基于swa模型的水循环模拟研究

基于swa模型的水循环模拟研究

人类活动导致气体浓度增加和土壤温度增加。然而，在某些地区，气溶胶将导致低温气候。气候变化直接影响着降水、蒸发和径流等水文循环过程，改变了水文循环，并导致资源在时间和空间上再分配。本文利用swt模型模拟了西山流域气候条件变化下的水文效应。1研究区流域分布西溪是晋江的重要支流,发源于安溪县西北桃舟乡达德坂的梯子岭,河长145km,流域面积3101km2.研究区范围为西溪安溪水文站以上段,是西溪的重要组成部分,主要位于安溪县和永春县境内,流域内地形复杂,地势西高东低,研究区总面积2466km2.2水文平衡的基本方程产流和坡面汇流与河道汇流是SWAT模型模拟流域水文过程的两部分,具体包括地表径流、土壤水、蒸散发、地下水(浅层地下水和深层地下水)以及河道汇流.根据水文循环原理,SWAT模型水文计算水量平衡基本表达式如下:SWt=SW0+∑(Rday−Qsurf−Ea−Wseep−QgwSWt=SW0+∑(Rday-Qsurf-Ea-Wseep-Qgw式中,SWt是最终的土壤含水量(mm),SW0是土壤初始含水量(mm),t是时间(d),Rday是第i天的降水量(mm),Qsury是第i天的地表径流量(mm),Ea是第i天的蒸发量(mm),Wseep是第i天存在于土壤剖面底层的渗透量和侧流量(mm),Qgw是第i天的地下水含量(mm).3shwat模型的执行过程3.1基于网络dem的域信息提取研究区的DEM,是确定流域边界、划分子流域和生成河网的基础数据.3.2土地利用面积阈值的确定本文采用多种水文响应单元法(MultipleHydrologicResponseUnit):(1)土地利用面积阈值的确定,用来确定子流域内需保留的最小土地利用的面积,在模拟过程中取5%;(2)土壤面积阈值的确定,用来确定土壤类型中需保留的最小土壤类型的面积,在模拟过程中选取10%.3.3日降雨、气象观测数据运行模型所需要输入的气象数据来自流域内桃舟、龙山、中板等14个雨量站1970～1979年连续10年的日降雨量数据,安溪气象观测站点1970～1979年连续10年的各月平均最低气温、各月平均最高气温、各月降水量等观测数据.3.4子流域水文环境文件输入的文件类型有流域配置文件(.fig),土壤文件(.sol),气象文件(.wgn),子流域文件(.sub),水文响应单元文件(.hru)及主河道文件(.rte).3.5/降水模拟及潜在蒸发模拟在模型运行的操作界面上,选择“日降雨数据/径流曲线/日(Daily-rain/CN/Daily)”方式;降雨量模拟选择SWAT模型手册中推荐的偏正态分布方法(Skewednormal);潜在蒸发模拟方法选择Penman-Monteith方法;河道演算选择VariableStorage方法,最后运行模型.4模型校正4.1基流料及其处理在模型校正过程中,确定6个敏感参数进行敏感性分析和验证,得到适合西溪流域的参数值,这6个参数的具体描述如表1所示.理论上CN值取值范围在0～100之间,值越大表示产生径流的可能性越大.土壤蒸发补偿系数(ESCO)是模型调整不同土壤层间水分补偿运动的参数,该系数与产流量呈反比例关系.土壤中可利用水量(AWC),是指土壤中从田间持水量减去植物永久凋萎点的水分,该参数与产流量呈反比例关系.基流消退系数(ALPHA_BF)是通过输入1970～1975年日流量数据,运用数字滤波法分割基流得到的,即在MS—DOS环境下运行bflow.exe模块,对6年的日径流数据分割计算结果为0.0414.ALPHA_BF在0.1～0.3之间表明地下水再分配过程较缓慢,从计算结果看流域内水流速度更为缓慢.根据福建省水文总站对福建省地下水参数的分析,西溪流域多年基流量占总径流量的25%,通过数字滤波技术分割实测径流得到的第三基流系数为30%.地下水延迟天数(GW_DELAY)是从福建省水文总站关于福建省山丘区地下水出流量参数分析成果获得.植被最大储水量(CANMX)反映出冠层的截流能力,该参数与植被覆盖度以及植被类型相关.Zinke研究了不同植被类型的截流能力,本研究根据流域植被覆盖分布情况,选取2mm用于所有水文响应单元内.4.2模拟结果评估为验证模型的有效性,本文选用Nash-Suttclife效率系数E、线性回归系数R2来评估模型在校准和验证过程中的模拟效果.5未来气候变化期间年度流量模拟5.1气候变化情景分析福建省50年间的降雨和气温变动情况表明:降雨量的长期变化趋势为全年降雨量均呈略增加的趋势,但雨季降水量呈略减少的趋势;气温的长期变化趋势为全年气温均呈明显的升高趋势,全省平均气温的上升速率约为0.16℃/10年.本文采用气候方案假定法,分析气候变化对西溪流域径流的影响,在1970～1979年气象资料的基础上,不改变气候因子的时空分布,并且未来将重现降雨和气温缩放后的序列,建立的未来气候变化情景为:降雨变化为原来的+20%、-20%、+10%、-10%和不变的情况;气温分别在原来的基础上+2℃、-2℃、+1℃、-1℃和不变的情况,土地覆被基准数据采用1985年晋江流域土地覆被数据.建立的气候情景模型共有24种,详见表2.5.2降雨和气温变化时,流量随降雨变化的特征特性,模对不同的气温和降雨组合进行年径流量的模拟计算,得出年径流量、年径流变化量和变化率,模拟结果如表3和图1所示.降雨对年径流的影响大于气温,当气温保持不变,降雨量增加10%时,年径流量增加11.28m3/s,增加了13.21%,当降雨量保持不变,气温降低1℃时,年径流量增加1m3/s,增加了1.17%,这表明研究区未来降雨量变化是影响年径流量变化的主要因素,而气温对年径流量变化影响不是很明显.气温对径流量的影响随降雨量的增加变化幅度不明显.在降雨增加20%,气温升高2℃时,模拟径流量为107.87m3/s,较降雨量增加20%和气温保持不变时径流量减少1.39m3/s;气温对径流量的影响随降雨量的减少变化幅度也不明显,在降雨量减少20%,气温升高2℃时,模拟径流量为58.04m3/s,只比降雨量减少20%和气温保持不变的情况下径流量减少1.14m3/s.不同情景下的年径流量变化显著,在24种假定气候情景中,径流量增加最多的情景为S51,模拟径流量增加25.64m3/s,增加了30.02%,径流量减少最多的情景为S15,模拟径流量减少27.36m3/s,较S00情景减少了32.04%,因此,预测未来的气候变化情景对于研究流域径流量变化是非常重要的.6降雨变化对年径流的影响对不同气温和降雨组合情景进行模拟的结果表明,年径流量随降雨量的增加而增