基于SWAT模型的信江流域水沙模拟研究

作     者：张余庆 

作者单位：南京信息工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈昌春

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 081501[工学-水文学及水资源] 0815[工学-水利工程] 

主      题：信江流域 SWAT模型 SUFI-2算法 RClimDex SPEI指数 EEMD 

摘      要：信江是鄱阳湖流域五大河流之一,其流域内气象、水文、土地利用类型变化所引起的水量和水质变化对鄱阳湖水资源有着重大影响,而针对该流域土地利用变化的水文响应研究较为鲜见。因此对信江流域内气象水文要素时空特征分析以及水沙模拟研究显得格外重要,以便了解流域内的气候、水资源、土壤侵蚀等要素的分布情况,以期为流域水资源合理调配、水土保持工作等提供科学参考依据,为流域内防洪防旱做好提前准备。 本文首先基于气象水文数据,采用多种数学统计方法对信江流域进行极端气候特征分析、旱涝时空特征分析以及水文特征分析,以探究流域内气象水文要素的时空变化特征。进而利用地理数据、水文数据和气象数据等,结合GIS和RS技术,应用SWAT模型对信江流域进行水沙模拟,并着重分析土地利用变化对水沙状况的影响。主要研究成果如下： (1)基于RClimDex模型并结合12种极端气候指数定量分析信江流域极端气候变化特征。研究表明流域表征低温事件的指数呈下降趋势,而表征流域高温事件指数呈上升趋势;极端降水各项指数变化趋势均呈不同程度上升趋势。利用SPEI指数计算流域多时间尺度条件下的旱涝变化特征,由年尺度SPEI12得出近46a间共出现6次中旱以上级别的干旱事件,出现7次中涝以上级别的雨涝事件;利用EEMD方法对SPEI12进行模态分解,并结合R/S、方差分析及显著性检验,得出平均周期分别为2.88年和6.57年,未来旱涝事件发生频率与过去成正相关;季节性旱涝变化以秋旱和夏涝最为严重;年尺度重旱历时较长的地区主要分布在信江流域东部、中北部,而重涝主要分布在流域东部地区。利用Morlet连续复小波变换分析得出信江流域水沙存在11年时间尺度的第一主周期。 (2)基于SWAT模型进行信江流域水沙模拟,采用LH-OAT法进行参数敏感性分析,并结合SUFI-2算法进行参数率定和不确定性分析,对模型模拟结果进行评价,结果表明影响径流前三位敏感参数为CN2、SURLAG(?)ALPHAF,影响泥沙前三位敏感性参数为CH2、SPCON和CN2。经5个评价标准：P-factor、 R-factor、Nash-Sutcliffe效率系数ENS、相关系数R2及相对误差Re值得出SWAT模型在信江流域水沙模拟中具有可行性和较高的可信度,率定期好于验证期,径流模拟效果总体上好于泥沙。选取SUFI-2算法的2.5%-97.5%区间作为的95%置信区间(95PPU),通过计算P-factor和R-factor值,得出率定期的水沙模拟比验证期的不确定性要小,其中径流较泥沙不确定小。 (3)利用ArcGIS技术结合SWAT模拟结果系统分析不同土地利用情景下水沙响应,结果表明两期土地利用情景下的信江流域土地类型均以耕地、林地、草地为主。整体而言2000年土地利用情景下的月、年水沙量与1990年相比略大。年产水量较大区域主要分布在流域西北、西南及中北部地区,产水量较低区域主要集中在流域东南部,这与多年平均降水量空间分布较为一致。综上所述,2000年土地利用情景整体较1990年产水量和产沙量多。