，倒房450万间，受灾人口2200万，死5640人，2254个工矿企业停产，京广铁路27天不能通车，直接经济损失60亿元；1998年长江、松花江、嫩江流域发生特大洪水，直接经济损失超过2000多亿元；2003年8月24日，陕西省黄陵县沮河上游水位暴涨，导致黄陵县腰坪社区多个村组受灾、建庄川多个煤矿矿井进水，整个县直接经济损失达1亿多元。由降水预报对洪水成灾进行预测预报是一项非工程性减灾措施，预先获知洪水的淹没范围和水深的分布情况，对于预先转移受灾区的生命财产，减少损失具有非常重要的价值，而且对于洪水造成的灾害损失进行评估也是非常有用的3。近年来随着GIS技术的发展，利用GIS的空间分析和可视化功能，模拟显示洪水淹没范围和水深分布一直是研究的热点。对近年来有关学术文献进行分析，发现大多都是基于给定水位条件下的有源洪水淹没分析和无源洪水淹没分析4-6，对给定流量进行洪水演进分析的文献较少。本文将从给定流量入手，运用HEC-RAS、GIS耦合HEC-GeoRAS模型对研究区的洪水演进进行分析。由降雨模拟流域径流一直是水文界研究的重点、热点。应用物理数学和水文知识在流域尺度范围内对降雨径流形成过程进行局部或综合模拟，可以在一定程度上确定流域的水文响应目的的流域降雨径流模型正是为了直观反映这一水文现象而建立实行的一种合理、可行的途径7。目前国内外研发了一系列的水文模拟模型，主要分为概念性水文模型和分布式水文模型。本文运用物理机制较强的分布式水文模型SWAT模型对研究区降雨径流进行模拟。通过对降雨径流进行模拟，结合数字高程模型(DEM)，运用给定流量的洪水演进分析模型，对由降雨造成的洪水淹没进行模拟研究，为洪水的预测预报及防洪调度提供决策依据。1.2研究目的及意义实践表明，在不断推进防洪工程措施的同时，必须配套建设完善的非工程措施体系。非工程防洪减灾措施主要是指在充分发挥防洪工程作用的前提下，通过直接控制洪水手段以外的其它自然条件和社会条件来适应洪水特征，达到规避洪水风险的目的，有效地减少灾害造成的损失。预先获取洪水的淹没范围和水位的分布情况，防洪问题将能更有效地得到经济合理的突破。因此，研究利用新技术新方法快速、准确、科学地模拟、预测洪水淹没范围，已成为一个重要而紧迫的课题。对降雨洪水可能造成的灾害进行预估是一项意义重大的工作，而计算降雨产生的洪水量及洪水可能淹没的范围则是该工作必须要解决的首要问题。在一些重点防洪城市和行蓄洪区，如果能够通过气象部门的降水预报，预先获知洪水的淹没范围和水深的分布情况，准确及时的发布洪水灾害预警信息，提前做好应对洪水灾害准备，合理选择避让时机，可以保障人民的生命财产安全，减轻洪涝灾害；同时为沿岸单位选址，水工建筑风险分析，防洪指挥调度和洪涝灾害的损失评估等决策工作提供评判依据。1.3国内外研究现状1. 3.1洪水预报研究现状洪水预报是根据洪水形成和运动规律, 利用水文、气象信息, 预测洪水的发生与变化过程的应用科学技术8。近年来随着计算机技术在洪水预报领域的发展，国内外洪水预报方法取得了可喜的成绩。归纳起来，洪水预报可分为：水文预报和水力学预报。洪水水文预报是在分析历史洪水资料的基础上，通过水文学方法，分析未来一段时间洪水发生的概率及洪水特征。张洪刚等9人根据贝叶斯分析，对白云山水库的概率洪水进行了预测，结果表明，贝叶斯概率可以显著提高预报精度，实现了预报与决策的有机结合。吴超羽等10人利用人工神经网络模型对广东省飞来峡水电枢纽工程控制水文站的日均及逐时流量进行了预报，研究表明，人工神经网络能有效的模拟非线性的实际水文系统。邱超11利用模糊聚类分析和模糊数学的基本原理，对影响水文预报结果的特征因子进行研究，运用特征加权模糊聚类分析法对曹娥江流域的历史洪水进行模糊聚类分析，研究表明该方法能够明显提高曹娥江流域的洪水预报精度。随着社会经济发展，传统水文型预报方法已难以满足实际防洪的需求，因此需开发流域洪水预报的水力学模型。张真奇等12人针对平原地区洪水预报特点，建立了以水动力学为主的河道一维洪水预报水文水动力学模型。该模型在浙江省诸暨市城关至湄池河段洪水过程的模拟与预报结果表明，预报水位与实测水位吻合良好。张小峰等13人建立了一维非恒定水力学模型与最小二乘法耦合的实时洪水预报模型，并运用于长江干流宜昌-山段洪水实时预报，取得了较好的效果。1.3.2水文模型研究现状水文模型是对自然界中复杂水文现象的一种概化，是水文水资源科学中的重要研究领域之一。早在1850年Mulvany建立了推理公式。1932年Sherman提出单位线概念、1933年Horton的入渗方程、1948年Penman的蒸发公式等，标志着水文模型由萌芽时代开始向发展阶段过渡14。进入20世纪50年代后，随着计算技术的发展，各国提出了一些著名的水文模型。总结前人的研究结果，水文模型主要分为概念性水文模型和分布式水文模型。概念性水文模型主要有：国内，河海大学赵人俊15教授等提出了新安江模型，该模型有一定的系统性、结构较为完善、应用效果较好，得到国内外水文学者的了解和应用。新安江模型经历了从二水源新安江模型到三水源新安江模型和考虑植被作用的新安江改进模型。国外，日本学者菅原正巳博士1961年提出了水箱模型又称坦克模型，该模型能以比较简单的形式来模拟径流形成过程，把降雨转化为径流的复杂过程简单的归纳为流域的蓄水量与出流的关系进行模拟，具有很强的适用性。1971年美国环境保护署开发了暴雨洪水管理模型SWMM模型16-17，该模型是集水文水力水质模拟于一体，程序采用模块化结构设计，具有模拟复杂下垫面条件的城市流域的雨洪，河道排洪涝模拟及对城市水质进行预报。1983年美国地质调查局开发了降雨径流模拟系统PRMS模型，该模型可以模拟一般的降水、极端降水及融雪过程的水量平衡关系、洪峰及洪峰流量、日平均径流、洪水过程等的变化。1980年美国环境保护署发布HSPE的水文模型，该模型用于大流域范围内自然和人工条件下的水系中水文水质过程的连续模拟。20世纪70年代，瑞典国家水文气象局开发了HBV水文模型，应用尺度可以从小流域到大尺度流域，先后在世界上40多个国家得到运用。分布式、半分布式水文模型主要有：1979年，Beven很Kirkby提出了以地形为基础的半分布式流域水文模型TOPMODEL模型18，该模型结构简单，优选参数少，是一个入门级的分布式流域水文模型，该模型可以以GIS系统结合，运用较为广泛。1986年由美国、法国和丹麦的科学家联合研发了SHE模型19，该模型是一个最早和最具代表性的分布式水文模型。该模型物理机制强，在研究流域的水文响应机理以及考虑未来土地利用和气候变化的影响方面具有较大的优势。1998年美国农业部研究中心开发了流域尺度的SWAT模型20，该模型功能十分强大，非常灵活，可以模拟大量的水循环、土壤侵蚀和非点源污染问题。该模型与GIS相结合，在国内外得到广泛运用。VIC模型21于1994年提出的大尺度陆面水文模型，可同时进行陆-气间能量平衡和水量平衡的模拟。在一个计算网格内分别分别考虑了裸土及不同的植被覆盖类型，并能同时考虑陆-气间水分收支和能量收支过程。TOPKAPI模型22是基于DEM构建的分布式水文模型，该模型物理机制强，通过几个“结构上相似的”非线性水库方程来描述流域降雨-径流过程中的不同的地形水文、水力学过程，主要模拟水文循环中的陆面水文过程。该模型在国外运用相当广泛，包括洪水预报、洪水极值分析、无资料地区洪水计算等方面。1.3.3SWAT模型的研究现状SWAT模型是由美国农业部的农业研究中心开发的一个以日为步长的连续空间分布式水文模型，该模型具有较强的物理基础，并集成到ArcGIS环境中，具有良好的用户界面与较强的空间数据管理、分析和表达的能力，在众多领域得以运用23。国内，王中根24等人介绍了SWAT模型的原理，并把SWAT模型运用到甘肃省西部的黑河流域，对河流流域的日、月径流经行了模拟，日径流过程模拟的效率系数达到0.83；李慧25等人运用SWAT模型模拟了山区玛纳斯河流域的日径流，模拟的相对误差为17%，Nash Sutcliffe效率系数为0.73，表明SWAT模型可以对流域日径流进行模拟；冯夏清26等人利用SWAT模型对乌格尔河流域进行模拟，并分析未来气候变化情景下河流流量的变化，结果表明SWAT模型可以很好地模拟乌格尔河流域的径流变化过程，尤其是产沙量大的站点，模拟效率较高;郭晓军27等人用SWAT模型模拟了典型泥石流流域蒋家沟流域的基流月径流模拟和日径流变化，模拟结果的Nash效率系数和相关系数都在0.7以上，SWAT模型可以用来对泥石流流域的降水径流进行预测预报。SWAT模型不仅可以对流域径流进行预测，还可以用来模拟流域非点源污染、泥沙输送、流域水量平衡及水资源管理、土地利用变化及气候变化等。张秋玲28运用SWAT模型对太湖流域的农业非点源污染的氮、磷进行了模拟，模拟结果较好，为太湖流域的污染管理提供了理论依据；庞靖鹏29等人运用SWAT模型，根据北京密云水库流域90年代早、中、末期的土地利用变化对该流域的径流和泥沙负荷进行了模拟，研究了土地利用变化对流域径流和泥沙负荷的影响。SWAT模型在国外得到广泛运用，很多学者利用SWAT模型研究了流域的径流、泥沙和营养物质等的输移。Lam等30人用SWAT模型对位于德国北部的Kielstau流域的硝酸盐负荷进行了模拟，逐日观测数据的校准和验证的系数都0.68-0.78，表明模型在该区运用效果较好。研究表明，农业非点源污染主要来自硝酸盐污染，在不同的子流域中，营养物负荷与农田面积成正比，而与森林面积成反比。Mengistu等31人利用SWAT模型对美国Turkey Creey河流域采用STATSGO和SSURGO土壤数据集作为SWAT模型输入模拟、水流水质预测进行了比较，研究表明SSURGO比STATSGO产生更多的径流，而泥沙负荷则相反。Richards等32人将SWAT运用于美国德克萨斯州的北博斯基河流域，评价了该处的磷负荷削减50%的最佳农业管理措施，同时将模型有效地运用于沃斯堡附近的玛丽河，模拟历史流量，并估算其泥沙、营养盐负荷。1.3.4基于GIS的洪水演进研究现状洪水淹没是一个复杂的过程，受多种因素控制，其中地形因素和洪水特征过程是影响洪水淹没范围的主要因素。洪水淹没过程可以分为两种：有源淹没和无源淹没。有源淹没即整个地区大面积均匀降水的情形，所有低洼处都可能成为淹没区。无源淹没即高发洪水向邻域泛滥，如洪水决堤，或局部暴雨引起的暴涨洪水向四周扩散33。近年来随着计算机技术及GIS技术的高速发展，利用GIS强大的空间分析能力和可视化功能，模拟显示洪水范围一直是一个研究热点。刘仁义等人利用GIS对复杂地形洪水淹没区计算方法进行了探讨，根据地形高程和连通性进行淹没模拟和分析。丁志雄等34人利用GIS将DEM转变为多边形网格后，建立单元水深数学模型并进行淹没范围计算。葛小平等4人采用地理信息系统(GIS)与水力演进模型，结合三维模拟技术和对象关系模型数据库，对浙江奉化江流域洪水淹没范围进行模拟。陈鹏霄等35人结合空间数据和水文站点监测数据，运用Kriging插值方法及一维水力学模型，生成水面高程数据，来快速获取洪水淹没信息的空间分布。向素玉等36人基于GIS城市洪水淹没模拟分析，根据数学形态学及测地圆概念，研究设计了洪水扩散范围的“膨胀”模拟算法和淹没范围搜索算法。1.3.5HEC研究现状HEC系列软件是由美国陆军工程兵团(USACE)水文工程中心开发的系列水文和水力软件，业界一般称为HEC模型，包括一系列的水文，水力学模型37。HEC-RAS可以进行河道水力演进模拟、河道水利工程设计等,HEC-RAS所需的河网几何数据可以有HEC-GeoRAS生成。方园皓等38人介绍了HEC-RAS和HEC-GeoRAS的原理结构及建模流程，并对南四湖下级进行建模，利用模型对此洪进行了模拟，结果表明该模型对南四湖是适用的。王栢伟等39人把HEC-RAS模型在三峡库区，模拟了1989年-2000年间209场洪水，并检验了洪水传播时间。且将该模型应用于三峡水库2006年和2007年蓄水期库区水位的模拟，结果表明，蓄水期水位变化过程得到了较好的模拟，对高水位的模拟误差可控制在0.2米之内。陈建峰40利用HEC-RAS、ArcView GIS耦合HEC-GeoRAS，模拟了黑河金盆水库的设计洪水（P=1%）和校核洪水（P=0.5%）经水库调节后，在水库下游河道和下游区域的演进情况。周毅41利用HEC-RAS、ArcView GIS耦合HEC-GeoRAS,对疏勒河流域的昌马水库溃坝洪水演进进行了模拟。1.4研究现状的评价对洪水预报的研究，国内外学者分别从水文学和水力学预报对洪水进行预报，借助现代科学技术及数学工具对洪水发生的概率及水量进行了预测预报，大多都是基于历史洪水资料对未来洪水情况进行预测预报。对于降水径流模拟，国内外研发了一系列的水文模型，各具特点，从单纯的经验模型到具有较强物理机制的分布式水文模型，对于流域水文模拟的精度在不断的提高，使水文模拟得到飞速发展。对于洪水演进分析，随着计算机技术的发展，从以前的河道计算圣维南方程到现在的各种现代方法，尤其是3S技术的发展，对洪水演进起了极大的推进作用，利用3S技术可以对洪水进行实时监测，使洪水演进淹没可视化成为可能，大大提高了洪水演进分析精度及防洪调度部门的决策管理效率。随着社会经济发展，科学准确的预测预报洪水，提高洪水预报精度，迫切需要建立完整的洪水预测预报系统。而目前的洪水预测预报研究，很少与气象耦合，建立起降水-径流-洪水淹没演进为一体的洪水预测预报系统。1.5研究主要内容及方法在洪水预报及洪水演进问题上，目前虽然取得了一系列的成果，但还远未达到成熟的地步。本文就是在前人的基础上，针对黄陵县建庄川典型泥石流区的特点，和地形状况来研究降水-径流-洪水演进状况，从洪水预测预报方法上有所进步，洪水预报研究提供新思路。本文主要研究内容如下：（1）由地形图建立建庄川流域DEM数据，利用SWAT模型把建庄川流域划分成一系列子流域，根据实测气象、径流数据及流域土地利用图、土壤类型图构建建庄川流域降水-径流模型，并对该模型进行校准和敏感性分析，以日为时间步长模拟该流域径流量，得到各子流域出口处的径流量。根据气象部门的降水预报，对该流域未来的径流量进行模拟预报研究。（2）本文拟运用HEC-GeoRAS耦合ArcView GIS根据建庄川数字地形模型（DTM）提取该流域河网的几何数据，把提取的几何数据导入到HEC-RAS中，建立该区的河道洪水演进模型，对不同降雨条件下的洪水进行演进模拟，得到各种降水情景下的河道水面水位及水面线数据。把HEC-RAS模拟的河道洪水演进数据导入到HEC-GeoRAS中，并在GIS中进行3维显示研究，得到各种情景下的洪水淹没范围及水深分布图。（3）运用该模型，研究建庄川典型泥石流流域产生洪水淹没的临界降雨量及根据未来降雨预报预测该区的洪水淹没。本研究的最终目标是，形成一整套预报洪水淹没的方法，探求研究区出现洪水淹没村庄时的临界降雨量。根据不同频率的降水量，模拟研究区的淹没范围，评价不同频率的洪水的危险性，为防洪调度部门的防洪决策提供依据，为沿岸居民、单位的选址及防洪河堤的修建提供依据。1.6.本研究的特色本研究将在前人研究的基础上，针对典型泥石流流域建立基于降雨-径流模型预报洪水淹没。主要创新点有：（1）利用SWAT模型模拟典型泥石流流域的降水-径流，使得气象与洪水预报相结合。（2）利用HEC-RAS模型，对河道洪水演进进行研究，从给定流量对洪水演进进行分析，为洪水演进分析提供了一种新的思路方法。（3）利用GIS对洪水淹没进行可视化显示，较精确的得到洪水淹没范围和水深分布，为灾后评估提供依据。（4）本研究建立了从降雨到洪水演进的一整套系统方法，为洪水预测预报提供新思路。第二章研究区概况2.1 自然地理概况建庄川流域位于陕西省延安市黄陵县城西南部。东经10804651.88”-1090212.75”,北纬3502052.48”-3503422.02”东临宜君县，西南与旬邑相邻，南与铜川市相接。该流域东西长24.79Km,南北宽21.82Km,流域总面积342.78km2。2.1.1流域水系特征建庄川河全长31.27公里，属于沮河第二大支流，由西南山区流向东北黄土沟壑区，在店头镇注入沮河，流域总面积342.78 km2。建庄川河河道弯曲、河流纵比降大，比降为13.4%，支流较多，呈树枝状分布，主要有西沟、曹河、草坪河、窑河。具体水系分布如图1所示。图1 建庄川流域水系分布图2.1.2地质地貌建庄川流域属低山丘陵地貌区，地势西高东低，海拔高度从1000米-1600米。建庄川河两岸发育有一、二级河流阶地，一级阶地分布较广，阶地宽度从30米-100米，阶地高出河谷5-10米，近东西走向。建庄川流域属鄂尔多斯地台的一部分，主要地层有K1白垩系志丹群砂砾岩夹砂岩，页岩及煤线地层，主要分布在流域南部;流域北部分布有Q2+3离石组黄土与马兰组黄土饼层。黄土堆积覆盖整个流域，黄土堆积厚度呈愈向东愈厚，西部缺乏连续的黄土披覆。由基底古地貌以及现代流水侵蚀的影响,该区岭谷交织,山恋重迭,起伏不平。2.1.3气候建庄川流域地处内陆,属中温带大陆性季风气候区。年平均气温9.30C，平均最高气温27.50C，极端最高温36.5。冬季(122月)和夏季(68月)气温较稳定,春季升温急剧,秋季降温迅速。最冷月1月,平均气温4.7,最热月为7月,平均气温21.9，无霜期172天，年日照时数平均为2528.4小时。建庄川流域自然降水量呈明显的季节性和区域性变化,降水变率较大,雨量不足。据19711985年气象资料统计,年平均降水量775.2毫米,(80%保证率440.1毫米),最大1037.2毫米(1975),最小431.7毫米(1977),相差605.5毫米。年蒸发量平均1375.9毫米,相当降雨量的2倍多,最大月份为五月蒸发199.1毫米;最小月是1月45.5毫米。由于受地理位置、大气环流、森林植被和海拔高度等因素影响,年降水量由西向东递减。降水量在年内和年际变化较大，夏季平均集中占全年51%,秋季占25%,春季占18%,冬季占6%。每年从四月份开始,降水迅速增加,7、8、9三个月为相对多雨月。12月到1、2月份降水显著偏少,相差349.5毫米。大于50毫米的暴雨平均每年1次，大于60毫米的暴雨两年出现一次，大于100毫米的暴雨十五年仅1次。2.1.4水文建庄川河平均流量为0.655立方米/秒,多年平均流量2065万立方米,多年平均输沙量5.66万吨。该河属季节性河流,平时流量较少,主要径流集中在7、8、9三个域，且丰枯悬殊。五年一遇丰水年年径流量2714万立方米，两年一遇平水年年径流量1879万立方米，四年一遇干旱年年径流量1090万立方米，二十年一遇干旱年年径流量835万立方米。2.1.5土壤与植被建庄川流域主要土壤类型有黄绵土、褐土、灰褐土、潮土及水稻土这五类土壤，其中黄绵土主要分布在流域的下游的南边，占流域面积的8.9%；灰褐土主要分布在流域的下游的北边，占流域面积的9.5%；褐土分布在流域的大部分区域，主要集中分布在流域的西部，占流域面积的81.4%。此外，在流域的河谷两岸部分地区分布有潮土及水稻土，占流域面积的0.2%。建庄川流域森林覆盖率为81.3%，由于受自然环境和人为因素的影响,林木分布特点呈现出:阴坡林多,阳坡林少;萌生林多,实生林少;阔叶林多,针叶林少;混交林多、纯林少;林下灌木多,林分密度小;林相不齐。因而,生长慢、产量低、密度小,蓄积少。密林、疏林、灌丛、草地、林中空地等常镶嵌分布,且垂直分布不明显。主要树种有油松、侧柏、刺槐等。2.2 社会经济与水资源开发利用概况流域内有8个行政村，15个居民小组，764户居民，3567人。当地矿产资源丰富，有煤、水晶石、石灰石、砂岩、泥岩、红沙等地下矿藏。已探明的煤炭资源面积145平方公里，地质储量7.3亿吨，属“渭北黑腰带”煤田，是陕西四大煤田之一。当地以玉米、水稻种植为主导产业，突出品种优良化、农具机械化、田间管理科学化、水稻产业化，全区共种植玉米3180亩，其中地膜玉米2140亩，共种植水稻876亩。自2002年退耕还林实施以来，现已完成设计面积营造生态林共计1175.8亩，（2002年营造林530亩，2003年445.8亩，2004年200亩），涉及农户245户，从2002年至 2005年已兑现粮款共计47.34万元。建庄川流流水资源丰富，围绕水稻产业化发展，在全流域范围内共建堰塘4座，水库1座，灌溉面积1536亩，人均水地营0.52营/人。同时该区实施了人蓄饮水工程，河道改造，灌渠建设综合治理工程及能源沼气池建设。具体水资源开发利用图如图2所示图2 水资源利用图第三章研究区基础资料处理3.1 数据处理3.1.1DEM数据处理数字地形模型(DTM)是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型(DEM，DigitalElevationModel)，高程是地理空间的第三维坐标。由于传统的地理信息系统的数据结构都是二维的，数字高程模型的建立是一个必要的补充。DEM通常用地表格则网格单元构成的高程矩阵表示，广义的DEM还包括等高线、三角网等所有表达地面高程的数字表示。本研究区的栅格DEM来自中国地质调查局西安地调中心，数据分辨率30米。对DEM数据的处理实质是对DEM中的地形凹陷区进行削峰填洼处理消除误差。基本操作过程为洼地的识别判断和填充。由于重力的存在，使得在自然状态下的水始终向低洼处流动，在遇到洼地时则会先将洼地填满，然后在从洼地的最低出口处流出，因而从未经处理的DEM中提取的河网常常是不连续的与实际不相符合42。同时，由于DEM水平和垂直分辨率的限制及DEM生成过程中的系统误差也会存在DEM表面凹陷区，影响水系的提取效果。因此，利用DEM进行提取水系时，首先应对DEM进行填洼处理，生成无洼地的DEM。本研究区在黄陵县建庄川流域，假设整个研究区的DEM为可填充型的。利用ArcGIS中的ArcHydro Tools工具对流域DEM进行填洼处理，生成的无洼地的DEM如图3所示。图3 建庄川流域填洼后DEM图3.1.2土地利用数据处理土地利用类型对于应用SWAT模型模拟径流尤为重要，土地利用类型的编码是进行降雨径流模拟的计算的基础，本研究所需土地利用数据来源于中国西部环境与生态科学数据中心，采用的是1986和2000年的1:10万土地利用矢量数据。根据研究需要，对获取的土地利用类型图沿流域边界进行剪切，并以土地类型代码字段为值（Value）转化为栅格GRID格式。流域具体土地利用分布如图4所示图4 建庄川流域土地利用类型图3.1.3土壤数据处理数据来源于中国西部环境与生态科学数据中心的1：:100万土壤类型矢量图，根据研究需要对获取的矢量图沿流域边界进行切割，并与土壤类型代码字段为值（Value）转化为栅格GRID格式。然后建立土壤类型查询表文件，对其进行重分类，最终得到模拟的土壤类型。土壤类型及分布见图5所示图5 建庄川流域土壤类型分布图3.2 数据库的建立SWAT模型在美国数据调查的条件下建立的。因此，在运用时需要构建适合研究区的数据库，这就需要对SWAT模型自带的数据库做一定的修改，尤其是用户需要建立自己的土壤属性数据库。同时，还需对土地利用的编码进行转换。对于气象发生器，用户需要根据研究区的实测气象数据，构建适合研究区的气象发生器。本研究所有输入数据均采用的是Albers等积圆锥投影系统参考椭球体为Krasovsky。3.2.1土地利用属性数据库土地利用数据在建模时需要将数据源的分类代码转化成SWAT能够识别的代码。表1统计了建庄川流域内土地利用/覆被类型与SWAT内部代码的对应情况。同时建立土地利用连接表，使土地利用图与SWAT模型的土地利用数据库能够相连接。表1 建庄川流域植被覆盖类型转换表编码土地利用类型SWAT模型中的名称SWAT模型中的代码21有林地22灌木林地Forest-MixedFRST23其它林地16疏林（灌木）Range-Brush RNGB31高覆盖度草地32中覆盖度草地PASTURE PAST33低覆盖度草地3.2.2土壤属性数据库SWAT模型中用到的土壤数据主要包括：物理属性数据和化学属性数据。物理属性主要包括土壤分层数、各层厚度、土壤颗粒组成、土壤水文分组、饱和水力传导系数等。化学属性主要是土壤中氮、磷的初始浓度。土壤的物理属性决定着土壤剖面中水和气的运动状况，并对各个水文响应单元中的水循环起着重要作用。土壤的化学属性主要用来给模型赋初始值，用来模拟水质营养物质的转化传输问题。其中物理属性是必需的，化学属性是可选的。由于本文是针对流域的径流量模拟，不涉及水质问题，所以主要是确定土壤物理属性数据。一般来说，国内可获得的数据难以满足构建SWAT土壤库的要求。为此，土壤可利用有效水量，饱和水力传导系数等参数可根据土壤颗粒组成(美制)以及土壤有机质采用由美国农业部开发的土壤水特性计算程序SPAW进行估算，估算结果可以初步反映出这些土壤参数的空间分布特征，最终结果还需在模型率定过程中进行调整。建庄川流域包括3种土壤类型：黄绵土、褐土和灰褐土。3.2.3气象信息数据库降雨量、平均气温和太阳辐射量等参数对水文过程、作物生长和养分降解、转化都具有重要影响。其中，连续的逐日降雨量、日气温等气候资料对模型的模拟效果将会产生显著影响。然而实际中，由于监测站点数量少、数据资料的缺失等原因以及为了模拟气候变化对水文过程的影响，有必要构建一种用于模拟给定气候条件下的天气发生器。天气发生器的主要输入参数有日降雨量、日最高和日最低气温、太阳辐射量、平均相对湿度和日平均风速等，经过实测资料的统计分析计算得出多年月平均气候特征值。流域的水文气象数据选取 2008-2009年的数据，站点位置见图1。气象数据采用黄陵县腰坪乡气象站逐日的最高和最低气温、相对湿度、风速、太阳辐射；降水量采用了降水系列资料较长的雨量站的日监测数据；水文数据采用黄陵县水文站实测的径流量数据。水文和降水数据由陕西省水文局提供，气象数据由陕西省气象科学数据共享服务中心提供。以上资料经手工录入到Excel后，均按模型要求以DBF格式文件存贮。第四章基于SWAT的黄土高原典型泥石流区域径流模拟4.1 SWAT模型简介SWAT（Soil and Water Assessment Tools）是由美国农业部(USDA)农业研究中心(ARS)开发的流域尺度的分布式水文模型，模型开发的最初目的是为了预测在大流域复杂多变的土壤类型、土地利用方式和管理措施条件下，土地管理对水分、泥沙和化学物质的长期影响43。SWAT模型能够将流域划分为多个子流域，同时根据流域土地利用、土壤类型及坡度分布将子流域划分为多个水文响应单元。模型能够同时计算数百个子流域，能模拟层间流，地下水流，河段演算输移损失和通过池塘、水库、河流、山谷运动的泥沙及营养物的传输和转化。该模型可以读入观测的流量数据和点源数据，还可以用于资料缺失地区的模拟。SWAT模型具有较强的物理基础，它能够充分利用GIS和RS提供的空间信息及流域内的天气和土地管理特定信息，模拟复杂大流域中多种不同的水文物理过程。流域的径流、泥沙输送、作物生长和营养成分循环等物理过程等都在模型中直接反映，因此SWAT模型不当可以应用到缺乏流量观测的流域，而且可以用于对象管理措施、气象条件、植被覆盖的变化对径流、水质等影响的定量评价44。4.1.1SWAT模型的发展SWAT模型主要是基于SWRRB，并吸收了CREAMS、GLEAMS、EPIC和ROTO的主要特征。自20世纪90年代初开发以来，已经经历了不断的扩展。先后推出了94.2版、96.2版本、98.1版本、99.2版本、2000版本、及2005版本。尤其是，98年分别推出了GRASS和Arcview这两个GIS软件集成的版本。在SWAT2005版本中，改进了杀虫剂输移模块；增加了天气预报情景分析；增加了日以下步长的降水量发生器；使在计算每日CN值时使用的滞留参数可以是土壤水容量或者植物蒸散发的函数；同时增加了参数敏感性分析和参数自动率定与不确定性分析模块。除了这些SWAT的改进版本之外，很多学者针对各自研究区域的特点，对SWAT模型进行了改进以适应不同的研究情况。主要的改进形式有SWIM、SWATMOD、SWAT-G和E-SWAT等。SWIM模型是基于SWAT模型和MATSALU模型，并且与RASS集成。由于SWAT模型在地下水模块采用的是集总式的，因此Krysanova等45人结合SWAT模型和MODFLOW模型的长处，开发了SWATMOD模型。Eckhardt等46人在研究德国中部低山区时，基于研究区域主要为陡坡和浅层土壤含水层覆盖在坚硬基岩上，对地下水的径流贡献相对较小，产流主要以壤中流为主的特点，修改了SWAT模型中渗透和壤中流的计算公式，开发了SWAT-G模型。Griensven等47人把QUAL2E模块集成到SWAT模型中，增强了SWAT模型的水质模拟功能开发了ESWAT模型。迄今为止，SWAT工作组、流域水文模型的研究者及SWAT模型用户已经召开了5次国际研讨会。第一次于2001年在德国吉森召开，第二次于2003年7月在意大利巴里召开，第三次于2005年在瑞士苏黎世召开，来自世界27个国家的学者参加了这次会议，并讨论了SWAT模型的经验技巧，以及对SWAT模型的改进等。第四次于2007年在荷兰代夫特召开，第五次与2008年10月在中国北京召开，探讨了SWAT模型的发展及应用。4.1.2SWAT模型原理SWAT模型用来模拟地表水和地下水的水量和水质，长期预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的长期影响。作为一个分布式的水文模型，SWAT模型首先将整个流域按一定的流域集水面积阀值划分成若干的子流域。在此基础上，模型根据土地利用、土壤类型和坡度组合阀值生成一系列的水文响应单元（HRU）。对于每个水文响应单元，模型将按照概念模型对其估算净雨、计算径流和产沙、营养物的转移产量，然后对河道进行汇流演算，营养物的传输及转化，最后得到出口处的流量、泥沙产量和营养物质负荷。模型的整个模拟过程可以分为两大部分：子流域模块（产流和坡面汇流部分）和河道演算模块。前者控制着每个子流域的径流、泥沙、营养化学物质的产量，并输入到其自流域的主河道中，后者决定水、沙、营养物质从河网向流域出口的转移运动及符合演算的汇总过程48。SWAT模型是一个集成和系统化的庞大模型体系，它由732个方程、1013个中间变量组成的综合模型体系，SWAT模型就是通过整个庞大的模型体系把实际中大多数的地理因素和相当多的物理化学过程联系在一起。SWAT模型主要包括三个子模型：水文过程子模型、土壤侵蚀子模型和污染物负荷子模型。流域水文循环可分为两大部分：水文循环的陆地阶段和水文循环的河道演算阶段。陆地水文循环是水、沙及营养物质产出的过程，水文循环河道演算是水、沙及营养物质从流域河网到流域出口的传输过。4.1.2.1水文循环的陆地阶段SWAT模型的水文循环陆地阶段主要由以下几部分组成：气候、水文、泥沙、作物生长、土壤温度、营养物、杀虫剂和农业管理。模拟的水文循环基于水量平衡，水文模块的模拟内容见图6所示。图6 SWAT模型的水文循环过程（1）SWAT模型的模型的水文循环的水量平衡方程： （4-1）式中：为土壤最终含水量（mm）,为土壤前期含水量（mm），t为时间不长（day）,为第i天的降雨量（mm）,第i天的地表径流量（mm）,第i天的蒸发量（mm）,为第i天存在土壤剖面地层的渗透量和侧流量(mm),为第i天地下水的出流量（mm）。（2）气候因素流域气候因素控制着水量平衡，并决定了水循环中不同要素的相对重要性。SWAT模型的气候因素变量需要的气候变量有日降水、最高/最低气温、太阳辐射以及风速和相对湿度。这些变量可以通过模型的气侯发生器自动生成，也可直接输入实测数据。SWAT模型采用偏态马尔科夫链模型或指数马尔科夫链模型生成日降水，采用正态分布生成温度和太阳辐射，采用修正指数方程生成日平均风速，相对湿度模型采用三角分布，并且气温、 和相对湿度均根据干湿日进行调整。（3）水文因素地表径流：地表径流的计算可以采用SCS曲线方法或Green&Ampt方法计算。径流峰值的模拟通过修正的Rations Formula方法和SCS TR-55方法计算49。在降雨径流关系上，SCS模型考虑流域下垫面的特点，如土壤、坡度、土地利用及时空变化对降雨径流关系的影响，可以应用于无资料流域，该模型还充分考虑了人类活动对径流的影响。CSC模型的降雨-径流基本关系表达式：（4-2）式中：为一次性降水总量（mm）;为径流总量（mm）;初损（mm）;为后损（mm）;为流域当时的最大可能滞留量（mm）。根据水量平衡原理有： (4-3)前期初损量受土地利用、耕作方式、灌溉条件、枝叶截留、下渗、填洼等因素的影响，它与土壤饱和储水量呈一定的正比关系，根据经验，模型开发者提出最合适的系数为0.2，即：（4-4）结合式（4-2）、（4-3）、（4-4）求的径流总量，同时考虑到初损未满足时不产流，得到：(4-5)流域当时的最大可能滞留量在空间上与土地利用方式、土壤类型和坡度等下垫面因素密切相关，变化幅度较大，不变取值。为了解决这个问题，模型引入了一个无因次参数,其具体计算关系如下：(4-6)值是反映前期降雨量流域特征的一个综合参数。有上式知，只要知道降雨量和值就能计算径流量，降雨量数据是易获取的，而值是计算的关键因素。下渗：SWAT模型采用土壤蓄量演算法来计算植物根部带每层土壤之间的水的流动。如果土壤层的含水量超过了田间持水量，而且下层土壤含水量没有达到饱和状态，就会存在水的下渗运动，流动速率由土壤层的饱和导水率来控制；当下层土壤含水量超过了田间持水量，就会存在水的向上流动，这一过程由上下两层土壤含水率和田间持水量的比例来调节。壤中流：对于壤中流计算，SWAT模型采用动态蓄量模型进行计算，并假定只有在水分到达田间持水量之后才产流，最大产流量为田间持水量的部分。蒸散发：SWAT模型的蒸散发把土壤蒸发、水面蒸发和植被蒸腾分开来模拟的。潜在蒸散发的计算是实际蒸散发的基础，潜在土壤水蒸发由潜在蒸散发和叶面指数估算。实际土壤蒸发用土壤厚度和含水量的指数关系式计算。植物蒸腾由潜在蒸散发和叶面指数的线性关系式计算。潜在蒸散发有三种计算方法：Penman-Monteith法，Priestley-Taylor法和Hargreaves法。SWAT模型中三种方法需要的输入项不同：Penman-Monteith法需要太阳辐射、气温、相对湿度和风速；Priestley-Taylor法需要太阳辐射、气温和相对湿度；Hargreaves法只需要气温。（4）土地利用/植被生长SWAT模型采用简化的EPIC植物生长模型来模拟所有植被覆盖类型。模拟区的植被分为一年生和多年生植物。植被生长模型用来评价水分和营养物质从根系区的迁移、蒸发及作物产量。（5）侵蚀SWAT模型采用修正的通用土壤流失方程(MUSLE)来计算每个水文响应单元的侵蚀量和泥沙负荷。修正的通用土壤流失方程公式如下： (4-7)式中：为土壤侵蚀量（t）;为地表径流（mm）;为洪峰径流（）为土壤侵蚀因子；为植被覆盖和作物管理因子；为水保因子；为地形因子。4.1.2.2水文循环的河道演算阶段水文循环的河道演算阶段即河道汇流部分，主要考虑水量、泥沙、营养物和杀虫剂负荷在河网中的输移，主要包括主河道及水库的汇流计算。（1）主河道汇流主河道演算包括4部分：水、泥沙、营养物和杀虫剂。随着水流向下流动，一部分通过蒸发损失及河床流失，一部分被人类取用，河道洪水量演算采用变量储存系数法和Muskingum法计算。（2）水库演算水库水量平衡：包括水库入流、出流、水面降水、蒸发、库底渗漏、引水和回归流。对于水库出流，SWAT模型提供三种估算方法：简单的读入实测出流数据，对于不受控制的小水库，需要规定一个特定的泄流速率，对于大水库，采用月目标水量方法。4.1.3SWAT模型的结构和运行控制SWAT具体计算涉及到：地表径流、地下水、土壤水和河道演算，具体结构图见图7.图7 SWAT模型运算结构图4.2 模型对DEM分辨率和积水面积阈值的敏感性分析4.2.1不同DEM分辨率和集水面积阈值下的地形参数提取SWAT模型在划分子流时，对不同分辨率的DEM和不同的集水面积阀值对地形因子会产生不同的影响。下图给出了不同集水面积阀值和不同分辨率划分子流域的情景。图8 30米分辨率DEM，集水阀值200ha时的子流域划分图图9 30米分辨率DEM，集水阀值1000ha时的子流域划分图图10 30米分辨率DEM，集水阀值2000ha时的子流域划分图图11 30米分辨率DEM，集