干旱内陆河融雪径流驱动因子及径流模拟研究——以奎屯河流域为例

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融雪过程作为一种复杂的随机水文现象,在径流形成过程中扮演着极其重要的角色。对于干旱内陆河流域而言,融雪径流对于当地水资源开发利用、生态环境安全以及经济社会发展均起到举足轻重的作用。近年来,对于融雪径流的驱动因子研究逐渐成为干旱内陆河流域水资源模拟技术的难点和热点问题。本文以奎屯河流域为研究对象,通过开展融雪观测试验,研究微尺度积雪消融产流驱动因子的动态变化,提取影响积雪消融的关键因子,构建基于主成分分析法的积雪深度关键成分模型;探寻奎屯河流域水文气象因子的规律特性,基于EasyDHM模型构建适合奎屯河流域产汇流特点的融雪径流模型并模拟融雪径流量;通过“3S”集成技术,反演奎屯河流域高寒山区积雪覆盖率,利用试验数据和遥感技术相结合的手段改进EasyDHM模型融雪产流模块,提高奎屯河流域日径流模拟精度,以期为奎屯河流域生态环境保护、水资源预测与管理及社会经济可持续发展提供技术支撑。本文主要得到了以下结论:
  (1)奎屯河50a气温变化呈波动上升趋势,主要表现为下降-上升的阶段性特征,存在1个突变时段(1990年),且在15~20年,25~30年周期变化较为显著;奎屯河50a降水变化呈显著增加趋势,主要表现为减少-增加的阶段性特征,存在1个突变时段(1981年),且在4~9年、12~20年、24~30年周期变化较为显著;奎屯河新渠首测站上游产流区13a积雪覆盖率呈波动下降趋势。四个高程带(>3700m、2800~3700m、2000~2800m、<2000m)的积雪覆盖率均由高到低呈递减趋势。积雪覆盖率的空间分布差异导致了融雪产流模式的空间差异性。奎屯河50a径流变化呈缓慢增大趋势,主要表现为减小-增大-减小-增大的阶段性特征,存在两个突变时段(1982年、1996年),且在5~7年、10~18年、25~30年周期变化较为显著。
  (2)在微尺度融雪试验观测下,气温在-15~0℃范围内,融雪期无遮阴区融雪速率比遮阴区快0.4cm/d;气温在0~15℃范围内,无遮阴区融雪速率比遮阴区快0.6cm/d。气温是影响融雪速率变化趋势的主要原因,等温条件下净辐射决定融雪速率的变幅大小。遮阴区积雪温度中层与底层达到峰值的时间晚于表层,无遮阴区各层雪温日峰值均高于遮阴区,且日峰值出现的时间提前遮阴区0.5~1h。遮阴区与无遮阴区的雪温梯度差的高值位区由表层向底层偏移。在不同融雪阶段,气象因子对积雪因子的影响程度各异,前期主要受控于气温,后期受控于净辐射;不同遮阴条件下二者受控于不同的气象因子,遮阴区主要受控于气温,无遮阴区受控于净辐射。
  (3)选取积雪深度作为主成分分析的主目标,从气温、净辐射、积雪温度、积雪含水率、积雪密度、土壤温度、土壤湿度等融雪产流驱动因子中提取出三个关键成分,即热力成分(气温>净辐射>积雪温度)、下垫面成分(土壤温度>土壤湿度)及积雪成分(积雪含水率>积雪密度),建立了融雪产流驱动因子的主成分模型,获取其余驱动因子与积雪深度的隶属关系。
  (4)基于EasyDHM模型,利用2001~2013年奎屯河新渠首站及古尔图河新渠首站实测径流资料进行融雪径流模拟,两测站在参数率定前纳什效率系数分别为0.54、0.58,经参数优化后为提升为0.69、0.73,验证期纳什效率系数分别为0.67、0.70。奎屯河流域上述两测站同属于一个流域水系,在模型构建中,二者共用部分融雪、冻土类参数,该类参数敏感度排序靠前,模拟结果对河道形状、糙率等汇流参数的敏感性有一定要求。
  (5)经过对EasyDHM模型产流模块中度日因子法、修正融雪指数法以及积雪深度修正等多方面的改进工作,实现模型的集成及参数的分布式表达;改进后的奎屯河、古尔图河新渠首测站模拟结果的纳什效率系数分别为0.83、0.86,验证期纳什效率系数分别为0.80、0.84,达到了提高融雪径流模拟精度的目的,使EasyDHM模型在干旱内陆河流域获得更好的适用性。
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