發(fā)布時(shí)間：2017-10-13 08:10

  本文關(guān)鍵詞：變化環(huán)境下大沽河流域地表水—地下水聯(lián)合模擬與預(yù)測(cè)

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【摘要】：近百年來(lái)，氣候變化對(duì)水資源的影響將成為主導(dǎo)。由于氣候變化所引起水資源量的時(shí)空分布和水質(zhì)變化等問題已成為各國(guó)科學(xué)家和政府關(guān)注的熱點(diǎn)，是否擁有充足可用的水資源將給人們提出巨大挑戰(zhàn)。 本研究中的變化環(huán)境主要體現(xiàn)在氣候變化和人類活動(dòng)兩個(gè)主要因子。在氣候和局地環(huán)境的變化下，大沽河流域水資源問題日趨嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為水資源的需求量急劇增加、地下水位下降、海水入侵、土壤不同程度的鹽漬化、水質(zhì)污染、水量減少、干旱斷流、沿河生態(tài)惡化等。流域作為人類活動(dòng)最密切的自然水循環(huán)基本單元，如何實(shí)現(xiàn)流域水資源合理開發(fā)和高效利用、水環(huán)境如何得到更好的治理保護(hù)及水資源得到合理配置成為亟待解決的主要問題。 地表水和地下水的運(yùn)動(dòng)過程與模擬研究一直備受國(guó)內(nèi)外水文學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)專家學(xué)者的高度關(guān)注。長(zhǎng)期以來(lái)各國(guó)學(xué)者專注于將兩者劃分為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的領(lǐng)域進(jìn)行研究，而對(duì)于地表水和地下水聯(lián)合研究存在不足。自然界中的地表水與地下水存在密切的聯(lián)系，為了認(rèn)清氣候變化及人類活動(dòng)對(duì)流域水循環(huán)過程的影響，有必要將地表水和地下水作為一個(gè)整體系統(tǒng)進(jìn)行研究。 本研究以大沽河綜合治理工程這一強(qiáng)烈人類活動(dòng)對(duì)流域水資源演變的影響為切入點(diǎn)，在研究大沽河流域水資源的時(shí)間和空間變異規(guī)律的基礎(chǔ)上，研究變化環(huán)境下氣候因素-人類活動(dòng)-水文因素-地表水-地下水之間的相互關(guān)系與影響，，采用國(guó)內(nèi)外流行的水文模型，對(duì)變化環(huán)境下流域內(nèi)地表水與地下水進(jìn)行聯(lián)合模擬預(yù)測(cè)，通過非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法定量分析變化環(huán)境對(duì)流域水文水資源的影響，以期為流域內(nèi)未來(lái)水資源合理配置和高效利用提供理論借鑒。以下為本文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論： 1、近50年來(lái)流域水文氣象要素趨勢(shì)變化分析 基于研究區(qū)及周邊地區(qū)具有代表意義的氣象站、水文站近50年的氣象水文數(shù)據(jù)，主要選取氣溫、降雨、蒸發(fā)等氣象因素和地表徑流等水文要素作為研究對(duì)象，主要采用了Spearman（斯波曼）秩序相關(guān)檢驗(yàn)法、Daniel檢驗(yàn)法、線性回歸方法、滑動(dòng)平均法等多種趨勢(shì)檢驗(yàn)方法及Mann-Kendall檢驗(yàn)法、滑動(dòng)t檢驗(yàn)法、YAMAMOTO檢驗(yàn)信噪比（SNR）等突變點(diǎn)識(shí)別分析方法，重點(diǎn)分析了水文氣象要素的變化趨勢(shì)和突變點(diǎn)，并利用小波分析方法對(duì)降雨量的周期變化進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：近50年來(lái)，大沽河流域氣候變暖的趨勢(shì)與全國(guó)氣候變化的總趨勢(shì)基本一致,在0.05置信度下，年平均氣溫隨時(shí)間呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)顯著，年均溫突變主要集中在1985年之后；流域內(nèi)年降雨量隨時(shí)間呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)不顯著，年降雨量的突變點(diǎn)發(fā)生在1975-1985年之間，降雨發(fā)生變率比較大；流域內(nèi)年蒸發(fā)量隨時(shí)間呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)，且下降趨勢(shì)顯著。地表徑流量隨時(shí)間總體呈遞減的趨勢(shì)，通過滑動(dòng)t和SNR檢驗(yàn)法得知，研究區(qū)年徑流量的突變點(diǎn)主要發(fā)生在1965-1968年、1975-1983年之間，降雨突變是導(dǎo)致年徑流量突變的主要原因。 2、基于SWAT模型的大沽河流域地表徑流模擬分析 針對(duì)SWAT模型中空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建過程所需的基礎(chǔ)資料進(jìn)行分析和預(yù)處理。主要對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)中的土地利用類型、土壤類型等進(jìn)行預(yù)處理和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中的氣象數(shù)據(jù)庫(kù)、土壤數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)構(gòu)建屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中土壤侵蝕因子和土壤顆粒轉(zhuǎn)化等實(shí)現(xiàn)了方法的改進(jìn)。借助Arc GIS10.1利用ArcSWAT最終將研究區(qū)劃分了37個(gè)子流域，445個(gè)水文響應(yīng)單元。 采用產(chǎn)芝水庫(kù)水文站和南村水文站實(shí)測(cè)年徑流數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證，選取2000-2007年作為模型的校準(zhǔn)期，20082010年為模型的驗(yàn)證期。模擬值和實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差Re分別為0.4%和0.25%，決定系數(shù)R2分別為0.998和0.945，Nash-Suttcliffe（Ens）系數(shù)分別為0.982和0.927。采用2003-2010年的月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證，其中2003-2005為數(shù)據(jù)校準(zhǔn)階段，2008-2010為數(shù)據(jù)驗(yàn)證階段，校準(zhǔn)期模型相對(duì)誤差分別為5.64%和9.8%，Ens系數(shù)分別為0.98和0.91，決定系數(shù)R2分別為0.98和0.94。 基于校準(zhǔn)后的模型，將四期土地利用/覆被數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SWAT模型中，模擬分析不同土地利用類型下徑流量的變化情況，結(jié)果表明2010年的土地利用類型下的地表徑流比1990年的年徑流量增加了26.1m3/s，增加幅度比較大。說明了環(huán)境的變化對(duì)徑流的影響是比較明顯的。 3、基于Visual MODFLOW的大沽河流域地下水?dāng)?shù)值模擬 通過分析研究區(qū)地下水位時(shí)空動(dòng)態(tài)變化和地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄規(guī)律，摸清了大沽河流域地下水流場(chǎng)的分布情況。根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)條件，確定了組成含水層系統(tǒng)的部分，建立了研究區(qū)的水文地質(zhì)概念模型。選取2000年1月1至2007年12月31日為模型的識(shí)別階段；2008年1月1至2010年12月31日為模型的驗(yàn)證階段。模型在識(shí)別期和驗(yàn)證期通過計(jì)算水位和實(shí)測(cè)水位的擬合，水位觀測(cè)值與模型計(jì)算值擬合誤差小于0.5m的觀測(cè)井?dāng)?shù)占總井?dāng)?shù)的75%以上；而小于1m的觀測(cè)井?dāng)?shù)占總井?dāng)?shù)的93%以上。經(jīng)過對(duì)模型參數(shù)的識(shí)別與驗(yàn)證，表明研究區(qū)所建的地下水?dāng)?shù)值模型符合本研究的需求，為地表水與地下水的聯(lián)合模擬奠定了基礎(chǔ)。 4、基于SWAT與Visual MOFLOW的地表水與地下水聯(lián)合模擬 借助Arc GIS,實(shí)現(xiàn)整個(gè)流域SWAT中輸出的HRU與Visual MODFLOW模型中CELL之間的轉(zhuǎn)換。將SWAT模型模擬出的地下水補(bǔ)給量與潛水蒸發(fā)量的結(jié)果，導(dǎo)入到Visual MODFLOW相應(yīng)的地下水補(bǔ)給子模塊RCH和潛水蒸發(fā)子模塊EVT中,實(shí)現(xiàn)地表水與地下水的聯(lián)合模擬。模擬得到研究區(qū)內(nèi)地表水與地下水的水量。在此基礎(chǔ)上，通過兩種途徑定量探討聯(lián)合模擬的效果。①分別將聯(lián)合模擬出的地表及地下水量與SWAT模型和VisualMODFLOW單獨(dú)模擬出的地表水量和地下水量進(jìn)行對(duì)比分析，通過誤差分析，定量探討地表水與地下水聯(lián)合模擬效果，結(jié)果表明聯(lián)合模擬的地表及地下水量與單獨(dú)模擬出的地表及地下水量之間的誤差較小，聯(lián)合模擬的效果是比較好的；②通過地表水與地下水聯(lián)合模擬得出的地下水位，選取研究區(qū)內(nèi)代表井的實(shí)測(cè)水位，進(jìn)行對(duì)比分析，研究結(jié)果表明模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)R2為0.898，擬合效果較好。 5、基于SRES模式的地表徑流和地下水預(yù)測(cè)研究 基于SRES模式及大沽河流域多年氣象資料，設(shè)計(jì)建立未來(lái)氣候變化情景組合，以2010年土地利用/覆被數(shù)據(jù)和2013年的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)不同的氣溫和降水組合進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明：降雨量與徑流量呈正相關(guān)關(guān)系，徑流量與氣溫呈負(fù)相關(guān)，未來(lái)研究區(qū)降水量變化是影響年徑流量的主要因素，氣溫的影響相對(duì)較小。本研究中假定的所有氣候情景中，使徑流量增加最多的組合是P增加了20%，T減少4oC，這是對(duì)未來(lái)大沽河流域徑流增加最有利的組合情景。導(dǎo)致徑流量減少最多的情景組合是P減少20%，T增加4oC，這是對(duì)未來(lái)大沽河流域徑流量最為不利的組合。當(dāng)蒸發(fā)量不變時(shí)，隨著降雨量的增加，地下水位埋深逐漸減小，說明地下水位升高。當(dāng)降雨量不變時(shí)，隨著蒸發(fā)量的增加，地下水位埋深逐漸增大，說明地下水位下降。降水量引起的地下水位改變要比蒸發(fā)量的變化引起的地下水位改變量的作用大。
【關(guān)鍵詞】：變化環(huán)境 聯(lián)合模擬 SWAT模型 Visual MODFLOW模型 SRES模式
【學(xué)位授予單位】：山東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P339
【目錄】：

• 摘要8-11
• ABSTRACT11-15
• 1 緒論15-29
• 1.1 研究背景及意義15-16
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)16-24
• 1.2.1 地表水和地下水模擬研究16-18
• 1.2.2 地表水和地下水耦合模型研究18-20
• 1.2.3 SWAT 模型研究進(jìn)展20-22
• 1.2.4 Visual MODFLOW 模型研究進(jìn)展22-24
• 1.3 研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線24-29
• 1.3.1 研究?jī)?nèi)容24-25
• 1.3.2 數(shù)據(jù)源25-27
• 1.3.3 技術(shù)路線27-29
• 2 研究區(qū)概況29-40
• 2.1 自然地理概況29-33
• 2.1.1 地理位置29-30
• 2.1.2 地貌30-31
• 2.1.3 水文氣象條件31
• 2.1.4 流域與水系31-33
• 2.1.5 土壤植被33
• 2.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)概況33-34
• 2.3 水資源及其開發(fā)利用概況34-40
• 2.3.1 水資源狀況34-35
• 2.3.2 水利工程情況35-37
• 2.3.3 水資源開發(fā)利用情況37-38
• 2.3.4 水資源開發(fā)利用中存在的問題38-40
• 3 水文氣象要素變化特征分析40-58
• 3.1 水文氣象要素變化特征識(shí)別方法40-44
• 3.1.1 序列趨勢(shì)識(shí)別方法40-41
• 3.1.2 序列變點(diǎn)識(shí)別方法41-44
• 3.2 水文序列周期性分析方法44-45
• 3.3 流域水文氣象要素變化特征分析45-56
• 3.3.1 近 50 年來(lái)流域水文氣象要素趨勢(shì)變化分析45-51
• 3.3.2 流域水文氣象變點(diǎn)識(shí)別51-55
• 3.3.3 降雨量周期性分析55-56
• 3.4 流域水文氣象要素變化因素分析56
• 3.5 本章小結(jié)56-58
• 4 基于 SWAT 模型的大沽河流域地表徑流模擬58-107
• 4.1 SWAT 分布式水文模型的結(jié)構(gòu)及原理58-64
• 4.1.1 模型簡(jiǎn)介58-59
• 4.1.2 模型結(jié)構(gòu)及原理59-64
• 4.2 SWAT 模型數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建64-92
• 4.2.1 空間數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建64-73
• 4.2.2 屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建73-92
• 4.3 空間數(shù)據(jù)離散化92-96
• 4.3.1 基于 DEM 流域特征提取92-93
• 4.3.2 模擬河流水系93-94
• 4.3.3 劃分子流域94-95
• 4.3.4 水文響應(yīng)單元（HRUs）的劃分95-96
• 4.4 參數(shù)敏感性分析96-98
• 4.4.1 參數(shù)敏感性分析方法97
• 4.4.2 典型小流域參數(shù)敏感性分析結(jié)果97-98
• 4.5 模型校準(zhǔn)及驗(yàn)證98-103
• 4.5.1 模擬結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取98-99
• 4.5.2 校準(zhǔn)方法的選取99
• 4.5.3 年徑流量的率定與驗(yàn)證99-103
• 4.6 不同土地利用/覆被變化下徑流模擬響應(yīng)103-106
• 4.6.1 不同時(shí)期土地利用類型變化分析103-105
• 4.6.2 不同時(shí)期土地利用/覆被變化下徑流模擬105-106
• 4.7 本章小結(jié)106-107
• 5 Visual MODFLOW 模擬地下水107-129
• 5.1 Visual Modflow 簡(jiǎn)介107-108
• 5.2 地下水時(shí)空變化特征108-112
• 5.2.1 地下水補(bǔ)給、徑流與排泄108-109
• 5.2.2 地下水動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)及影響因素109-112
• 5.3 水文地質(zhì)概念模型112-113
• 5.3.1 含水層結(jié)構(gòu)的概化112
• 5.3.2 邊界概化112
• 5.3.3 降水入滲與蒸發(fā)概化112-113
• 5.3.4 開采條件與灌溉回歸概化113
• 5.3.5 河流概化113
• 5.4 地下水運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型113-124
• 5.4.1 地下水運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型及求解113-114
• 5.4.2 模型的離散化114-115
• 5.4.3 地下水運(yùn)動(dòng)數(shù)值模型的建立115-124
• 5.5 模型的識(shí)別與驗(yàn)證124-128
• 5.5.1 模型識(shí)別124-126
• 5.5.2 模型的驗(yàn)證126-128
• 5.6 本章小結(jié)128-129
• 6 基于 SWAT 與 MOFLOW 的地表水與地下水聯(lián)合模擬129-139
• 6.1 SWAT-MOFLOW 耦合原理129-131
• 6.2 基于 SWAT- Visual MOFLOW 的地表水與地下水聯(lián)合模擬131-135
• 6.2.1 水文響應(yīng)單元（HRU）與網(wǎng)格單元（CELL）的轉(zhuǎn)換131-132
• 6.2.2 網(wǎng)格(CELL)分類的實(shí)現(xiàn)132-133
• 6.2.3 地表水與地下水聯(lián)合模擬133-135
• 6.3 基于 SWAT-MOFLOW 的地表水與地下水聯(lián)合模擬評(píng)價(jià)分析135-138
• 6.3.1 地表水與地下水聯(lián)合模擬的優(yōu)勢(shì)分析135
• 6.3.2 地表水與地下水聯(lián)合模擬的定量評(píng)價(jià)135-138
• 6.4 本章小結(jié)138-139
• 7 基于 SRES 模式的地表徑流預(yù)測(cè)研究139-147
• 7.1 全球及區(qū)域氣候模型（GCM/RCM）139-142
• 7.1.1 未來(lái)氣候變化情景的構(gòu)建140-141
• 7.1.2 SRES 排放情景下未來(lái) 30-50 年降水的變化141
• 7.1.3 SRES 排放情景下未來(lái) 30-50 年氣溫的變化141-142
• 7.2 SRES 排放情景下模擬情景的建立142
• 7.3 氣候情景下地表徑流模擬預(yù)測(cè)結(jié)果與分析142-144
• 7.4 氣候情景下地下水位模擬預(yù)測(cè)結(jié)果與分析144-146
• 7.5 本章小結(jié)146-147
• 8 結(jié)論與展望147-150
• 8.1 研究結(jié)論147-148
• 8.2 主要研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)148-149
• 8.3 研究中的不足和展望149-150
• 參考文獻(xiàn)150-160
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論著160-161
• 致謝161-162

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1023742