SWAT模型在土地利用/覆被变化剧烈地区的改进与应用

人口增长、气候变化、制度变迁、城市化等均会导致土地利用/覆被的变化,进而引起流域水文过程（截留、入渗、蒸散发和地下水补给等）和水循环过程的改变。当前,由于逐年土地利用/覆被数据获取困难、水文模型本身计算缺陷等问题,所有在流域尺度上开展的借助水文模型进行的土地利用/覆被变化影响下的水文模拟研究都存在一个共同缺点,就是采用的水文模型并不能逐年调用土地利用/覆被数据,即水文模型无法真实体现或模拟土地利用/覆被的时空变化。SWAT作为一个广泛应用的分布式水文模型,在其模拟期内,不能逐年调用土地利用/覆被数据,即在进行水文模拟时忽略了土地利用/覆被时间上的变化,这可能会影响其在土地利用/覆被变化剧烈地区（如黑河中游）的应用。黑河流域是典型的内陆河流域,也是中国西北地区第二大内陆河流域。黑河中游是黑河流域的径流耗散区。本文针对SWAT模型在考虑土地利用/覆被变化时的缺点,对其进行了改进并开发出能够逐年调用土地利用/覆被数据的LU-SWAT模型。在土地利用/覆被变化剧烈的黑河中游对SWAT和LU-SWAT模型的径流模拟效果进行比较,发现LU-SWAT模型更适用于黑河中游水循环模拟。     

气候变化对高寒山区流域径流量的模拟及预测

柴达木盆地气候干旱、水资源缺乏、生态脆弱,盆地周围的高寒山区是其重要的水资源形成区。关注柴达木盆地高寒山区流域未来气候变化及相应径流变化具有重要意义,然而相关研究较少。本研究选取柴达木盆地东北部典型高寒山区流域—巴音河上游祁连山区,采用局部缩放法和方差缩放法,基于实测降水、温度数据对CMIP6下BCC-CSM2-MR模式SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP5-8.5 3种气候情景未来气候变化数据进行校准,将校准后的气候数据与SWAT模型耦合,模拟及预测历史及未来时期气候变化对巴音河出山径流的影响。结果表明,SWAT模型对巴音河出山径流的模拟效果满足评价标准,其适用性较好;巴音河上游祁连山区在3种气候情景下,2015—2100年降水量、最高温度、最低温度、出山径流量均增加,暖湿化趋势较为明显;3种情景下,2015—2100年巴音河流域地表径流将呈现先增加后减少的趋势。侧向流、地下径流、总产水量、融雪量将呈现增加趋势。研究结果可为柴达木盆地水资源管理和可持续发展提供科学依据和理论支撑。     

基于SWAT-MODFLOW耦合模型的巴音河中游泽令沟盆地地表水−地下水转换关系研究

为准确刻画资料缺乏、地表水–地下水转换频繁的泽令沟盆地地表水?地下水不同时空尺度上的转换关系,利用河道径流数据、遥感蒸散发数据、地下水位观测数据等对SWAT-MODFLOW耦合模型进行率定和验证,在此基础上对泽令沟盆地水循环过程进行模拟分析。结果显示：① SWAT-MODFLOW耦合模型模拟效果较好,率定期和验证期月径流量的R²≥0.73,NSE≥0.67,PBIAS在?20%~20%。其各子流域实际蒸散发的R²均大于0.91,NSE均大于0.85,PBIAS在?10%~10%。此外,模拟地下水位与实测值误差在0.6 m以内,R²为0.94。② 地表水补给地下水的河道占整个河道长度90.31%,年平均补给量占年总交换水量的50.20%;季节尺度上,补给的最大值出现在7月,为331043.31 m³/d,最小值出现在12月份,为41208.33 m³/d。地下水对地表水的补给量较为稳定,季节性变幅在?2.5%~2.5%,年际变幅处于?6.5%~0.6%之间。     

TRMM及GPM降水数据在高寒内陆河流域的准确性评估

降水数据的准确性和时空分辨率成为水文过程模拟的关键。卫星遥感降水资料的日益丰富为资料缺乏区的水文模拟带来了新的突破。本研究拟在资料缺乏、下垫面复杂,观测难、建模难的柴达木盆地高寒内陆河流域—巴音河中上游,基于近5年的TMPA 3B42、GPM IMERG V5及GPM IMERG V6逐日降水数据和气象站点观测数据建立SWAT模型,采用流域出口径流数据及不同的参数化方案分别率定4个模型,比较和探究不同数据在巴音河流域的适用性。结果表明：① 在月、年尺度上,实测降水数据及TMPA 3B42 V07对应的SWAT模型径流模拟效果较好,前者模拟精度较后者仅高6%~12%,且二者对于流域水量平衡的刻画均较准确。说明TMPA 3B42数据对应的径流模拟结果误差相对较小,可直接用于高寒内陆河流域水文模拟;② GPMIMERG V5数据对应的那什系数N_SE值为0.13（月）、-1.58（年）,误差百分数P_BIAS值为41.2%（月、年）,均方根误差与标准误差比率R_SR值为0.93（月）、1.61（年）,其径流模拟误差较大,模拟效果不可信,说明GPMIMERG V5数据集并不适用于巴音河流域水文模拟;③ GPMIMERG V6-F对应的月径流模拟结果明显优于GPMIMERG V5-F,前者模拟精度较后者提高4倍,但其模拟的年径流对应的N_SE值为-0.12,R_SR值为1.09。该研究可为资料缺乏的高寒内陆河流域生态水文过程模拟提供参考。     

晚冰期以来共和盆地更尕海碎屑物质输入过程与气候变化

湖泊碎屑物质输入过程的认识对于探讨区域环境演化历史具有重要的意义.采用高分辨率X射线荧光光谱(XRF)扫描分析法,对更尕海沉积岩芯进行了元素测试.沉积岩芯中元素Si等的变化主要由外源碎屑物质输入而贡献.结合粗颗粒组分含量的变化,沉积岩芯的元素含量可以用来指示湖泊碎屑物质的输入过程及其变化.结果表明,晚冰期气候寒冷干旱,风化程度低,湖泊碎屑物质输入过程较弱且以风力输入为主;早中全新世气候湿润,风化作用显著增强,湖泊碎屑物质的流水输入过程增强;晚全新世流域降水量减少,植被有所退化,湖泊碎屑物质的风力输入过程增强,并伴随着百年至千年尺度的风沙活动事件.更尕海碎屑物质输入过程的变化可能响应于区域大气环流的变化.全新世早中期,强盛的亚洲夏季风可能是更尕海流域风化作用、流水输入增强的主要原因;而晚全新世频繁的风沙活动则可能与高纬地区千年尺度的气候冷事件有关.可见,亚洲季风与高纬冷气团(西风环流)的相互作用或许是我国亚洲季风边缘区气候环境变化的主要驱动因素.     

青藏高原东北部更尕海 7—9月水-气界面 CH4、N2O交换通量变化及其影响因素

为了解青藏高原浅水草型湖泊水-气界面 CH4与 N2O通量的交换机制,以青藏高原东北部的更尕海为例,分别在 2021年 7月、8月、9月采用漂浮静态箱-气相色谱仪法对其水-气界面 CH4、N2O交换通量进行连续、定点观测,并结合流域气象、湖泊水环境探讨其影响因素。结果表明:(1)更尕海水-气界面 CH4交换通量平均值为 0.557mg(/ m2·h),整体表现为源;N2O交换通量平均值为-0.100μg(/ m2·h),整体表现为弱汇。(2)在空间上,受水生植物分布差异影响,更尕海黄苔分布区为水-气界面 CH4排放的热点区域,其次为狐尾藻分布区,无植被分布区最低。N2O交换通量的变化受污染负荷的影响,粪便排放区是 N2O排放的热点区域。(3)在时间上,CH4交换通量的变化则受温度影响,CH4排放峰值主要出现于 15:00时;N2O交换通量的变化与沉水植物的光合作用有关。沉水植物光合作用向水体释放 O₂并使 pH升高,从而抑制了沉积物中的反硝化作用与微生物活性,使得湖泊整体表现为 N2O的“汇”。(4)相较于中国东部湖泊,青藏高原气压低,使得水体 DO含量相对较低,减弱了水体对 CH4的氧化作用,还降低了水体中 CH4的溶解度,导致青藏高原湖泊 CH4排放通量显著高于中国东部湖泊。而青藏高原湖泊受人类活动的干扰较小,外源性污染较轻,造成该区域 N2O排放通量显著低于中国东部湖泊。