中国区域水文模型性能评估及华北平原水储量变化分析

作     者：宋梦芝 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：范东明

授予年度：2022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：GRACE mascon 水文模型 陆地水 适用性评价 地下水井 南水北调 

摘      要：水是万物之源,被广泛应用于农业灌溉、工业生产等,它对人类的生产、生活以及社会发展起着举足轻重的作用。中国幅员辽阔、人口众多,陆地水储量(Terrestrial Water Storage,TWS)空间分布不均匀,整体分布呈现东多西少和南多北少,人均水资源严重稀缺。中国陆地水储量的准确量化对于人类经济社会和生态环境协调发展是必不可少的。水文模型常用于模拟陆地水储量变化(Terrestrial Water Storage Anomalies,TWSA),能够帮助人类理解、预测和管理水资源。不同水文模型使用的参数、模型结构不同,模拟的水储量也存在很大差异。本文利用GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)RL06mascon(mass concentration block)时变重力场数据评估了不同水文模型在中国九大流域的适用情况,对模型的改进和水资源的可持续发展有着积极的作用。华北平原是我国重要的工农业基地和政治经济中心,由于在华北平原地区地下水的长期超采,水资源正面临着巨大的压力。因此,在华北平原进行水储量变化的研究及监测有利于国家后续对水资源的管理和保护,意义非凡。本文主要工作具体如下:结合降雨等因素分析了中国九大流域的陆地水储量变化及其成因,计算比对了三大机构的时变重力场数据反演中国地区陆地水储量变化的差异,利用2003年1月至2014年12月共计144个月的CSR(Center for Space Research)和JPL(Jet Propulsion Laboratory)发布的GRACE RL06 mascon时变重力场模型评估了六种常用水文模型Noah-3.6,CLSM-F2.5(Catchment Land Surface Model),VIC-4.1.2(Variable Infiltration Capacity macroscale model),CLM-4.5(Community Land Model),Water GAP-2.2d(Water Global Assessment and Prognosis)和PCR-GLOBWB-2(PCRaster Global Water Balance)在中国九大流域的适用性,并采用相关系数r、归一化均方根误差NRMSE(Normalized Root Mean Square Error)和纳什效率系数NSE(Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient)作为评价指标,量化了水文模型和GRACE mascon数据在中国九大流域的一致性。西南诸河流域、松花江辽河流域雪水变化明显,东南诸河流域土壤水变化明显,Noah-3.6模型对土壤水、雪水模拟的效果相对较好,适用性更好;长江流域、海河滦河流域、淮河流域和珠江流域人类活动较为明显,Water GAP-2.2d同时考虑了人类活动和模型校准,适用性优于其它模型;黄河流域地下水变化明显,Water GAP-2.2d和PCR-GLOBWB-2都考虑了人类活动,但PCR-GLOBWB-2适用性更好,可能是由于Water GAP-2.2d模型在黄河流域存在较大的校准误差;内陆河流域干旱少雨,流域的北部陆地水储量呈下降趋势,流域的南部陆地水储量呈上升趋势,六种水文模型在内陆河流域的适用性都较差。利用2005～2018年JPL发布的GRACE/GRACE-FO(Follow-On)RL06 mascon数据监测华北平原水储量变化,探测到华北平原陆地水储量在2005～2018年呈现下降趋势,变化速率为-2.37±0.06 cm/yr;基于中国地区土壤湿度数据反演得到华北平原土壤水分在2005～2018年呈现下降趋势,变化速率为-0.13±0.03 cm/yr;基于GRACE定量估计了华北平原地下水储量的时空变化,反演得到华北平原地下水在2005～2018年以-2.2±0.06 cm/yr的速率下降;利用地下水井反演了华北平原浅层地下水的时空变化,在2005～2018年变化速率为-1.12±0.04 cm/yr,两者差异说明华北平原可能存在深层地下水的亏损。将全球水文模型反演的华北平原地下水时空变化与GRACE结果进行综合比较,表明CLSM-F2.5和CLM-4.5模型在空间分布和数值上均不能很好的模拟华北平原地下水储量变化;Water GAP-2.2d能较好地与实测水井的地下水储量空间变化吻合,但在数值上偏大;PCRGLOBWB-2能较好地与GRACE地下水储量空间变化吻合,数值上也偏大。利用GRACE/GRACE-FO RL06 mascon观测数据计算华北平原南水北调前后陆地水储量各成分的变化,自2014年底通水以后,陆地水、土壤水和地下水变化速率由原来的-2.09 cm/yr、-0.13 cm/yr、-0.90 cm/yr转变为-0.38 cm/yr、0.38 cm/yr、-0.32 cm/yr,各水储量都在一定程度上得到了缓解,由此说明南水北调对缓解华北平原水资源短缺具有重大意义。将南水北调前后GRACE监测到的华北平原陆地水储量的变化与南水北调总供水量数据、华北平原地下水年开采量数据以及气象因素对水质量平衡的影响数据综合对比,发现陆地水储量变化的前后差值小于南水北调的输水量、地下水年开采量的减少量和气象因素变化的总和,这可能与水储量的变化速率相较输水有延迟、“南水输送过程中丢失等原因有关。