论文部分内容阅读
在水资源评价中，通常将河川径流量作为地表水资源。受气候变化与频繁人类活动的影响，流域径流过程形成的物理条件发生了较大变化。在我国西北内陆地区，出山径流量基本上决定了中下游的水资源量，而出山径流又主要由山区的气温和降水决定。因此结合流域地表特征、长时间序列的器测数据，准确描述流域气温降水的时空变化特征，归纳其分布规律，然后利用分布式水文模型对径流过程进行刻画，并充分考虑流域的自然特征，采用适宜的模型校准方法，对流域的径流形成过程和水资源评价的研究极为有利。
本文利用黑河干流山区及周边的六个气象观测台站的气温降水资料、三个水文台站的径流资料，采用求和、求平均等数理统计方法和距平分析方法，分析了年平均气温和季节平均气温的年际变化、年内气温的季节和月份差异;年降水量和季节总降水量的年际变化、年内降水量的季节和月份分配;三个水文台站的径流年际变化情况、年内分配以及径流与降水和气温的关联。通过构建气象数据库、植被数据库和土壤数据库，将SWAT模型用于黑河干流山区径流过程模拟，进行子流域划分、河网提取、高程带划分和水文响应单元(HRU)生成，对适宜性模型校准方法进行探索，并利用模拟结果对流域水量平衡各组份进行分析比较。主要结论如下:
(1)六个气象测站近50年气温整体呈增温趋势，先后大致经历了三个阶段:20世纪50年代末至80年代中期，为气温偏低阶段;80年代中期到90年代中期或末期，与多年平均气温基本持平;90年代末以后，为气温偏高阶段，气温增加明显。在季节上，各个台站多年的季节平均温中，夏季最高，春季次之，秋季略低于春季，冬季最低，并且四个季节的平均温都成增加趋势，冬季的趋势相对更为明显。在月尺度上，所有台站7月气温最高，1月最低，台站平均温大于0℃的月份个数不同。通过各月与年均温的比较，各个台站4～10月的气温高于年均温，11月至次年3月的气温低于年均温。空间上，多年平均温与台站海拔呈显著相关，气温直减率为0.5℃/100m。
(2)六个气象测站近50年降水整体呈增加趋势，先后大致经历了三个阶段:20世纪50年代末至80年代前后，为少雨期;80年代到90年代，为稳定期;90年代末以后，为多雨期。在季节上，夏季最多，占全年的50％以上，夏季的降水变化对年降水量变化影响很大，秋季和春季次之，冬季最低。各站全年和季节总降水量的年际变化不尽相同。在月尺度上，除张掖站外，其它台站7月份降水量最多，均超过全年的20％;另外降水主要集中在5～9月份，占全年的80％以上，为流域的雨季。黑河干流山区降水主要受海拔高度和纬度的影响，干流山区降水垂直梯度介于109～159mm/1000m，并且东支大于西支。
(3)从1968～2009年，三个水文站点的总径流变化经历了三个阶段:1968年至80年代初为径流偏低期;80年代初至20世纪末为径流平稳期;进入21世纪为径流偏高期，三个阶段与降水的变化趋势基本对应。总径流量高值年份基本一致，低值年份存在差异。径流年内分配的集中程度比降水低;基流对干季的径流贡献极大。另外由于流域内分布了永久性冰川积雪和季节性冻土，所以气温对径流的影响较大。
(4)基于SWAT模型对黑河干流山区径流进行模拟，首先得到影响流域径流过程的参数敏感性排序为:气温直减率Tlaps最敏感，基流a因子Alpha_Bf次之，其次为土壤深度Sol_Z、土壤蒸发补偿因子Esco、SCS径流曲线数Cn2、河道有效渗透系数Ch_K2、土壤有效含水量Sol_Awc等。所以准确描述流域气温的空间变化、土壤和植被的相关参数对模拟极为必要。另外驱动数据的空间离散明显影响径流模拟。
(5)在模型校准过程中，利用流域已有的研究成果和文中得到的相关结论，充分考虑流域的自然特征，采用多时间尺度、多变量和多站点的校准方法，模拟效果较好:NSE效率系数最低为祁连站校准期的0.77，其他均大于0.8，莺落峡站校准期和验证期均在0.9以上，分别为0.96和0.9;决定性系数r2最低为0.84，最高达0.97;相对误差RE除了扎马什克站和祁连站验证期较大外，其他阶段相对误差的绝对值均低于1％。另外，考虑气象台站对流域的表征能力，将位于区域外而在模型中控制范围较大托勒站和肃南站去除，应用相同的方法和参数，模拟流域径流过程，模拟结果变化不大，各项参数也变化较小，从而表明在模拟流域水文过程时，气象台站的选择需慎重考虑。
(6)最后，利用模型的输出结果，对流域的水量平衡作了分析，1995～2009年，黑河干流山区降水量达到516.49mm，径流量为169.36mm，其中地表径流贡献量为60.16mm，侧向径流贡献量为88.2mm，地下水贡献量为21.71mm，实际蒸散发为338.92mm，而土壤水含量为95.25mm，其中一部分形成侧向径流;下渗水量为22.24mm，一部分形成地下径流补给河道。去除托勒站和肃南站后，各项分量存在变化，降水略微减小，蒸发减少，地表径流增大，总径流量稍有增大。