玛纳斯河流域产流区水文过程模拟研究

发布时间：2020-10-14 09:02

　　 我国西北内陆河流域广泛分布着自然-人工绿洲生态系统,但水资源稀缺成为绿洲系统维持和发展的制约因素。西北干旱区降水较少,高寒产流区径流是供给中下游地区绿洲的直接水源区,山区降水和冰雪融水在该区域水资源构成中占有重要地位,也是众多河川径流的主要补给源。内陆河流域的产汇流中各水文分量的转换和运移过程较为复杂,这也是当前水文学领域研究中的重要任务。同时全球气候变化对水文水循环的影响机制也是当前国际水科学研究领域的热点问题之一。全球气候变化、土地利用和覆被变化深刻影响着流域水文循环的动态平衡过程。气候变化会引起降水量、蒸发量和冰川消融量等水文要素变化,进而使得水资源在时空上重新分配;土地利用类型变化会直接影响植被冠层截留/拦截降水量、蒸散发量、土壤含水量和下渗量等水文要素,亦明显作用于流域径流河道汇演和水量平衡过程。本文以中国天山中部的玛纳斯河流域为研究区,采用气象水文观测数据和多源遥感数据,结合常规数理统计法、RS技术和GIS空间分析技术,在初步掌握了流域各高程带水文气候条件基础上,分析产流区冰川消融变化和下垫面的空间异质性规律;通过改进和完善SWAT分布式水文模型以提高其模拟精度及其在干旱区的适宜性,深刻揭示流域产流区不同景观带生态水文过程及产流机制。具体从研究区水文情势、冰川变化、植被景观格局演化、水文过程模拟四个层面开展了研究,本文的内容主要包括如下几个方面:(1)水文情势方面。近60年来玛河流域年径流量呈较明显的递增态势,并在1995年出现了较明显的突变,年内径流量分配极不均匀,夏半年和冬半年径流量分别占全年总和的87%和13%。2000-2016年间研究区气温变化倾向率为0.12℃/10a,整个山区年气温垂直变化率为-0.32℃/100m,不同高程带的垂直递减率随季节变化也有明显差异。年均降水量约为326.4mm,其变化率约为13.23mm/10a,低山区降水量随海拔升高不断增多,至3000-3500m左右降水量达到整个区域内的最大值(414mm),3500m以上的高山区降水量随海拔增加逐渐降低。气温升高加速了高寒区冰雪消融,加之降水量增加使得研究区径流量以较大幅度增加。(2)冰川面积和冰储量变化方面。1990-2016年间玛河流域冰川面积大幅度缩小,已有32.5%的冰川面积消失,冰储量的年变化率为1.6%。冰川条数和面积变化情况来看,小冰川对气候变化的敏感程度更高。比较特殊的是高海拔区(4600m)冰川面积呈增加的趋势,冰川面积变化依赖于区域气温和降水量二者共同影响,可能是由于该区域降水量增加对冰川积累的作用大于气温上升对冰川消融作用造成的。(3)植被景观格局演化。研究区下垫面主要被各类草地所覆盖,加之大规模冰川和一定面积的森林形成了研究区的主体景观格局。近26年来研究区内草甸、裸岩和居住地均呈较明显递增态势,而草原和稀疏草地面积出现波动式减少,整个研究区内景观的异质性和破碎度在增加,相同类型的景观斑块邻近度在逐渐降低,景观类型在分布上出现离散度加剧的现象。(4)水文过程模拟方面。研究区多年平均冰川融水径流量为4.95×10~8m~3,约占年均出山口径流量的37%左右,且呈波动增加趋势,5-9月间冰川融水量占全年总量的94%,冰川径流的补给过程具有明显的季节性。各类下垫面产水量对径流贡献大小排序为:冰川/永久积雪草甸草原稀疏林地常绿针叶林稀疏草地,其中2400-4500m高程带对区域径流贡献率高达76%。研究期内干旱年和湿润年基本是相间隔的,流域水量平衡并非每年都处于平衡状态,而是各水体转运的多年动态平衡过程。研究区降水量增加时径流明显增加,气温升高会减少地表径流深度,但加速了冰川消融进而填补了由于蒸发而损失的部分径流量,未来气候情景下玛河流域径流量保持持续增加。本论文的创新之处包括以下两个方面:(1)基于MODIS和TRMM数据反演得出研究区气温和降水数据,并通过降尺度方法和GIS空间分析技术,客观描述了高寒区关键气象要素的时空变化特征,并用遥感反演的气象数据驱动SWAT模型。(2)将冰川物质平衡模型嵌入SWAT分布式水文模型中,从降水量、冰川融水量、实际蒸发量、壤中流和浅层地下水等主要水文分量信息出发,分析研究区水量平衡动态过程,以揭示研究区的产汇流机制。
【学位单位】：石河子大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P333
【部分图文】：

第二章 研究区域与数据 研究区域概况1 自然地理概况（1）地理位置玛纳斯河流域地处中国天山北麓中段，北起依连哈比尔尕山等山结，南接准噶部，其地理坐标大致为 43°21′- 45°20′N ，84°43′- 86°35′E（图 2-1），行政区括玛纳斯县、石河子市、兵团第八师和沙湾县等，流域面积约为 2.43×104km内分布有玛纳斯河、塔西河、巴音沟河等 6 条河流，其中玛纳斯河是发源于天大的一条河流，多年平均径流量为 11.9 ×108m3（张宏锋，2009），玛纳斯河上肯斯瓦特水文站位于河流出山口出，也是河流各干、支流汇合后的控制断面。 年开工建设了肯斯瓦特水利枢纽工程，其具有防洪、灌溉、发电等主要功能，生态保护和产业发展等均有重要意义。

图 3-1 1957-2016 年研究区径流变化特征Fig.3-1 Characteristics of runoff variation in the study area from 1957 to 2016从玛河流域径流量年内分配来看（图 3-2），年内径流量分配极不均匀，其中夏年径流量约占全年总和的 87%，而冬半年仅为全年贡献了 13%的径流量。流域自 2 月开始径流逐渐增加，2 月份径流也为全年最小值，7 月份径流量达到了全年最大值，年平均值约占全年的 28.95%，8 月份开始至来年 1 月份径流又逐渐降低，仅 7、8 月径流量共占全年之和的 55%以上。造成以上径流年内分配特征是由研究区年内气温和水变化所致，研究区年降水主要发生在 4-8 月份，加之夏半年气温较高，使得径流量大，这也正说明了玛纳斯河是冰雪融水和降水共同补给的河流，其补给来源的季节性化造成了研究区径流的年内分配极不均匀。

图 3-1 1957-2016 年研究区径流变化特征Fig.3-1 Characteristics of runoff variation in the study area from 1957 to 2016从玛河流域径流量年内分配来看（图 3-2），年内径流量分配极不均匀，其中夏半径流量约占全年总和的 87%，而冬半年仅为全年贡献了 13%的径流量。流域自 2 月份始径流逐渐增加，2 月份径流也为全年最小值，7 月份径流量达到了全年最大值，多平均值约占全年的 28.95%，8 月份开始至来年 1 月份径流又逐渐降低，仅 7、8 月的流量共占全年之和的 55%以上。造成以上径流年内分配特征是由研究区年内气温和降变化所致，研究区年降水主要发生在 4-8 月份，加之夏半年气温较高，使得径流量偏，这也正说明了玛纳斯河是冰雪融水和降水共同补给的河流，其补给来源的季节性变造成了研究区径流的年内分配极不均匀。
【参考文献】

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本文编号：2840453