基于SWAT-MODFLOW的变化环境下渠井结合灌区地下水循环特征研究

发布时间：2020-04-13 14:29

【摘要】：探索变化环境下渠井结合灌区地下水循环特征,可为解决灌区现有地下水问题、地下水的合理调控及灌区地下水资源的可持续利用提供科学依据。本文选取典型渠井结合灌区—泾惠渠灌区为研究对象,对灌区水循环系统进行概化,并识别出了对其影响较大的变化环境因素。为了更真实地刻画灌区水循环过程,构建了灌区地表水-地下水耦合模型—SWAT-MODFLOW模型。在综合考虑近35年各变化环境因素的变化特征及未来气象要素变化趋势的基础上,设定了两种变化环境情景,并输入耦合模型,得到了两种情景下渠井结合灌区地下水位变化特征。主要的研究结论如下:(1)概化了泾惠渠灌区水循环系统,指出降水、气温、渠灌引水量、地下水开采量、土地覆盖类型是对水循环系统影响较大的变化环境因素;利用线性回归趋势检验法和Spearman秩次相关检验法研究了各因素在近35年的变化特征,结果表明,灌区年降水量呈不显著下降趋势,年均气温呈显著上升趋势,年渠灌引水量及年地下水开采量均呈显著下降趋势,灌区的种植结构由以粮食作物为主,转变为粮食作物与经济果业并重的新模式。(2)针对目前平原灌区SWAT模型空间离散化的难点问题,归纳、评述了目前研究中所用方法的优缺点及适用条件;综合考虑到泾惠渠灌区水系、渠系的逆汇流特性及输配水管理等特点,利用ArcGIS软件自定义了河网水系及子区,并通过Pre-defined操作导入SWAT,构建了灌区SWAT模型;运用水文相似原理,并借鉴已有成果,探究了缺乏径流实测资料情况下的模型参数率定问题,对灌区SWAT模型进行了参数率定和模型验证,结果表明,率定期与验证期月平均地下水补给率均介于15%~32%之间,且实测蒸发量及模型输出的潜在蒸散发量的决定系数R2在率定期与验证期分别是0.67及0.70,表明所建模型对于灌区地表水循环过程具有良好的模拟效果。(3)在灌区水文地质概念模型概化的基础上,基于GMS软件构建了灌区MODFLOW模型;运用ArcGIS软件及SWAT-MODFLOW耦合程序,建立了灌区SWAT模型及MODFLOW模型最小计算单元(HRUs及Cells)间进行的变量传递的4个链接文本文件,构建了灌区SWAT-MODFLOW模型,耦合模型参数率定及验证的结果表明,地下水位空间上分布特征与灌区实际流场相吻合,且7个观测井月地下水位模拟值与实测值的变化趋势基本一致,整体拟合度较好。因此,构建SWAT-MODFLOW模型在总体上能够反映泾惠渠灌区的地下水循环特征。(4)通过对灌区近30年来降水序列的频率分析,确定了丰(2009年)、平(2001年)、枯(2008年)3个典型年,并以各典型年作为基准年,设定了未来2020s时期(2011~2040年)的两种变化环境情景。情景I:将3个典型年的降水、气温数据按前人采用SDSM模型对HadCM3在A2情景下的输出数据进行统计降尺度处理得到的泾河流域未来2020s时期月降水量和月平均日最高、最低气温的变化趋势进行处理;根据泾河流域SWAT模型预测的2020s时期泾河径流量减小的幅度,将各典型年渠灌水量均减小10%,井灌水量分别增加14%(丰水年)、13%(平水年)和11%(枯水年);地下水开采量变化依据井灌水量的变化设置,即增加的井灌水量值作为地下水开采量的增加值;灌溉水利用系数设为0.65。情景II:各典型年的降水、气温数据设置与情景I相同;将各典型年渠灌水量均减小5%,井灌水量分别增加7%(丰水年)、6%(平水年)和6%(枯水年);增加的井灌水量值作为地下水开采量的增加值;灌溉水利用系数设为0.65。(5)依据设定的两种环境情景数据,运行已构建的灌区SWAT-MODFLOW模型,模拟得到了未来2020s时期各典型年的地下水位变化及水流场分布。结果表明,与3个基准典型年相比,2020s时期两种情景下的3个典型年,灌区地下水位均呈下降趋势,情景I下降的幅度较情景II大,且降幅由灌区西部到东部依次增大;丰水年各观测井地下水位降幅最小为1.25m(情景I)、0.75m(情景II),最大可达到12.93m(情景I)、6.91m(情景II);平水年各观测井地下水位降幅最小为0.75m(情景I)、0.23m(情景II),最大可达到7.8m(情景I)、3.99m(情景II);枯水年各观测井地下水位降幅最小为0.53m(情景I)、0.35m(情景II),最大可达到10.6m(情景I)、4.71m(情景II)。可见未来变化环境因素对灌区地下水循环有着明显的影响,为此提出了灌区地下水可持续开发利用的适应性对策。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S274
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本文编号：2626098