变化环境下锡林河流域地表水与地下水耦合模拟

发布时间：2020-10-20 05:54

　　 近年来,由于气候变化导致的水热失衡及人类活动对自然下垫面的改造日益加剧,不仅使自然界水资源的分布格局发生了巨大的改变,还使得气象灾害事件频繁发生,在这样的背景下,河川径流大幅减小、地下水过量开采利用等一系列水资源问题也随之愈发凸出,而在我国水资源本就匮乏的干旱半干旱地区,所面临的水资源问题往往也更为严峻。作为我国畜牧业生产基地的内蒙古大草原,随着这一系列问题所引发的区域水文循环过程的改变,也出现了诸如河流断疏、洪水肆虐、草地退化等水文生态环境问题,这些问题加剧了人与自然界和谐共处的矛盾,严重制约着地区社会经济的发展。为解决好环境变化引起的水资源问题,需要从流域水资源分布格局及其变化特征等方面入手,进而探讨流域水文过程变化的驱动机制。本文以干旱半干旱地区典型草原型流域-锡林河流域为研究对象,利用研究区长序列水文气象观测资料及水文地质实测资料等,运用国际上常用的水文气象要素分析方法,就流域极端降水事件、不同尺度降水的时空变化以及径流变化原因等进行了详细描述,并建立了流域SWAT模型,对地表径流进行了模拟。在此基础上,结合Visual MODFLOW模型建立了锡林河流域地表水-地下水的耦合模型,将流域地表水与地下水作为一个整体进行讨论,以期为研究区水资源的高效利用提供理论支撑。论文主要取得以下研究成果:(1)以锡林河流域所在的内蒙古高原内陆河东部流域1961-2015年0.5°×0.5°降水格点数据为基础,采用MM-K法、主成分分析和相关分析等气候诊断法,对6个极端降水指数的时空变化特征进行分析,并研究了极端降水事件对ENSO事件的响应。结果表明:该降水格点数据集可以用于刻画研究区的降水分布规律;近55a来研究区极端降水指数的年际变化趋势总体以下降为主,其中连续无雨日数(CDD)下降的区域占整个流域的91%,除CDD外其余指数均呈“东高西低”的空间分布格局,降水强度(SDII)均值介于3.8-5.3mm/d之间,空间差异较小;强降水量(R95P)和CDD分别对强降水事件和持续干旱事件具有指示作用;大雨日数(RR10)、SDII和R95P对ENSO事件更为敏感,当发生中等强度的厄尔尼诺事件时,流域持续干旱情况加剧,出现拉尼娜现象时,流域易发生洪涝灾害。(2)近56a来,锡林河流域降水量总体呈下降的趋势,并于1974、1980、1989和1998年发生过4次突变,存在着28a的主周期变化。夏季降水特征和年降水特征基本一致,秋季降水波动较大,冬季降水量呈显著上升的趋势。汛期8月份降水量呈显著下降的趋势,并在1998年左右发生突变,降水第一主周期在12a处。非汛期11和12月份降水量都呈显著上升的趋势,其中,12月份降水在2000年左右发生显著性突变,这两个月份降水的第一主周期分别是30a和9a。不同时间尺度下降水序列的Hurst指数均0.5,说明流域降水趋势具有持续性,未来的降水趋势将与过去保持一致。(3)锡林河流域径流大幅波动直接反映出草原生态受到了严重破坏,分析径流变化的主要驱动因子对分析流域水循环变化过程及草原生态修复具有重要意义。基于锡林浩特水文站1970-2014年径流数据及气象数据采用弹性系数法定量分析了气候变化及人类活动对径流变化的贡献率,结果表明:近45年来锡林河流域径流量变化呈显著下降趋势(α=0.05),并于1979、1986和1998三年发生过突变。以突变点为分界点将整个时间序列分为三个研究期,并对各研究期内径流的变化进行了定量分析。其中,研究期Ⅰ(1980-1986年)内人类活动对径流变化的贡献率相对较小,为46.57%;研究期Ⅱ(1987-1998年)内流域的年均径流量增大,该阶段人类活动对径流变化的贡献率高达91.46%,而气候变化仅为8.54%;在研究期Ⅲ(1999-2014年),径流量相比基准期下降了45.79%,人类活动对这一变化的贡献率为66.16%,虽然比上一阶段有所下降,但还是占主导作用。(4)文章基于流域数字高程、土壤、植被及水文气象等数据建立了由锡林浩特水文站控制的锡林河流域上游的SWAT模型并对流域年径流量进行了模拟。模型将流域划分为7个子流域,214个水文响应单元。在模型识别期应用SWAT-CUP软件对所建模型进行参数率定,并选择决定系数(R~2)和纳什效率系数(E_(NS))对模型在该流域的适用性进行了评估。在率定期,模型的R~2和E_(NS)值分别为0.87和0.79,在验证期,模型的R~2和ENS值分别为0.78和0.68,虽然模拟精度并不算很高,但都达到了SWAT模型的精度要求。(5)在已校准好的流域SWAT模型基础上,借助Arcgis软件,为SWAT中的HRU赋予空间属性,使之与MODFLOW中计算单元CELL相对应。将SWAT模型输出的地下水补给量和潜水蒸发量输入Visual MODFLOW中补给模块和蒸发模块,从而建立锡林河流域上游非均质-各向同性-二维非稳定流的地下水概念模型,并将此耦合模型应用于研究区的地下水水位模拟计算。通过拟合识别期的地下水模拟流场与实测流场,最终确定了符合研究区水文地质条件的参数。与此同时,通过验证期内各观测井的水位拟合效果进一步证明所建耦合模型可以较好地反映流域内潜水含水层地下水的运动变化特征。
【学位单位】：内蒙古农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P333;P641
【部分图文】：

内蒙古农业大学博士学位论文 究区概况自然地理状况 地理位置林河流域位于内蒙古高原中部，流域面积 10786km2，流域发源于赤峰市克宝尔图山，超过 90%的面积位于锡林郭勒盟境内的锡林浩特市，研究区煤备丰富，承担着多项国家级重大能源转化战略实施的重任，同时，流域内其匮乏、生态环境十分脆弱。地理坐标：43°24'~44°39' N，115°25'~117°1

变化环境下锡林河流域地表水与地下水耦合模拟水事件分析进一步分析气候变化对流域水资源的影响，本章以锡林河流域所在内河东部区（图 3）为研究对象，把极端降水事件作为切入点，以 196.5°降水格点数据为基础，采用 MM-K 法、主成分分析和相关分析等气大尺度范围内对表征 6 类极端降水事件的极端降水指数的时空变化特并研究了极端降水事件对 ENSO 事件的响应，以期为流域水资源管草原生态保护提供参考。

.2.3 其他数据统计法本文使用 5 年滑动平均法来识别各极端指数在时间尺度的年际变化特征；在对极端指数进行主成分分析和多变量相关分析后，再讨论其对 ENSO 事件的响应。.3 结果及分析.3.1 降水变化背景通过 IDW 插值出的降水格点数据与对应气象站实测数据进行比较，由图 4A 可：只有二连浩特站年均降水量偏差为 17.33%，其余各站点偏差绝对值都小于 15%中降水量偏差绝对值小于 10%的占总站点数的 73.33%。此外，实测数据与格点数具有很好的线性关系（R=0.98），且 b=-8.05mm，k=1.08，非常接近于 1，并通过 0.0001 水平的显著性检验（图 4B），由此可见，格点数据可以反映研究区降水分的时空格局。
【参考文献】

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本文编号：2848311