汉江上游径流演变规律和实际蒸散发变化分析

发布时间：2020-11-11 14:11

　　 近年来由于气象因素和人为因素的共同影响,流域生态水文过程发生了不可忽视的变化,人们对气象因素和人为因素共同驱动下生态水文问题的关注持续增强。气候变化会加剧水文循环过程,人类活动会改变下垫面条件,两者都会引起流域天然水文循环发生变化。气候变化和人类活动共同作用下的径流响应研究逐渐成为水文循环研究的热点。而蒸散发作为水文循环的重要环节,是水文-气象的一个耦合过程,也是水文-生态的一个连接过程。实际蒸散发的准确计算对流域的径流预报、水资源管理和水文过程模拟都十分重要。汉江上游是我国南水北调中线工程和陕西省引汉济渭工程的水源区,研究径流量的演变规律和实际蒸散发量对调水工程稳定运行具有重要价值。本研究以汉江上游石泉水文站以上区域为研究对象,首先对研究区域的生态水文气象要素的演变规律进行分析;然后,基于SWAT模型和弹性系数法,对人类活动和气候变化对径流的影响进行了量化分析,并分析了不同气候变化和土地利用变化情景下的径流响应。最后,基于蒸散发互补理论,优选了适合研究区域的蒸散发互补模型,对实际蒸散发进行了估算,并对实际蒸散发的演变进行了归因分析。取得的主要成果如下:(1)针对降水、潜在蒸散发、径流、植被指数和土地利用等要素,采用线性回归法、累积距平法、有序聚类分析法和相关分析法,揭示了生态水文气象要素的演变规律。结果表明:研究区的年降水量、潜在蒸散发量和年径流深均呈递减趋势,汉中、洋县、两河口、石泉这四个水文站的年径流深呈现递减趋势,酉水街的年径流深呈不显著上升趋势,区域面降水量和径流量均在1990年发生突变;年平均NDVI值呈显著上升趋势,NDVI值由低级别向高级别不断转变,不同类型植被的NDVI值从低到高依次是灌丛草地常绿针叶林农用地混交林落叶阔叶林;土地利用转移主要发生在林地、耕地和草地三者之间,从1980年到2015年林地、建设用地、水域和未利用地的面积有所增加,草地和耕地面积在减少。(2)基于汉中以上区域和汉中-石泉区域的水文气象数据和下垫面数据,构建了SWAT水文模型,进行了参数率定和验证。结果表明:汉中和石泉水文站的径流敏感参数略微不同,率定期和验证期的月径流模拟效果均较好,Nash-Sutcliffe效率系数NSE、确定性系数R2和KGE系数均大于0.8,相对误差绝对值均小于14%,满足水文模型的精度要求。说明SWAT模型在石泉水文站以上区域具有良好的适用性,可以用于变化环境下的径流响应研究。(3)采用6种弹性系数公式和构建的SWAT水文模型,定量分析了研究区域气候和人类活动对汉中站和石泉站径流变化的贡献率,发现气候变化对汉中站和石泉站径流减少的贡献率分别在79.50%-80.90%和59.41%-73.50%之间,人类活动对汉中站和石泉站径流减少的贡献率分别在19.10%-20.50%和26.50%-40.59%之间。气候变化是造成径流减少的主要原因,径流对降水的敏感性远大于潜在蒸散发。(4)在设定土地利用不变的情况下,设置了 34种气候变化情景,基于SWAT模型对不同气候情景下的水文过程进行了模拟。结果表明:当气温不变时径流对降水减少的响应程度略大于对降水增加的响应程度;降水量不变时气温变化引起的径流变化幅度小于气温不变时降水量变化引起的径流变化幅度,这也说明径流对降水的敏感度高于气温,降水是影响两个水文站径流变化的主导性气候因子。不考虑气候改变的情况下,设置不同土地利用情景,基于SWAT水文模型对不同土地利用情景下的水文过程进行模拟。结果表明:自然增长情景、极端草地情景和极端耕地情景都显示汉中和石泉水文站年径流量增加,极端耕地情景使两个水文站的年均径流量增加最多,极端草地次之。极端林地情景下的年均径流量减少幅度最大。(5)基于蒸散发互补原理,结合水量平衡法率定了三种蒸散发互补关系模型的参数,分析了研究区实际蒸散发过程。验证了研究区域蒸散发互补关系,比较了 AA模型、B2015模型和H2018模型在研究区域的适用性,其中B2015模型估算实际蒸散发效果最好。结果表明:研究区多年平均实际蒸散发量总体上呈现从南到北递减的趋势,随纬度的增加而减小;各个季节的实际蒸散发量变化规律是夏季春季秋季冬季;年实际蒸散发量上升的主要原因是气温的显著升高、降水和风速的减少;春季实际蒸散发显著升高的原因是气温的显著升高、日照时数的增加和风速的显著减少;夏季日照时数的减少是实际蒸散发量减少的主要原因;秋季实际蒸散发量增加主要是由于最高气温的显著增加和降水的减少;冬季实际蒸散发量增加显著的原因是最低气温和相对湿度的显著升高。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：P333
【部分图文】：

西安理工大学硕士学位论文82研究区概况及基础数据2.1研究区概况汉江发源于陕西省宁强县，汉江上游指的是汉江流域丹江口水库以上区域，流域面积有9.52万km2，而汉江上游石泉水文站以上区域位于东经106°09′~108°52′，北纬32°45′~34°02′，流域面积约2.38万km2，约占汉江上游面积的四分之一，包括宁强、勉县、留坝、太白、南郑、汉中、城固、洋县、佛坪、西乡、镇巴、石泉、宁陕13个县（区）。本文的研究区域是汉江上游石泉水文站以上区域，研究区域如图2-1所示。图2-1研究区空间分布Fig.2-1Studyareaspatialdistributionmap2.1.1地形地貌汉江上游石泉水文站以上区域地貌类型有山地、丘陵、平原及台地，分别占流域总面积的75.24%、10.24%、7.86%及6.66%。地形特点是北高南低，石泉海拔最低，约为361m，太白海拔最高，约为3572m。2.1.2水文气象特征研究区属于亚热带季风气候，水系较多，有玉带河、红崖河、太白河、酉水河、子午河、牧马河等。多年平均降水量为886mm，降水量在每年的7-9月值最大，多年平均气温为13.5℃，平均最低气温为-8.56℃，最高气温为35.65℃，多年平均潜在蒸散发量为1087mm，多年平均径流深为414mm。

3汉江上游生态水文气象要素的演变规律分析11与y的相关系数不显著，若r0.05(n-2)≤|r|<r0.01(n-2)，表明x与y的相关系数显著，若|r|<r0.01(n-2)，表明变量x与变量y的相关关系极显著。3.2水文气象要素的时空演变规律分析3.2.1降水演变特征分析（1）空间分布特征统计了石泉水文站以上区域8个气象站1960-2017年的多年平均降水量，基于GIS软件，采用反距离权重插值法（IDW）绘制多年平均降水量空间分布图，如图3-1所示。可以看出：石泉水文站以上区域多年平均降水量在空间上的分布差异明显，总的分布格局是从西北到东南逐渐增大。多年平均降水量最小的区域位于最北部的太白山区和位于流域西部的略阳县，约为730mm，最大的区域位于最南边的镇巴县，约为1285mm。镇巴县的径洋河和宁强县的玉带河是降水的高值区。图3-11960-2017年多年平均降水量空间分布图Fig.3-1Spatialdistributionofmulti-yearaverageprecipitationfrom1960to2017（2）年际演变特征采用线性回归法对研究区域1960-2017年的年降水序列进行趋势分析，结果如图3-2所示。年降水量呈不显著下降趋势，以0.7575mm/a的速率下降。多年平均面降水量为886.74mm，年降水量在1983年值最大，约为1375.5mm，在1997年值最小，仅为585mm。累积距平法和有序聚类分析法对研究区域1960-2017年的降水序列进行突变分析的结果分别如图3-3（a）和（b）所示，两种方法均识别出降水序列在1990年发生突变。

3汉江上游生态水文气象要素的演变规律分析13图3-41960-2017年多年平均潜在蒸散发量空间分布图Fig.3-4Spatialdistributionofannualaveragepotentialevapotranspirationin1960-2017（2）年际演变特征1960-2017年的年潜在蒸散发的趋势分析结果如图3-5所示。年潜在蒸散发量以1.193mm/a的速率下降，下降趋势显著。多年平均潜在蒸散发量为1087.27mm，年潜在蒸散发量在1969年值最大，约为1229.34mm，在1989年值最小，约为965.97mm。图3-51960-2017年年潜在蒸散发量变化趋势Fig.3-5Trendofpotentialevapotranspirationin1960-2017累积距平法和有序聚类分析法对石泉水文站以上区域1960-2017年的潜在蒸散发资料进行突变分析的结果分别如图3-6（a）和（b）所示，两种方法均显示潜在蒸散发序列在y=-1.193x+3459.9R2=0.13790010001100120013001960197019801990200020102020年潜在蒸发量/mm年份
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本文编号：2879290