基于SWAT模型的黄河流域宁夏段径流模拟研究

摘要

宁夏段黄河流域是全国重要的商品粮基地，该流域中黄河从宁夏自治区的中卫市入境，在石嘴山市流入内蒙古，覆盖银川市、中卫市、石嘴山市和吴忠市的全境以及固原市原州区。该流域地貌类型为黄河冲积平原地势平坦，沟渠纵横，海拔在1100-2500m，为温带干旱区，流域内年均日照时数在2750-2950h之间，年均风速在1.7-2.5m*s-1之间，温差较大，热量丰富，无霜期较长。流域属大陆性气候，干旱少雨，年均降水量180-220mm，年际降雨量变化由北向南依次减弱，引黄灌区的降水量月均差异相对显著而年内分配极不均匀，中部干旱带及南部山区降水量年内变化相对平缓，呈现季节性变化。流域年内降水分配不均，干、湿季节明显，7-9月的降水量占全年降水量的60-70％蒸发强烈，年均蒸发量1100-1600mm。
　　近几十年来，该区发展迅速，沿黄两岸工农业用水量持续上涨，水土流失、污染等问题频繁发生。为此，迫切需要对宁夏境内的黄河径流变化进行研究，了解影响流域内径流变化的内在因素，进而实现对水资源的集约、节约化利用和管理。SWAT(Soil and Water AssessmentTools)模型是一个具有很强物理机制的、以日为时间步长并可进行连续长时段模拟的分布式流域尺度水文模型。它可模拟流域的径流、蒸腾蒸发、泥沙与营养物质转移、土壤侵蚀、气候变化对径流的影响、土地利用与覆被变化对径流的影响等过程。
　　本文通过综述SWAT模型的研究进展，结合宁夏段黄河流域的实际情况和所收集到的数据，构建了该流域的SWAT模型。通过利用确定性系数R2和效率系数Ens，验证和评价了所建立的SWAT模型在该流域的适用性。模型构建完毕，研究利用SWAT模型，针对水田、水浇地、旱地、有林地、灌木林地和草地6种土地覆被类型，分别设置了8种情景模式，即模拟水田等6种土地覆被类型，分别在面积增加5％、10％、15％、20％和减少5％、10％、15％、20％的情况下径流的变化情况。然后，研究对气温变化和降水量分别设置了8种情景模式，即:在2010年的数据库基础上，使降水量分别增加和减少8％、16％、24％、32％;使气温分别升高和降低0.5℃、1℃、1.5℃、2℃。最后得出了气温和降水变化对径流的影响。具体的主要结论如下:
　　(1) SWAT模型在宁夏段黄河流域最敏感的参数主要有SCS径流曲线系数(CN2)、土壤有效储水量(SOL_AWC)、土壤蒸发补偿系数（ESCO）等。通过对比实测月均流量和模拟月均流量，根据计算结果，确定性系数R2均在0.745～0.920之间，Nash-Sutcliffe效率系数Ens均在0.686～0.874之间，即模型满足使用要求，表示SWAT模型能够较好地在宁夏段黄河流域应用。
　　(2)草地和灌木林地面积的增加可以使径流量增大，且相对于灌木林地，草地的作用更为明显，在黄河流域宁夏段，最适宜推广的覆被类型为草地。水田、水浇地、旱地面积的增加会使径流量下降，并且，当三者的面积增加时，水浇地的面积变化对径流量的影响最大，水田次之，旱地影响最小。
　　(3)降水量的增加和气温降低可以使该流域的径流增加，降水量的减少和气温的升高会使径流减少。气温降低和降水量减少对径流量的作用相反，当降水量的减少量达到24％及以上时，径流量减少，表示降水量对径流的作用效果更显著;当降水量的减少量等于16％时，气温的降低值达到1.5℃及以上时，气温的作用效果更显著;当降水量的减少量低等于8％时，气温的降低值达到1.0℃及以上时，气温的作用效果更显著。
　　通过对研究结果的分析，结合宁夏黄河流域的实际情况，本文提出了培育并大力种植耐寒耐盐碱的草和灌木、加强洪涝旱灾预警，及时调整水资源利用战略和全面进行每种土地覆被与类型与径流关系的研究三个方面的政策建议。另外，WAT模型具有强大功能，本文在研究过程中仅使用了其很小的一部分功能。同时，宁夏段黄河流域存在诸多尚未解决的问题，需要进行更深层次的研究，结合目前的研究成果，对SWAT模型在研究土壤质地对径流的影响、与WRAP模型的耦合、WEAP模型的耦合、研究未利用地等其他土地覆被类型与径流的关系4个方面是对未来研究的展望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．2 选题意义

1．3 研究思路、内容与方法

1．4 重点与难点

1．5 主要创新之处

1．6 研究区概况

第2章 SWAT模型的研究进展及评述

2．1 径流模拟

2．2 土壤侵蚀模拟

2．3 非点源污染模拟

2．4 蒸腾蒸发模拟

2．5 土地利用和覆被变化对径流的影响

2．6 气候变化对径流的影响

第3章 SWAT模型的原理与构建

3．1 SWAT模型原理

3．2 数据处理和模型构建

3．3 灵敏性分析

第4章 模型的适用性评价

4．1 确定性系数

4．2 Nash-Sutcliffe效率系数

4．3 校准期确定性系数与Nash-Sutcliffe效率系数结果与分析

4．4 验证期确定性系数结果与分析

4．5 问题与讨论

4．6 本章小结

第5章 径流对土地利用与覆被变化的响应研究

5．1 土地利用与覆被变化对生态环境的影响

5．2 土地利用与覆被情景模式设置

5．3 径流对土地利用与覆被变化的响应结果与分析

5．4 问题与讨论

5．5 本章小结

第6章 径流对气候变化的响应研究

6．1 气候变化情景模式设置

6．2 径流对不同降水和气温组合情景模式下的响应

6．3 径流对降水和气温变化的响应机制分析

6．4 问题与讨论

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 研究结论

7．2 政策建议

7．3 研究展望

参考文献

致谢

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