秦淮河流域不同尺度地表蒸散变化过程模拟

摘要

由于人口数量的剧增和人类活动的加剧，城市化不断扩张，越来越多的林地及农业用地等土地覆被类型转变为城市用地，与全球气候变化共同作用影响着地表蒸散发的改变。蒸散发是连接水循环、能量循环以及碳循环过程的重要枢纽，体现了物质、能量和信息的收支平衡。因此，综合利用遥感反演、地面实际观测和模型模拟等多种方法研究气候变化和土地利用/覆被变化对流域蒸散的影响，对深入了解和诠释亚热带湿润地区快速城市化下的水文水循环过程具有重要意义。 本文以中国南方典型快速城市化区域—秦淮河流域为研究区，分析了2000-2013年土地利用/覆被变化趋势及其变化特征;优化改进了SWAT(Soil and Water AssessmentTool)分布式水文模型稻田模块并进行参数本地化及应用，结合蒸渗仪稻田观测蒸散日数据和实测径流日数据进行了率定和验证，模拟分析了2000-2013年不同时间尺度（年际变化、季节性变化、各季年变化）、不同土地利用/覆被类型、不同空间尺度（流域尺度和Hydrological Response Unit，HRU尺度）蒸散及其他水文要素的变化特征;并进一步分离了土地利用/覆被变化和气候变化对流域总蒸散的贡献率。 主要研究结果及结论如下: (1)通过分析2000、2004和2011年土地利用/覆被变化特征，发现2000-2011年期间城市用地增加了11.3％，而稻田面积减少了7.6％，其他农业用地、林地及水域减少了2.4％、0.5％和0.6％，说明2000-2011年近10年期间，秦淮河流域土地利用/覆被变化主要表现为大范围稻田转为城市用地。 (2)对SWAT模型的稻田模块，包括稻田蓄水水体表面积、灌溉入流与出流、以及蒸散过程的算法进行了修改，优化校准后的SWAT模型模拟结果与实测径流有很好的一致性，率定期NSE为0.86，R2为0.88;验证期NSE为0.65，R2为0.71。利用稻田生长季实际蒸散观测数据进行模拟验证表明，优化后的模型R2为0.75(p＜0.01)，原始模型R2仅为0.49，表明优化与改进后的SWAT模型在秦淮河流域有更好的适用性。 (3)通过对不同时间尺度流域实际蒸散ET(Evapotranspiration)的模拟结果进行分析，结果表明:2000-2013年期间，潜在蒸散PET(Potential Evapotranspiration)及饱和水汽压差VPD(Vapor Pressure Deficit)年际变化均呈升高趋势，而实际蒸散呈降低趋势。季节性变化中，稻田生长季内实际蒸散的减少最为显著。 (4)通过对比分析不同空间尺度流域蒸散的变化，发现流域尺度和HRU尺度蒸散的影响机制不同。流域尺度，稻田蒸散占流域总蒸散比例最大，而城市用地占比最小。其中，稻田(6.8％)、其他农业用地(1％)和林地(1.2％)蒸散减少了，而城市用地蒸散增加了9.1％。表明流域尺度上土地利用/覆被变化对蒸散变化占主导作用。HRU尺度，所有土地覆被类型实际蒸散均明显增加，林地最高，变化趋势最显著，稻田次之，城市用地实际蒸散量最小，变化趋势最弱，说明HRU尺度气候变化为主要影响机制。 (5)通过分离2003-2013年间气候变化与土地利用/覆被变化对流域总蒸散的动态贡献率，发现气候变化引起流域总蒸散的升高(29％)，而土地利用/覆被变化则导致流域总蒸散的降低（-50％），二者相互作用导致流域总蒸散的降低了21％，其中，气候变化的贡献率由47％降低至39％，而土地利用/覆被变化的贡献率由-53％增加至-61％。表明蒸散不仅受气候变化，还受土地利用/覆被类型变化的影响，而后者是导致秦淮河流域总蒸散降低的主要机制。

目录

声明

摘要

第一章前言

1．1研究背景

1．2国内外研究进展

1．2．1地表蒸散及其观测研究

1．2．2城市化及土地利用／覆被变化的对水文过程的影响

1．2．3水稻蒸散过程的独特性

1．2．4分布式水文模型

1．3研究内容与方法

1．3．1研究目的

1．3．2研究内容

1．3．3研究方案与技术路线图

第二章研究区概况、数据库准备

2．1研究区概况

2．1．1气候特征

2．1．2土壤与植被

2．1．3社会经济概况

2．2数据库准备

2．2．1地形数据和河网水系

2．2．2土地利用／覆被数据

2．2．3土壤数据

2．2．4气象数据

2．2．5水库数据

2．2．6实际观测数据

第三章SWAT模型在秦淮河流域的优化改进

3．1 SWAT模型简介

3．1．1 SWAT模型发展

3．1．2 SWAT模型原理

3．2 SWAT模型本地化及应用

3．2．1子流域划分

3．2．2土地利用、土壤和坡度

3．2．3水文响应单元

3．2．4气象数据

3．2．5种植管理

3．2．6水库

3．2．7灌溉

3．3模型优化与改进

3．3．1稻田蓄水表面积算法更改

3．3．2稻田灌溉算法出／入流量限定条件添加

3．3．3稻田蒸散算法参数修正

3．4模型率定验证与不确定性分析

3．4．1校准指标

3．4．2参数敏感性分析

3．4．3径流率定及验证

3．4．4实际观测蒸散验证

3．5本章小结

第四章秦淮河流域蒸散过程模拟

4．1流域尺度蒸散

4．1．1季节性变化

4．1．2各季年变化

4．1．3年际变化

4．2不同土地利用／覆被类型的蒸散

4．2．1流域尺度

4．2．1 HRU尺度

4．3气候变化与土地利用／覆被变化对流域年均蒸散的动态贡献

4．3．1贡献率分离方法

4．3．2气候变化与土地利用／覆被变化的动态贡献

4．4本章小结

第五章结论、讨论与展望

5．1讨论

5．1．1气候变化对蒸散的影响

5．1．2土地利用／覆被变化对蒸散的影响

5．1．3不同尺度蒸散的影响机制

5．1．4气候变化与土地利用／覆被变化对流域年均蒸散的动态贡献

5．1．5模型不确定性与局限性分析

5．2结论

5．3研究特色与创新点

5．4不足与展望

参考文献

作者简介

致谢