论文部分内容阅读
黄土高原沟壑区是我国重要的粮食生产基地及雨养农业区,但受温带大陆性季风气候的影响,该区域内降雨量相对偏少且时空分布极不均匀,导致水资源短缺已成为该区环境与发展的最大制约因子。绿水作为支撑陆地生态系统和雨养农业生产的主要水源,无疑对当地的农业生产起着至关重要的作用。因此,深入理解黄土高原沟壑区绿水水文过程,合理利用水资源,对流域的粮食生产和生态恢复都有重要作用。本研究以黄土高原沟壑区典型小流域——南小河沟流域为研究对象,分析流域降水和气温的趋势、突变和周期性特征,并采用统计降尺度方法对研究区两种气候情景下未来三个时期的气候变化进行预测。建立南小河沟流域的SWAT模型,采用SWAT-CUP模型进行参数敏感性分析和率定,通过模型的评价指标和流域绿水模拟结果与其他方法计算结果对比,综合评价模型的适用性。在此基础上,运用率定的SWAT模型对未来气候变化情景下的蓝绿水资源进行评估,并预估未来绿水变化趋势,以期为黄土高原沟壑区生态环境恢复、水资源规划管理等提供合理有效的理论依据。论文的主要研究结论如下:(1)对南小河沟流域1955～2018年的年降水、气温值进行趋势、突变和周期统计分析可知,流域降水量整体呈下降趋势,其减少趋势不显著且在研究时段内未发生显著突变,计算统计期间流域降水量存在3～8a、9～15a和18～25a三个阶段的周期变化。流域统计期内的气温呈上升趋势,在1996年发生了突变,1997年开始气温呈现显著的上升趋势,气温震荡周期较为明显,周期变化主要分为4～8a、12～15a、20～23a、25～30a等阶段,年均气温在研究区内周期性变换规律较弱。未来降水量最大的时期是2030s,降水量较基准期均有所增加,未来气温是一直逐渐升高,在未来3个阶段内气温最高出现在2040s,RCP8.5情境下的气温均高于RCP4.5。(2)水量平衡法求得流域1955～2018年平均绿水量为508mm,绿水资源量占降水资源总量的95%。利用微气象学法求得1955～2018年平均潜在蒸散发量为920.4mm;利用Zhang模型计算出的南小河沟流域年平均绿水资源量为440.5mm,占流域降水资源总量的82.6%,绿水量的变化与降水量变化规律一致。微气象学法的计算结果更接近流域实际情况。(3)研究中采用西峰站、杨家沟、董庄沟和十八亩台四个站点1955-2018年的降水和气温数据,径流资料来自于流域控制断面十八亩台。本文所用的建立空间数据库的DEM数据、土地利用数据和土壤数据均来自于相应的国家网站。模型将流域划分为25个子流域,217个水文响应单元。(4)利用SWAT-CUP模型进行参数敏感性分析时选取了与南小河沟流域相关的21个参数,分析结果表明敏感性前三名的因子分别为SCS径流曲线系数f(CN2)、基流α因子(ALPHA_BF)和土壤蒸发补偿系数(ESCO),敏感值分别为42.32、36.42和26.32,敏感程度为非常敏感。SWAT-CUP的径流模拟值和观测值变化趋势相同且数值相近,除个别月份极端降雨造成的观测值远大于模拟值之外,其余月份观测值和模拟值均处于95PPU范围之内,模拟值在多数结果中大于观测值。(5)主要选取3个SWAT-CUP模型评价指标,分别是效率系数Ens、决定系数R2和误差百分比Re。结果显示,率定期Ens、R2和Re分别为0.73、0.69和9.86%,验证期Ens、R2和Re分别为0.76、0.72和10.11%,参数率定结果可信。运用率定完成的SWAT模型模拟南小河沟流域1955～2018年降水量与绿水量。经统计分析可知,SWAT模型模拟的流域多年平均绿水资源量为431.5mm,占流域降水资源量的81.0%。SWAT模型的模拟结果与微气象学法计算结果接近。(6)对流域未来气候情景下的蓝水资源分析可知,在RCP4.5情景下未来3个时期的增量分别为-9.90%、-14.77%、4.36%。在RCP8.5情景下未来3个时期的蓝水资源增量分别为5.66%、4.68%、-19.40%。流域未来蓝水资源量呈减少的趋势。(7)对流域未来气候情景下的绿水资源分析可知,在RCP4.5和RCP8.5情景下,与基准期相比,流域绿水资源量在未来3个时期均增加,但在2020s时期绿水增加量为未来3个时期最大值,2040s时期为3个时期增加量最少。流域绿水流在未来3个时期均增加,但在2040s时期绿水流增加量为未来3个时期最大值,2040s时期为3个时期增加量最少。南小河沟未来3个时期的绿水存储均减少,未来3个时期中绿水存储量最低的是2030s时期,最高的是2040s时期。