黃河流域內(nèi)蒙古區(qū)間降雨徑流模擬及水量平衡分析,水文學論文

黃河流域內(nèi)蒙古區(qū)間降雨徑流模擬及水量平衡分析,水文學論文黃河是流經(jīng)內(nèi)蒙古的最大河流，是黃河流域重要的農(nóng)業(yè)基地，由寧夏回族自治區(qū)石咀山市入境，經(jīng)拉僧廟、磴口、包頭、托克托至準格爾旗的榆林灣出境，在內(nèi)蒙古境內(nèi)河流呈幾字型。干流總長830km，區(qū)內(nèi)流域面積1．51105km2，最寬處4000m，最窄處僅200m。面積為15．1萬km2(包括黃河內(nèi)流區(qū))，約占黃河流域總面積的19．3%，拔海高度約在741m－2414m之間。內(nèi)蒙古黃河流域跨越內(nèi)蒙古西部7個盟市、39個旗縣區(qū)，西以狼山、賀蘭山與西北盆地區(qū)分界，北接烏蘭察布高原，南部沿鄂爾多斯高原南緣向西至騰格里沙漠東南緣，東部及東南部大體沿長城－神木－榆林為界。中國第三大灌區(qū)，即河套灌區(qū)直接從黃河內(nèi)蒙古干流上引水，當前灌溉面積56萬hm2，該地區(qū)降水少、蒸發(fā)大，加上灌溉引水河道滲漏損失等因素，近年來，黃河水資源供需矛盾特別尖銳。文中以黃河流域內(nèi)蒙古區(qū)間為研究區(qū)，通過應用分布式水文模型SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)構(gòu)建和模擬研究區(qū)的降雨徑流來分析其降雨、徑流及水量平衡的關(guān)系，為該流域用水問題提供參考。1流域氣候特征選取黃河流域內(nèi)蒙古區(qū)間內(nèi)23個氣象站為代表站進行降雨徑流模擬，站點分布(圖1)。統(tǒng)計該23個氣象站近32年(1981～2020年)的監(jiān)測數(shù)據(jù)得到，黃河流域內(nèi)蒙古區(qū)間年平均降水量為267mm，較全區(qū)偏少11．8mm，大致呈現(xiàn)西少東多分布，且量值差異不同較大，最小值出如今位于該流域最西部的吉蘭太(53502)站，年平均降水量僅100．5mm，最大值出如今位于流域東南部的清水河(53562)站，年平均降水量為417．3mm;且降水的時間分布不均勻，表現(xiàn)為夏季降水量占全年降水量的一半以上，冬季降水量不到年降水量的10%;降水量的年際變化大為該流域降水的又一明顯特征，例如伊克烏素(53522)降水最多的年份是最少年份降水量的7倍之多。流域年平均氣溫為7．2℃，較全區(qū)偏高2．2℃，氣溫的東西向梯度明顯大于南北向梯度，大致呈西高東低分布，最低值出如今流域東北部的卓資(53472)站，為3．4℃，最高值出如今流域西部的烏海(53502)站，為10．1℃;且流域內(nèi)年平均最高氣溫與年平均最低氣溫之間的溫差較為懸殊，大約為13℃。流域年平均相對濕度為50%，而全區(qū)為44%，較全區(qū)略高，呈現(xiàn)西低東高分布，最小相對濕度出如今吉蘭太站，為39．3%，最大相對濕度出如今卓資站，為58．5%。黃河流域內(nèi)蒙古區(qū)間由于光照充足，太陽輻射較強，使得流域內(nèi)蒸發(fā)量較大，與降水量分布趨勢相反，降水大的地區(qū)蒸發(fā)量小，降水小的地區(qū)蒸發(fā)量大，因而流域上游的蒸發(fā)量要大于下游，且上游的蒸發(fā)量遠遠大于降水量，流域最西部的吉蘭太(53502)站年平均蒸發(fā)量到達年平均降水量28倍之多。時間分布的不均勻性也是該流域蒸發(fā)的重要特征，冬季(11～2月)嚴寒、氣溫低，蒸發(fā)小，4個月蒸發(fā)量僅占年蒸發(fā)量的5～10%，春秋兩季(3～5月、9～10月)風大，氣候枯燥、蒸發(fā)較大，5個月蒸發(fā)量占年蒸發(fā)量的50%左右;夏季(6～8月)氣溫高、蒸發(fā)量大，3個月蒸發(fā)量占年蒸發(fā)量的40%～50%，全區(qū)最大月蒸發(fā)值出如今5、6月份，這是由于內(nèi)蒙古春夏之交風大、氣溫高、枯燥等多種因素造成。黃河流域內(nèi)蒙古區(qū)間多年(1956～2000年)平均徑流量為2．11109m3，徑流深14．0mm，而全區(qū)多年平均徑流量4．071010m3，徑流深35．1mm，較全區(qū)偏少。2數(shù)據(jù)來源及降雨徑流模型構(gòu)建2．1數(shù)據(jù)來源收集了構(gòu)建SWAT降雨徑流模型所需的黃河流域內(nèi)蒙古區(qū)間地形、土壤、土地利用、氣象、水文等基本數(shù)據(jù)。華而不實，數(shù)字高程模型為1:5000基礎地理數(shù)據(jù)，土壤數(shù)據(jù)為全國第二次土壤普查1:100000土壤數(shù)據(jù)集，土地利用數(shù)據(jù)來自2000年基于LandsatMSS、TM和ETM遙感圖像建立的中國1:10000土地利用影像和矢量數(shù)據(jù)庫。所用的氣象數(shù)據(jù)為黃河流域內(nèi)蒙古區(qū)間內(nèi)23個代表氣象站近30年的日降水量、水汽壓、氣溫、風速、相對濕度、太陽輻射、最大半小時降水等實測氣象數(shù)據(jù)，選取黃河上游石嘴山、中游萬家寨水文站為研究區(qū)的入、出站，并收集了2001～2018年石嘴山、萬家寨水文站的實測日徑流資料以及黃河流域內(nèi)蒙古區(qū)間的月耗水量和水資源使用情況。利用收集到的1:100000土壤數(shù)據(jù)集，建立了模型計算所需的土壤物理屬性表，主要包括土壤分層數(shù)、各層厚度、土壤顆粒組成、土壤水文分組、飽和水力傳導系數(shù)等，其決定著土壤剖面中水和氣的運動狀況，并對各個水文響應單元中的水循環(huán)起著重要作用，土地利用類型分類根據(jù)中國2000年1:10萬土地利用數(shù)據(jù)、一個分層的土地覆蓋分類系統(tǒng)和6個一級類(耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和未利用土地)，根據(jù)對照表1進行分類，將研究區(qū)內(nèi)土地利用類型分為混合林地、草場、水域、居民用地、低密度居民用地、工業(yè)用地、裸地、混和濕地、耕地等九種。2．2降雨徑流模型構(gòu)建SWAT(soilandwaterassessmenttool)模型是20世紀90年代美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心(USDA－ARS)開發(fā)的流域尺度、時間連續(xù)、基于經(jīng)過的半分布式機理模型。在模擬非點源污染、水文對環(huán)境變化的響應以及洪水短期預報等方面得到了國際上大量的應用。其模擬的流域水文經(jīng)過分為水循環(huán)的陸面部分(即產(chǎn)流和坡面匯流部分)和水循環(huán)的水面部分(即河道匯流部分)。前者控制著每個子流域內(nèi)主河道的水、沙、營養(yǎng)物質(zhì)和化學物質(zhì)等的輸入量，后者決定水、沙等物質(zhì)從河網(wǎng)向流域出口的輸移運動。它能夠在水文響應單元的空間尺度上模擬地表徑流、入滲、側(cè)流、地下水流、回流、融雪徑流、土壤溫度、土壤濕度、蒸散發(fā)等多種經(jīng)過以及各種農(nóng)業(yè)管理措施(耕作、灌溉、施肥、收割、用水調(diào)度等)對這些經(jīng)過的影響。整個水分循環(huán)系統(tǒng)遵循水量平衡規(guī)律。文中基于ArcSWAT2．1．5(ArcSWAT擴展模塊是SWAT模型在Arc-GIS平臺上的圖形用戶界面)版本建立了該流域區(qū)的降雨徑流模擬系統(tǒng)。利用前面所述的收集、整理建模數(shù)據(jù)，根據(jù)ArcSWAT2．1．5統(tǒng)一的標準接口將土地利用類型、土壤類型及屬性、氣象觀測站氣候特征和水文控制站入、出水流量等數(shù)據(jù)集加工、處理，并導入于SWAT模型數(shù)據(jù)庫中。定義流域入水口為石嘴山水文站，出水口為萬家寨水文站，通過運行形式流域界定模塊，設定集水域的閾值，實現(xiàn)集水區(qū)、河網(wǎng)的人機交互劃分，生成該區(qū)域的127個子流域(圖1)。通過設定土地利用、土壤、坡度在子流域內(nèi)所占面積百分比的閾值，采用優(yōu)勢地面覆被/優(yōu)勢土壤類型方式方法，將該流域劃分為694個水文響應單元(HRU)。再根據(jù)模型的接口，建立并加載該區(qū)域的氣候特征因子、代表站的水文、氣象要素等數(shù)據(jù)庫表，并提取模型所需信息和參數(shù)，進而建立該流域的徑流模型。3結(jié)果與分析3．1模擬及率定以2001～2007年作為模型校準期，2008～2018年作為模型驗證期，進行了系統(tǒng)的年尺度敏感性分析和參數(shù)率定，率定前R2=0．93255，率定后R2=0．964202?；?001～2018年石嘴山和萬家寨水文站的年/月/日流量數(shù)據(jù)和黃河流域內(nèi)蒙古區(qū)間的年/月耗水量數(shù)據(jù)，對2001～2018年逐年徑流量進行了模擬，模擬值與實況的比照(圖2)。從圖上能夠看出，在整個模擬期，流量大致呈增長趨勢，2005～2006年模擬值較實況偏低，2000～2001年、2018～2018年與實況吻合的較好，其余年份模擬值均較實況偏高。在年尺度敏感性分析基礎上，進行了系統(tǒng)的月尺度敏感性分析和參數(shù)率定，參數(shù)校準值(表2)。圖3為2001～2018年逐月徑流模擬值與實況比擬，校準前R2=0．591025，校準后R2=0．623639。從圖上能夠看出，12～2月模擬值較實況偏大，與黃河內(nèi)蒙古段封河期相對應，而3月份前后實況值忽然增大，模擬值較實況值偏小，與黃河內(nèi)蒙古段開河期對應，講明該模型在模擬流域封凍、凌汛方面，存在一定的缺乏，有待于進一步深切進入研究;除此之外，3月份前后模擬值小于實況值的另一原因可能是近年來氣候開場逐步轉(zhuǎn)暖，冬季溫度較高，造成河流結(jié)冰層融化，進而導致了實況徑流值大于模擬徑流值，在9～10月模擬值較實況偏高，造成此現(xiàn)象的主要原因除了模型的系統(tǒng)誤差之外，主要是由于模擬經(jīng)過中沒有能完全考慮流域內(nèi)的農(nóng)用灌溉、池塘蓄水等人為因素，所以導致了模擬值要大于實況。3．2水量平衡分析從年代變化和豐枯段統(tǒng)計分析看，黃河流域上游年降雨徑流關(guān)系存在不同步性，中游則存在同步性，而且降水量、徑流量及徑流系數(shù)距平值(指與1950～1999年均值相比)有很大的差異。流域的水循環(huán)經(jīng)過對水量水質(zhì)狀況產(chǎn)生重要影響，對于生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展有著重要作用。而區(qū)域水量平衡各分量十分是支出項的觀測比擬困難，探求區(qū)域內(nèi)各水量的分配，需借助模型模擬的研究手段。對SWAT模型所劃分出來的127個子流域均存在如下水量平衡關(guān)系:S=P+melt－ET－PET－SW－perc－Gwq－WYLD－Lat式中:S為流域的水量變化;P為降水量;melt為融雪量;ET為實際蒸發(fā)量;PET為潛在蒸發(fā)量;SW為土壤含水量;perc為入滲量;WYLD為地表徑流量;Lat為側(cè)向流量。根據(jù)2001～2018年模型模擬結(jié)果，對流域進行了水量平衡分析(圖4)。通過分析得出:(1)除去基流外，黃河流域內(nèi)蒙古區(qū)間的主要來水項有降水、融雪、灌溉，去水項主要包括耗水量、蒸騰蒸發(fā)、下滲量、地表徑流、側(cè)向流等，由于在黃河流域周邊存在大量農(nóng)田以及工礦企業(yè)等，所以耗水量是主要去水項，在徑流量的模擬計算中，將耗水量與實際流量之和作為出水口流量，所以在水量平衡分析中，對耗水量不加以討論。(2)蒸發(fā)項(潛在蒸發(fā)+實際蒸發(fā))是另一主要去水項，年平均蒸發(fā)量是年平均降水量的14倍之多，去水項的值要遠遠大于來水項，所以黃河流域內(nèi)蒙古區(qū)間大量的蒸發(fā)主要是靠基流、灌溉以及池塘、湖泊、濕地等的蒸發(fā)來補給。(3)土壤含水量、入滲量、側(cè)向流量、地表徑流量等去水項之和占總?cè)ニ椀?．33%，該流域地處內(nèi)蒙古高原，水資源短缺，降水少并且蒸散發(fā)量較大，降水難以構(gòu)成除蒸發(fā)以外的其余去水項。4討論文中通過構(gòu)建區(qū)域降雨徑流模型來分析該區(qū)域的降雨、徑流變化及水量平衡，根據(jù)2001～2018年模型的模擬結(jié)果分析，構(gòu)建的模型在系統(tǒng)性的率定后，年尺度徑流模擬與實況有較好的吻合，月尺度徑流模擬與實況的R2固然僅為0．623639，但是模擬值與實況的偏差具有明顯的規(guī)律性，與黃河封凍和凌汛密不可分，有待于進一步深切進入研究，除此之外，3月份前后模擬值小于實況值的另一原因可能是近年來氣候開場逐步轉(zhuǎn)暖，冬季溫度較高，造成河流結(jié)冰層融化，進而導致了實況徑流值大于模擬徑流值，在9～10月模擬值較實況偏高，造成此現(xiàn)象的主要原因除了模型的系統(tǒng)誤差之外，主要是由于模擬經(jīng)過中沒有能完全考慮流域內(nèi)的農(nóng)用灌溉、池塘蓄水等人為因素，所以導致了模擬值要大于實況，但在整個模擬經(jīng)過中模擬值整體上要大于實況值;從水量平衡分析的結(jié)果上看，蒸發(fā)是該流域主要去水項，且遠遠大于來水項，基本符合當?shù)馗珊禋夂蛳聫搅鞯奶卣鳌嶋H上，影響該區(qū)域徑流量的因素較復雜，尤其是人類活動，如水利工程、水庫的蓄水放水、冰雪融化、上游的徑流量等，不同因素對該區(qū)域徑流的影響程度及獲取相關(guān)信息進行進一步的研究、模擬乃是值得我們?nèi)ヌ骄康摹?結(jié)論(1)黃河流域內(nèi)蒙古區(qū)間農(nóng)用灌溉、池塘蓄水等人為因素對