基于SWAT模型的玛纳斯河流域平原区水循环模拟研究

摘要

玛纳斯河流域平原区是新疆重要的粮棉生产基地，也是国内特大型灌区之一，随着该地区大力发展农业，灌溉面积逐年增加，不仅消耗了大量的山区引水，对地下水的使用量也大大增加，就使得该地区水资源出现失衡，并引发了各种生态环境问题，可以说水问题成为制约该地区可持续发展的一个关键因子。解决当地水问题的一个重要前提就是摸清变化条件下的水循环机理，分布式水文模型是一种有效的研究工具。基于自然流域开发的分布式水文模型SWAT2000经过改进后应用于平原灌区，能够满足灌区水循环模拟的要求。
　　本文依托中国科学院知识创新工程重要方向项目“新疆玛纳斯绿洲水盐迁移转化规律与演变趋势预测研究(KZXC2-YW-BR-12)”，针对玛纳斯河流域平原区大面积使用膜下滴灌技术，从而极大的改变了流域内农田水分循环关系的实际，以该灌区为研究区域，通过构建分布式水文模型(SWAT2000)，并对模型进行改进，结合野外调查和田间作物实测试验，来定量模拟变化条件下的平原区（灌区）的水循环要素关系，探讨不同人类干扰情况下内陆河流域平原区水循环的转换机理及时空分布特征。研究结果对该地区水资源优化配置与合理开发利用，具有重要的科学意义和参考价值。取得的主要成果如下：
　　(1)利用流域土地利用图、土壤类型图、流域界线图、渠系分布图，进行研究区范围界定、子流域的划分、水文响应单元(HRU)生成；利用ACCESS自带的VBA语言编程实现SWAT2000模型输入文件系统的生成；完全基于人工方法构建了平原区分布式SWAT2000模型，以便于根据研究目的对模型进行功能模块的增加或修改。
　　(2)根据研究区棉花膜下滴灌面积较大的现状，利用棉花生育期不同地膜覆盖度的实测蒸散量数据，提出了实际蒸散量修正因子来体现灌区尺度棉花膜下滴灌模拟功能。修正了模型土壤水平衡方程的潜水蒸发项、叶面积指数第二阶段模拟方程，结果表明修正后的模型更符合研究区的水循环实际。
　　(3)对修正后的模型进行参数敏感性分析，得到该地区径流、蒸发等参数敏感性等级及排序。于2009、2010年在石河子大学试验场地进行了为期两年的棉花滴灌试验，利用田间小区实测LAI、Biomass、土体水分储量数据进行模型校验，确定性系数R2达到0.7以上，纳西效率系数也达到0.8以上，模拟精度符合要求。
　　(4)利用校准后的模型模拟分析了灌区45年的水循环要素特征，结果发现，45年灌区降水量呈上升趋势，2000年以后上升趋势最明显，多年平均降水量仅有132.27mm。对灌区四个气象站的潜在蒸散量进行了三种计算方法的适用性比较，并进行了各个气象因子对P-M公式计算结果的偏回归影响分析，发现当地风速对ET0的影响较大，其次为日照时数，气温对ET0的影响表现不明显，而相对湿度对ET0几乎没有影响。
　　(5)对比分析了不同灌溉方式条件下灌区水循环要素的定量变化结果，大水漫灌条件下地表径流量多年平均值为3.61mm，总径流平均值为8.73mm，实际蒸散量多年平均值为628.3mm；膜下滴灌条件下地表径流量和总径流多年平均值分别为1.7mm和6.84mm，膜下滴灌技术的应用大大减少了实际蒸散量，生育期多年平均实际蒸散量为503.2mm，减小比例约为9％左右，整个流域棉花HRU实际蒸散量减小0.745p108m3。灌区渗漏量在作物播种前淋洗盐分时发生，生育期无渗漏。
　　(6)对比分析了相同灌溉方式条件下，各子流域棉花种植比例下降而其他作物种植比例增加情况下，灌溉水量和实际蒸散量的变化情况，2005年作物种植比例条件下，灌溉水量在漫灌和滴灌条件下分别比2000年减小0.0598p108m3和0.14p108m3，实际蒸散量在漫灌条件下比2000年减小1.845 p108m3。

目录

第一章 绪 论

1.1研究背景与意义

1.2 SWAT模型的选择依据

1.3 SWAT模型国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容、方法与技术路线

第二章 研究区概况

2.1研究区域范围

2.2研究区域的自然条件

2.3玛纳斯河流域的农业

2.4玛纳斯河流域水利工程

2.5玛纳斯河流域的生态环境问题

第三章 SWAT模型的原理、结构及改进

3.1模型原理

3.2模型结构

3.3模型功能模块改进

3.4本章小结

第四章 玛纳斯河流域平原区SWAT模型构建

4.1数据来源及处理

4.2模型构建及参数估计

4.3本章小结

第五章 参数敏感性分析及模型校验

5.1敏感性分析

5.2模型性能评价方法

5.3模型校准和验证

5.4 本章小结

第六章 不同灌溉方式条件下平原区水循环时空分布特征

6.1降雨特征分析

6.2灌溉

6.3潜在蒸散发

6.4实际蒸散发

6.5径流分析

6.6潜水蒸发和渗漏量分析

6.7本章小结

第七章不同作物种植结构对灌区水平衡要素的影响结果分析

7.1不同作物种植结构对灌溉水量影响

7.2不同作物种植结构对实际蒸散量的影响

第八章 结论、问题与展望

8.1主要结论

8.2创新点

8.3问题与展望

参考文献

致谢

博士期间发表的论文和获得的科研成果