長安大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目結(jié)題報告-張慶海.doc

土壤高濃度CO2對植物光合作用的影響指導(dǎo)教師：韓楓團隊人員：張慶海，劉穎華，薛曉芹，王麗萍完成時間：2012年5月17日 二一二年五月目 錄第一章綜述21.1 研究背景21.2 研究目的及意義31.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31. 3.1 洪水預(yù)報研究現(xiàn)狀31.3.2 水文模型研究現(xiàn)狀31.3.3 SWAT模型的研究現(xiàn)狀31.3.4 基于GIS的洪水演進(jìn)研究現(xiàn)狀31.3.5 HEC研究現(xiàn)狀31.4 研究現(xiàn)狀的評價31.5研究主要內(nèi)容及方法31.6.本研究的特色3第二章研究區(qū)概況32.1 自然地理概況32.1.1流域水系特征32.1.2 地質(zhì)地貌32.1.3 氣候32.1.4 水文32.1.5 土壤與植被32.2 社會經(jīng)濟與水資源開發(fā)利用概況3第三章研究區(qū)基礎(chǔ)資料處理33.1 數(shù)據(jù)處理33.1.1 DEM數(shù)據(jù)處理33.1.2土地利用數(shù)據(jù)處理33.1.3土壤數(shù)據(jù)處理33.2 數(shù)據(jù)庫的建立33.2.1土地利用屬性數(shù)據(jù)庫33.2.2土壤屬性數(shù)據(jù)庫33.2.3氣象信息數(shù)據(jù)庫3第四章基于SWAT的黃土高原典型泥石流區(qū)域徑流模擬34.1 SWAT模型簡介34.1.1SWAT模型的發(fā)展34.1.2 SWAT模型原理34.1.3 SWAT模型的結(jié)構(gòu)和運行控制34.2 模型對DEM分辨率和積水面積閾值的敏感性分析34.2.1不同DEM分辨率和集水面積閾值下的地形參數(shù)提取3第五章基于的河道水力演進(jìn)模擬35.1 HEC模型簡介35.1.1 HEC概述35.1.2 HEC-RAS模型原理35.2 HEC-GeoRAS耦合ArcView GIS提取該流域河網(wǎng)35.3 建立河道山洪（泥石流）演進(jìn)模型35.3.1河網(wǎng)幾何資料的處理35.3.2邊界與初始條件設(shè)置35.3.3演進(jìn)分析35.4 三維顯示各種情景下的洪水淹沒范圍顯示3第六章運用模型研究建莊川典型泥石流流域產(chǎn)生洪水淹沒的臨界降雨量36.1 運用模型研究建莊川典型泥石流流域產(chǎn)生山洪（泥石流）淹沒的臨界降雨量36.1.1 SWAT構(gòu)建降雨-徑流模擬模型36.1.2不同降雨情景下的山洪（泥石流）演進(jìn)分析36.2 根據(jù)未來降雨預(yù)報預(yù)測該區(qū)的洪水淹沒36.2.1不同降雨情景下的徑流量36.2.2不同降雨情景下洪水演進(jìn)分析3第七章結(jié)論與展望37.1 主要結(jié)論37.2 展望3第一章綜述1.1 研究背景洪水通常是指由暴雨、急劇冰雪融化、風(fēng)暴潮等自然因素或水庫調(diào)度不當(dāng)、水利工程潰決失事等人為因素引起的江河、湖泊洪水流量激增、水位急劇上漲的一種水文現(xiàn)象。洪水是自然和環(huán)境系統(tǒng)變化的產(chǎn)物，其發(fā)生和發(fā)展都受自然和環(huán)境系統(tǒng)的作用和制約。洪水災(zāi)害是指因大雨、暴雨或持續(xù)的降雨是低洼地區(qū)淹沒、滯水的現(xiàn)象。洪澇災(zāi)害的發(fā)生使人民的生命財產(chǎn)受到威脅和損害。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，洪水災(zāi)害對人類的危害在不斷的增長，洪災(zāi)不斷的成為社會關(guān)注的焦點1。近年來，由于世界氣候異常，全球多個國家都遭遇洪水災(zāi)害的襲擊。據(jù)媒體報道：2006年6月美國連降暴雨，使得密西西比河的水位開始猛漲，漲高的洪水漫過了沿途的房屋、農(nóng)場和道路。在艾奧瓦州洪水漫過了防洪堤，涌入錫達(dá)拉皮茲市城區(qū)，至少438處民居遭浸泡。此外，3000多戶居民離家，前往高處避險，工廠、汽車均被淹沒在一片汪洋之中；2008年7月，烏克蘭遭遇百年一遇的大洪水；2011年10月泰國北部和中部遭遇50年來最大洪水災(zāi)害，全國3/4成為汪洋，死亡200多人。2009年5月22日，澳大利亞南利斯莫爾的機場被洪水包圍。澳大利亞東海岸幾天來連降暴雨，造成洪水泛濫，數(shù)千人被迫離開家園。我國幅原遼闊，全國大約有2/3的國土面積都有著不同類型和不同程度的洪水災(zāi)害2。歷年來洪水災(zāi)害給我國帶來了巨大的損失，對河流沿岸人民的生產(chǎn)生活帶產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。如1954年長江特大洪水，淹沒農(nóng)田4755萬畝，受災(zāi)人口1888萬人，死亡3.3萬人，直接經(jīng)濟損失100億元；1963年海河發(fā)生特大洪水，三大水系決口2400處，有104 個縣市遭災(zāi)，淹沒農(nóng)田6600萬畝。保定、邢臺、邯鄲市水深23米，倒房450萬間，受災(zāi)人口2200萬，死5640人，2254個工礦企業(yè)停產(chǎn)，京廣鐵路27天不能通車，直接經(jīng)濟損失60億元；1998年長江、松花江、嫩江流域發(fā)生特大洪水，直接經(jīng)濟損失超過2000多億元；2003年8月24日，陜西省黃陵縣沮河上游水位暴漲，導(dǎo)致黃陵縣腰坪社區(qū)多個村組受災(zāi)、建莊川多個煤礦礦井進(jìn)水，整個縣直接經(jīng)濟損失達(dá)1億多元。由降水預(yù)報對洪水成災(zāi)進(jìn)行預(yù)測預(yù)報是一項非工程性減災(zāi)措施，預(yù)先獲知洪水的淹沒范圍和水深的分布情況，對于預(yù)先轉(zhuǎn)移受災(zāi)區(qū)的生命財產(chǎn)，減少損失具有非常重要的價值，而且對于洪水造成的災(zāi)害損失進(jìn)行評估也是非常有用的3。近年來隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，利用GIS的空間分析和可視化功能，模擬顯示洪水淹沒范圍和水深分布一直是研究的熱點。對近年來有關(guān)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)大多都是基于給定水位條件下的有源洪水淹沒分析和無源洪水淹沒分析4-6，對給定流量進(jìn)行洪水演進(jìn)分析的文獻(xiàn)較少。本文將從給定流量入手，運用HEC-RAS、GIS耦合HEC-GeoRAS模型對研究區(qū)的洪水演進(jìn)進(jìn)行分析。由降雨模擬流域徑流一直是水文界研究的重點、熱點。應(yīng)用物理數(shù)學(xué)和水文知識在流域尺度范圍內(nèi)對降雨徑流形成過程進(jìn)行局部或綜合模擬，可以在一定程度上確定流域的水文響應(yīng)目的的流域降雨徑流模型正是為了直觀反映這一水文現(xiàn)象而建立實行的一種合理、可行的途徑7。目前國內(nèi)外研發(fā)了一系列的水文模擬模型，主要分為概念性水文模型和分布式水文模型。本文運用物理機制較強的分布式水文模型SWAT模型對研究區(qū)降雨徑流進(jìn)行模擬。通過對降雨徑流進(jìn)行模擬，結(jié)合數(shù)字高程模型(DEM)，運用給定流量的洪水演進(jìn)分析模型，對由降雨造成的洪水淹沒進(jìn)行模擬研究，為洪水的預(yù)測預(yù)報及防洪調(diào)度提供決策依據(jù)。1.2研究目的及意義實踐表明，在不斷推進(jìn)防洪工程措施的同時，必須配套建設(shè)完善的非工程措施體系。非工程防洪減災(zāi)措施主要是指在充分發(fā)揮防洪工程作用的前提下，通過直接控制洪水手段以外的其它自然條件和社會條件來適應(yīng)洪水特征，達(dá)到規(guī)避洪水風(fēng)險的目的，有效地減少災(zāi)害造成的損失。預(yù)先獲取洪水的淹沒范圍和水位的分布情況，防洪問題將能更有效地得到經(jīng)濟合理的突破。因此，研究利用新技術(shù)新方法快速、準(zhǔn)確、科學(xué)地模擬、預(yù)測洪水淹沒范圍，已成為一個重要而緊迫的課題。對降雨洪水可能造成的災(zāi)害進(jìn)行預(yù)估是一項意義重大的工作，而計算降雨產(chǎn)生的洪水量及洪水可能淹沒的范圍則是該工作必須要解決的首要問題。在一些重點防洪城市和行蓄洪區(qū)，如果能夠通過氣象部門的降水預(yù)報，預(yù)先獲知洪水的淹沒范圍和水深的分布情況，準(zhǔn)確及時的發(fā)布洪水災(zāi)害預(yù)警信息，提前做好應(yīng)對洪水災(zāi)害準(zhǔn)備，合理選擇避讓時機，可以保障人民的生命財產(chǎn)安全，減輕洪澇災(zāi)害；同時為沿岸單位選址，水工建筑風(fēng)險分析，防洪指揮調(diào)度和洪澇災(zāi)害的損失評估等決策工作提供評判依據(jù)。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1. 3.1洪水預(yù)報研究現(xiàn)狀洪水預(yù)報是根據(jù)洪水形成和運動規(guī)律, 利用水文、氣象信息, 預(yù)測洪水的發(fā)生與變化過程的應(yīng)用科學(xué)技術(shù)8。近年來隨著計算機技術(shù)在洪水預(yù)報領(lǐng)域的發(fā)展，國內(nèi)外洪水預(yù)報方法取得了可喜的成績。歸納起來，洪水預(yù)報可分為：水文預(yù)報和水力學(xué)預(yù)報。洪水水文預(yù)報是在分析歷史洪水資料的基礎(chǔ)上，通過水文學(xué)方法，分析未來一段時間洪水發(fā)生的概率及洪水特征。張洪剛等9人根據(jù)貝葉斯分析，對白云山水庫的概率洪水進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明，貝葉斯概率可以顯著提高預(yù)報精度，實現(xiàn)了預(yù)報與決策的有機結(jié)合。吳超羽等10人利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對廣東省飛來峽水電樞紐工程控制水文站的日均及逐時流量進(jìn)行了預(yù)報，研究表明，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能有效的模擬非線性的實際水文系統(tǒng)。邱超11利用模糊聚類分析和模糊數(shù)學(xué)的基本原理，對影響水文預(yù)報結(jié)果的特征因子進(jìn)行研究，運用特征加權(quán)模糊聚類分析法對曹娥江流域的歷史洪水進(jìn)行模糊聚類分析，研究表明該方法能夠明顯提高曹娥江流域的洪水預(yù)報精度。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，傳統(tǒng)水文型預(yù)報方法已難以滿足實際防洪的需求，因此需開發(fā)流域洪水預(yù)報的水力學(xué)模型。張真奇等12人針對平原地區(qū)洪水預(yù)報特點，建立了以水動力學(xué)為主的河道一維洪水預(yù)報水文水動力學(xué)模型。該模型在浙江省諸暨市城關(guān)至湄池河段洪水過程的模擬與預(yù)報結(jié)果表明，預(yù)報水位與實測水位吻合良好。張小峰等13人建立了一維非恒定水力學(xué)模型與最小二乘法耦合的實時洪水預(yù)報模型，并運用于長江干流宜昌-山段洪水實時預(yù)報，取得了較好的效果。1.3.2水文模型研究現(xiàn)狀水文模型是對自然界中復(fù)雜水文現(xiàn)象的一種概化，是水文水資源科學(xué)中的重要研究領(lǐng)域之一。早在1850年Mulvany建立了推理公式。1932年Sherman提出單位線概念、1933年Horton的入滲方程、1948年P(guān)enman的蒸發(fā)公式等，標(biāo)志著水文模型由萌芽時代開始向發(fā)展階段過渡14。進(jìn)入20世紀(jì)50年代后，隨著計算技術(shù)的發(fā)展，各國提出了一些著名的水文模型?？偨Y(jié)前人的研究結(jié)果，水文模型主要分為概念性水文模型和分布式水文模型。概念性水文模型主要有：國內(nèi)，河海大學(xué)趙人俊15教授等提出了新安江模型，該模型有一定的系統(tǒng)性、結(jié)構(gòu)較為完善、應(yīng)用效果較好，得到國內(nèi)外水文學(xué)者的了解和應(yīng)用。新安江模型經(jīng)歷了從二水源新安江模型到三水源新安江模型和考慮植被作用的新安江改進(jìn)模型。國外，日本學(xué)者菅原正巳博士1961年提出了水箱模型又稱坦克模型，該模型能以比較簡單的形式來模擬徑流形成過程，把降雨轉(zhuǎn)化為徑流的復(fù)雜過程簡單的歸納為流域的蓄水量與出流的關(guān)系進(jìn)行模擬，具有很強的適用性。1971年美國環(huán)境保護署開發(fā)了暴雨洪水管理模型SWMM模型16-17，該模型是集水文水力水質(zhì)模擬于一體，程序采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有模擬復(fù)雜下墊面條件的城市流域的雨洪，河道排洪澇模擬及對城市水質(zhì)進(jìn)行預(yù)報。1983年美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)了降雨徑流模擬系統(tǒng)PRMS模型，該模型可以模擬一般的降水、極端降水及融雪過程的水量平衡關(guān)系、洪峰及洪峰流量、日平均徑流、洪水過程等的變化。1980年美國環(huán)境保護署發(fā)布HSPE的水文模型，該模型用于大流域范圍內(nèi)自然和人工條件下的水系中水文水質(zhì)過程的連續(xù)模擬。20世紀(jì)70年代，瑞典國家水文氣象局開發(fā)了HBV水文模型，應(yīng)用尺度可以從小流域到大尺度流域，先后在世界上40多個國家得到運用。分布式、半分布式水文模型主要有：1979年，Beven很Kirkby提出了以地形為基礎(chǔ)的半分布式流域水文模型TOPMODEL模型18，該模型結(jié)構(gòu)簡單，優(yōu)選參數(shù)少，是一個入門級的分布式流域水文模型，該模型可以以GIS系統(tǒng)結(jié)合，運用較為廣泛。1986年由美國、法國和丹麥的科學(xué)家聯(lián)合研發(fā)了SHE模型19，該模型是一個最早和最具代表性的分布式水文模型。該模型物理機制強，在研究流域的水文響應(yīng)機理以及考慮未來土地利用和氣候變化的影響方面具有較大的優(yōu)勢。1998年美國農(nóng)業(yè)部研究中心開發(fā)了流域尺度的SWAT模型20，該模型功能十分強大，非常靈活，可以模擬大量的水循環(huán)、土壤侵蝕和非點源污染問題。該模型與GIS相結(jié)合，在國內(nèi)外得到廣泛運用。VIC模型21于1994年提出的大尺度陸面水文模型，可同時進(jìn)行陸-氣間能量平衡和水量平衡的模擬。在一個計算網(wǎng)格內(nèi)分別分別考慮了裸土及不同的植被覆蓋類型，并能同時考慮陸-氣間水分收支和能量收支過程。TOPKAPI模型22是基于DEM構(gòu)建的分布式水文模型，該模型物理機制強，通過幾個“結(jié)構(gòu)上相似的”非線性水庫方程來描述流域降雨-徑流過程中的不同的地形水文、水力學(xué)過程，主要模擬水文循環(huán)中的陸面水文過程。該模型在國外運用相當(dāng)廣泛，包括洪水預(yù)報、洪水極值分析、無資料地區(qū)洪水計算等方面。1.3.3SWAT模型的研究現(xiàn)狀SWAT模型是由美國農(nóng)業(yè)部的農(nóng)業(yè)研究中心開發(fā)的一個以日為步長的連續(xù)空間分布式水文模型，該模型具有較強的物理基礎(chǔ)，并集成到ArcGIS環(huán)境中，具有良好的用戶界面與較強的空間數(shù)據(jù)管理、分析和表達(dá)的能力，在眾多領(lǐng)域得以運用23。國內(nèi)，王中根24等人介紹了SWAT模型的原理，并把SWAT模型運用到甘肅省西部的黑河流域，對河流流域的日、月徑流經(jīng)行了模擬，日徑流過程模擬的效率系數(shù)達(dá)到0.83；李慧25等人運用SWAT模型模擬了山區(qū)瑪納斯河流域的日徑流，模擬的相對誤差為17%，Nash Sutcliffe效率系數(shù)為0.73，表明SWAT模型可以對流域日徑流進(jìn)行模擬；馮夏清26等人利用SWAT模型對烏格爾河流域進(jìn)行模擬，并分析未來氣候變化情景下河流流量的變化，結(jié)果表明SWAT模型可以很好地模擬烏格爾河流域的徑流變化過程，尤其是產(chǎn)沙量大的站點，模擬效率較高;郭曉軍27等人用SWAT模型模擬了典型泥石流流域蔣家溝流域的基流月徑流模擬和日徑流變化，模擬結(jié)果的Nash效率系數(shù)和相關(guān)系數(shù)都在0.7以上，SWAT模型可以用來對泥石流流域的降水徑流進(jìn)行預(yù)測預(yù)報。SWAT模型不僅可以對流域徑流進(jìn)行預(yù)測，還可以用來模擬流域非點源污染、泥沙輸送、流域水量平衡及水資源管理、土地利用變化及氣候變化等。張秋玲28運用SWAT模型對太湖流域的農(nóng)業(yè)非點源污染的氮、磷進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果較好，為太湖流域的污染管理提供了理論依據(jù)；龐靖鵬29等人運用SWAT模型，根據(jù)北京密云水庫流域90年代早、中、末期的土地利用變化對該流域的徑流和泥沙負(fù)荷進(jìn)行了模擬，研究了土地利用變化對流域徑流和泥沙負(fù)荷的影響。SWAT模型在國外得到廣泛運用，很多學(xué)者利用SWAT模型研究了流域的徑流、泥沙和營養(yǎng)物質(zhì)等的輸移。Lam等30人用SWAT模型對位于德國北部的Kielstau流域的硝酸鹽負(fù)荷進(jìn)行了模擬，逐日觀測數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)和驗證的系數(shù)都0.68-0.78，表明模型在該區(qū)運用效果較好。研究表明，農(nóng)業(yè)非點源污染主要來自硝酸鹽污染，在不同的子流域中，營養(yǎng)物負(fù)荷與農(nóng)田面積成正比，而與森林面積成反比。Mengistu等31人利用SWAT模型對美國Turkey Creey河流域采用STATSGO和SSURGO土壤數(shù)據(jù)集作為SWAT模型輸入模擬、水流水質(zhì)預(yù)測進(jìn)行了比較，研究表明SSURGO比STATSGO產(chǎn)生更多的徑流，而泥沙負(fù)荷則相反。Richards等32人將SWAT運用于美國德克薩斯州的北博斯基河流域，評價了該處的磷負(fù)荷削減50%的最佳農(nóng)業(yè)管理措施，同時將模型有效地運用于沃斯堡附近的瑪麗河，模擬歷史流量，并估算其泥沙、營養(yǎng)鹽負(fù)荷。1.3.4基于GIS的洪水演進(jìn)研究現(xiàn)狀洪水淹沒是一個復(fù)雜的過程，受多種因素控制，其中地形因素和洪水特征過程是影響洪水淹沒范圍的主要因素。洪水淹沒過程可以分為兩種：有源淹沒和無源淹沒。有源淹沒即整個地區(qū)大面積均勻降水的情形，所有低洼處都可能成為淹沒區(qū)。無源淹沒即高發(fā)洪水向鄰域泛濫，如洪水決堤，或局部暴雨引起的暴漲洪水向四周擴散33。近年來隨著計算機技術(shù)及GIS技術(shù)的高速發(fā)展，利用GIS強大的空間分析能力和可視化功能，模擬顯示洪水范圍一直是一個研究熱點。劉仁義等人利用GIS對復(fù)雜地形洪水淹沒區(qū)計算方法進(jìn)行了探討，根據(jù)地形高程和連通性進(jìn)行淹沒模擬和分析。丁志雄等34人利用GIS將DEM轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅尉W(wǎng)格后，建立單元水深數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行淹沒范圍計算。葛小平等4人采用地理信息系統(tǒng)(GIS)與水力演進(jìn)模型，結(jié)合三維模擬技術(shù)和對象關(guān)系模型數(shù)據(jù)庫，對浙江奉化江流域洪水淹沒范圍進(jìn)行模擬。陳鵬霄等35人結(jié)合空間數(shù)據(jù)和水文站點監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用Kriging插值方法及一維水力學(xué)模型，生成水面高程數(shù)據(jù)，來快速獲取洪水淹沒信息的空間分布。向素玉等36人基于GIS城市洪水淹沒模擬分析，根據(jù)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)及測地圓概念，研究設(shè)計了洪水?dāng)U散范圍的“膨脹”模擬算法和淹沒范圍搜索算法。1.3.5HEC研究現(xiàn)狀HEC系列軟件是由美國陸軍工程兵團(USACE)水文工程中心開發(fā)的系列水文和水力軟件，業(yè)界一般稱為HEC模型，包括一系列的水文，水力學(xué)模型37。HEC-RAS可以進(jìn)行河道水力演進(jìn)模擬、河道水利工程設(shè)計等,HEC-RAS所需的河網(wǎng)幾何數(shù)據(jù)可以有HEC-GeoRAS生成。方園皓等38人介紹了HEC-RAS和HEC-GeoRAS的原理結(jié)構(gòu)及建模流程，并對南四湖下級進(jìn)行建模，利用模型對此洪進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明該模型對南四湖是適用的。王栢偉等39人把HEC-RAS模型在三峽庫區(qū)，模擬了1989年-2000年間209場洪水，并檢驗了洪水傳播時間。且將該模型應(yīng)用于三峽水庫2006年和2007年蓄水期庫區(qū)水位的模擬，結(jié)果表明，蓄水期水位變化過程得到了較好的模擬，對高水位的模擬誤差可控制在0.2米之內(nèi)。陳建峰40利用HEC-RAS、ArcView GIS耦合HEC-GeoRAS，模擬了黑河金盆水庫的設(shè)計洪水（P=1%）和校核洪水（P=0.5%）經(jīng)水庫調(diào)節(jié)后，在水庫下游河道和下游區(qū)域的演進(jìn)情況。周毅41利用HEC-RAS、ArcView GIS耦合HEC-GeoRAS,對疏勒河流域的昌馬水庫潰壩洪水演進(jìn)進(jìn)行了模擬。1.4研究現(xiàn)狀的評價對洪水預(yù)報的研究，國內(nèi)外學(xué)者分別從水文學(xué)和水力學(xué)預(yù)報對洪水進(jìn)行預(yù)報，借助現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及數(shù)學(xué)工具對洪水發(fā)生的概率及水量進(jìn)行了預(yù)測預(yù)報，大多都是基于歷史洪水資料對未來洪水情況進(jìn)行預(yù)測預(yù)報。對于降水徑流模擬，國內(nèi)外研發(fā)了一系列的水文模型，各具特點，從單純的經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷骄哂休^強物理機制的分布式水文模型，對于流域水文模擬的精度在不斷的提高，使水文模擬得到飛速發(fā)展。對于洪水演進(jìn)分析，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，從以前的河道計算圣維南方程到現(xiàn)在的各種現(xiàn)代方法，尤其是3S技術(shù)的發(fā)展，對洪水演進(jìn)起了極大的推進(jìn)作用，利用3S技術(shù)可以對洪水進(jìn)行實時監(jiān)測，使洪水演進(jìn)淹沒可視化成為可能，大大提高了洪水演進(jìn)分析精度及防洪調(diào)度部門的決策管理效率。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，科學(xué)準(zhǔn)確的預(yù)測預(yù)報洪水，提高洪水預(yù)報精度，迫切需要建立完整的洪水預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)。而目前的洪水預(yù)測預(yù)報研究，很少與氣象耦合，建立起降水-徑流-洪水淹沒演進(jìn)為一體的洪水預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)。1.5研究主要內(nèi)容及方法在洪水預(yù)報及洪水演進(jìn)問題上，目前雖然取得了一系列的成果，但還遠(yuǎn)未達(dá)到成熟的地步。本文就是在前人的基礎(chǔ)上，針對黃陵縣建莊川典型泥石流區(qū)的特點，和地形狀況來研究降水-徑流-洪水演進(jìn)狀況，從洪水預(yù)測預(yù)報方法上有所進(jìn)步，洪水預(yù)報研究提供新思路。本文主要研究內(nèi)容如下：（1）由地形圖建立建莊川流域DEM數(shù)據(jù)，利用SWAT模型把建莊川流域劃分成一系列子流域，根據(jù)實測氣象、徑流數(shù)據(jù)及流域土地利用圖、土壤類型圖構(gòu)建建莊川流域降水-徑流模型，并對該模型進(jìn)行校準(zhǔn)和敏感性分析，以日為時間步長模擬該流域徑流量，得到各子流域出口處的徑流量。根據(jù)氣象部門的降水預(yù)報，對該流域未來的徑流量進(jìn)行模擬預(yù)報研究。（2）本文擬運用HEC-GeoRAS耦合ArcView GIS根據(jù)建莊川數(shù)字地形模型（DTM）提取該流域河網(wǎng)的幾何數(shù)據(jù)，把提取的幾何數(shù)據(jù)導(dǎo)入到HEC-RAS中，建立該區(qū)的河道洪水演進(jìn)模型，對不同降雨條件下的洪水進(jìn)行演進(jìn)模擬，得到各種降水情景下的河道水面水位及水面線數(shù)據(jù)。把HEC-RAS模擬的河道洪水演進(jìn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到HEC-GeoRAS中，并在GIS中進(jìn)行3維顯示研究，得到各種情景下的洪水淹沒范圍及水深分布圖。（3）運用該模型，研究建莊川典型泥石流流域產(chǎn)生洪水淹沒的臨界降雨量及根據(jù)未來降雨預(yù)報預(yù)測該區(qū)的洪水淹沒。本研究的最終目標(biāo)是，形成一整套預(yù)報洪水淹沒的方法，探求研究區(qū)出現(xiàn)洪水淹沒村莊時的臨界降雨量。根據(jù)不同頻率的降水量，模擬研究區(qū)的淹沒范圍，評價不同頻率的洪水的危險性，為防洪調(diào)度部門的防洪決策提供依據(jù)，為沿岸居民、單位的選址及防洪河堤的修建提供依據(jù)。1.6.本研究的特色本研究將在前人研究的基礎(chǔ)上，針對典型泥石流流域建立基于降雨-徑流模型預(yù)報洪水淹沒。主要創(chuàng)新點有：（1）利用SWAT模型模擬典型泥石流流域的降水-徑流，使得氣象與洪水預(yù)報相結(jié)合。（2）利用HEC-RAS模型，對河道洪水演進(jìn)進(jìn)行研究，從給定流量對洪水演進(jìn)進(jìn)行分析，為洪水演進(jìn)分析提供了一種新的思路方法。（3）利用GIS對洪水淹沒進(jìn)行可視化顯示，較精確的得到洪水淹沒范圍和水深分布，為災(zāi)后評估提供依據(jù)。（4）本研究建立了從降雨到洪水演進(jìn)的一整套系統(tǒng)方法，為洪水預(yù)測預(yù)報提供新思路。第二章研究區(qū)概況2.1 自然地理概況建莊川流域位于陜西省延安市黃陵縣城西南部。東經(jīng)10804651.88”-1090212.75”,北緯3502052.48”-3503422.02”東臨宜君縣，西南與旬邑相鄰，南與銅川市相接。該流域東西長24.79Km,南北寬21.82Km,流域總面積342.78km2。2.1.1流域水系特征建莊川河全長31.27公里，屬于沮河第二大支流，由西南山區(qū)流向東北黃土溝壑區(qū)，在店頭鎮(zhèn)注入沮河，流域總面積342.78 km2。建莊川河河道彎曲、河流縱比降大，比降為13.4%，支流較多，呈樹枝狀分布，主要有西溝、曹河、草坪河、窯河。具體水系分布如圖1所示。圖1 建莊川流域水系分布圖2.1.2地質(zhì)地貌建莊川流域?qū)俚蜕角鹆甑孛矃^(qū)，地勢西高東低，海拔高度從1000米-1600米。建莊川河兩岸發(fā)育有一、二級河流階地，一級階地分布較廣，階地寬度從30米-100米，階地高出河谷5-10米，近東西走向。建莊川流域?qū)俣鯛柖嗨沟嘏_的一部分，主要地層有K1白堊系志丹群砂礫巖夾砂巖，頁巖及煤線地層，主要分布在流域南部;流域北部分布有Q2+3離石組黃土與馬蘭組黃土餅層。黃土堆積覆蓋整個流域，黃土堆積厚度呈愈向東愈厚，西部缺乏連續(xù)的黃土披覆。由基底古地貌以及現(xiàn)代流水侵蝕的影響,該區(qū)嶺谷交織,山戀重迭,起伏不平。2.1.3氣候建莊川流域地處內(nèi)陸,屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。年平均氣溫9.30C，平均最高氣溫27.50C，極端最高溫36.5。冬季(122月)和夏季(68月)氣溫較穩(wěn)定,春季升溫急劇,秋季降溫迅速。最冷月1月,平均氣溫4.7,最熱月為7月,平均氣溫21.9，無霜期172天，年日照時數(shù)平均為2528.4小時。建莊川流域自然降水量呈明顯的季節(jié)性和區(qū)域性變化,降水變率較大,雨量不足。據(jù)19711985年氣象資料統(tǒng)計,年平均降水量775.2毫米,(80%保證率440.1毫米),最大1037.2毫米(1975),最小431.7毫米(1977),相差605.5毫米。年蒸發(fā)量平均1375.9毫米,相當(dāng)降雨量的2倍多,最大月份為五月蒸發(fā)199.1毫米;最小月是1月45.5毫米。由于受地理位置、大氣環(huán)流、森林植被和海拔高度等因素影響,年降水量由西向東遞減。降水量在年內(nèi)和年際變化較大，夏季平均集中占全年51%,秋季占25%,春季占18%,冬季占6%。每年從四月份開始,降水迅速增加,7、8、9三個月為相對多雨月。12月到1、2月份降水顯著偏少,相差349.5毫米。大于50毫米的暴雨平均每年1次，大于60毫米的暴雨兩年出現(xiàn)一次，大于100毫米的暴雨十五年僅1次。2.1.4水文建莊川河平均流量為0.655立方米/秒,多年平均流量2065萬立方米,多年平均輸沙量5.66萬噸。該河屬季節(jié)性河流,平時流量較少,主要徑流集中在7、8、9三個域，且豐枯懸殊。五年一遇豐水年年徑流量2714萬立方米，兩年一遇平水年年徑流量1879萬立方米，四年一遇干旱年年徑流量1090萬立方米，二十年一遇干旱年年徑流量835萬立方米。2.1.5土壤與植被建莊川流域主要土壤類型有黃綿土、褐土、灰褐土、潮土及水稻土這五類土壤，其中黃綿土主要分布在流域的下游的南邊，占流域面積的8.9%；灰褐土主要分布在流域的下游的北邊，占流域面積的9.5%；褐土分布在流域的大部分區(qū)域，主要集中分布在流域的西部，占流域面積的81.4%。此外，在流域的河谷兩岸部分地區(qū)分布有潮土及水稻土，占流域面積的0.2%。建莊川流域森林覆蓋率為81.3%，由于受自然環(huán)境和人為因素的影響,林木分布特點呈現(xiàn)出:陰坡林多,陽坡林少;萌生林多,實生林少;闊葉林多,針葉林少;混交林多、純林少;林下灌木多,林分密度小;林相不齊。因而,生長慢、產(chǎn)量低、密度小,蓄積少。密林、疏林、灌叢、草地、林中空地等常鑲嵌分布,且垂直分布不明顯。主要樹種有油松、側(cè)柏、刺槐等。2.2 社會經(jīng)濟與水資源開發(fā)利用概況流域內(nèi)有8個行政村，15個居民小組，764戶居民，3567人。當(dāng)?shù)氐V產(chǎn)資源豐富，有煤、水晶石、石灰石、砂巖、泥巖、紅沙等地下礦藏。已探明的煤炭資源面積145平方公里，地質(zhì)儲量7.3億噸，屬“渭北黑腰帶”煤田，是陜西四大煤田之一。當(dāng)?shù)匾杂衩住⑺痉N植為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，突出品種優(yōu)良化、農(nóng)具機械化、田間管理科學(xué)化、水稻產(chǎn)業(yè)化，全區(qū)共種植玉米3180畝，其中地膜玉米2140畝，共種植水稻876畝。自2002年退耕還林實施以來，現(xiàn)已完成設(shè)計面積營造生態(tài)林共計1175.8畝，（2002年營造林530畝，2003年445.8畝，2004年200畝），涉及農(nóng)戶245戶，從2002年至 2005年已兌現(xiàn)糧款共計47.34萬元。建莊川流流水資源豐富，圍繞水稻產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，在全流域范圍內(nèi)共建堰塘4座，水庫1座，灌溉面積1536畝，人均水地營0.52營/人。同時該區(qū)實施了人蓄飲水工程，河道改造，灌渠建設(shè)綜合治理工程及能源沼氣池建設(shè)。具體水資源開發(fā)利用圖如圖2所示圖2 水資源利用圖第三章研究區(qū)基礎(chǔ)資料處理3.1 數(shù)據(jù)處理3.1.1DEM數(shù)據(jù)處理數(shù)字地形模型(DTM)是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。數(shù)字地形模型中地形屬性為高程時稱為數(shù)字高程模型(DEM，DigitalElevationModel)，高程是地理空間的第三維坐標(biāo)。由于傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是二維的，數(shù)字高程模型的建立是一個必要的補充。DEM通常用地表格則網(wǎng)格單元構(gòu)成的高程矩陣表示，廣義的DEM還包括等高線、三角網(wǎng)等所有表達(dá)地面高程的數(shù)字表示。本研究區(qū)的柵格DEM來自中國地質(zhì)調(diào)查局西安地調(diào)中心，數(shù)據(jù)分辨率30米。對DEM數(shù)據(jù)的處理實質(zhì)是對DEM中的地形凹陷區(qū)進(jìn)行削峰填洼處理消除誤差?；静僮鬟^程為洼地的識別判斷和填充。由于重力的存在，使得在自然狀態(tài)下的水始終向低洼處流動，在遇到洼地時則會先將洼地填滿，然后在從洼地的最低出口處流出，因而從未經(jīng)處理的DEM中提取的河網(wǎng)常常是不連續(xù)的與實際不相符合42。同時，由于DEM水平和垂直分辨率的限制及DEM生成過程中的系統(tǒng)誤差也會存在DEM表面凹陷區(qū)，影響水系的提取效果。因此，利用DEM進(jìn)行提取水系時，首先應(yīng)對DEM進(jìn)行填洼處理，生成無洼地的DEM。本研究區(qū)在黃陵縣建莊川流域，假設(shè)整個研究區(qū)的DEM為可填充型的。利用ArcGIS中的ArcHydro Tools工具對流域DEM進(jìn)行填洼處理，生成的無洼地的DEM如圖3所示。圖3 建莊川流域填洼后DEM圖3.1.2土地利用數(shù)據(jù)處理土地利用類型對于應(yīng)用SWAT模型模擬徑流尤為重要，土地利用類型的編碼是進(jìn)行降雨徑流模擬的計算的基礎(chǔ)，本研究所需土地利用數(shù)據(jù)來源于中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，采用的是1986和2000年的1:10萬土地利用矢量數(shù)據(jù)。根據(jù)研究需要，對獲取的土地利用類型圖沿流域邊界進(jìn)行剪切，并以土地類型代碼字段為值（Value）轉(zhuǎn)化為柵格GRID格式。流域具體土地利用分布如圖4所示圖4 建莊川流域土地利用類型圖3.1.3土壤數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)來源于中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心的1：:100萬土壤類型矢量圖，根據(jù)研究需要對獲取的矢量圖沿流域邊界進(jìn)行切割，并與土壤類型代碼字段為值（Value）轉(zhuǎn)化為柵格GRID格式。然后建立土壤類型查詢表文件，對其進(jìn)行重分類，最終得到模擬的土壤類型。土壤類型及分布見圖5所示圖5 建莊川流域土壤類型分布圖3.2 數(shù)據(jù)庫的建立SWAT模型在美國數(shù)據(jù)調(diào)查的條件下建立的。因此，在運用時需要構(gòu)建適合研究區(qū)的數(shù)據(jù)庫，這就需要對SWAT模型自帶的數(shù)據(jù)庫做一定的修改，尤其是用戶需要建立自己的土壤屬性數(shù)據(jù)庫。同時，還需對土地利用的編碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換。對于氣象發(fā)生器，用戶需要根據(jù)研究區(qū)的實測氣象數(shù)據(jù)，構(gòu)建適合研究區(qū)的氣象發(fā)生器。本研究所有輸入數(shù)據(jù)均采用的是Albers等積圓錐投影系統(tǒng)參考橢球體為Krasovsky。3.2.1土地利用屬性數(shù)據(jù)庫土地利用數(shù)據(jù)在建模時需要將數(shù)據(jù)源的分類代碼轉(zhuǎn)化成SWAT能夠識別的代碼。表1統(tǒng)計了建莊川流域內(nèi)土地利用/覆被類型與SWAT內(nèi)部代碼的對應(yīng)情況。同時建立土地利用連接表，使土地利用圖與SWAT模型的土地利用數(shù)據(jù)庫能夠相連接。表1 建莊川流域植被覆蓋類型轉(zhuǎn)換表編碼土地利用類型SWAT模型中的名稱SWAT模型中的代碼21有林地22灌木林地Forest-MixedFRST23其它林地16疏林（灌木）Range-Brush RNGB31高覆蓋度草地32中覆蓋度草地PASTURE PAST33低覆蓋度草地3.2.2土壤屬性數(shù)據(jù)庫SWAT模型中用到的土壤數(shù)據(jù)主要包括：物理屬性數(shù)據(jù)和化學(xué)屬性數(shù)據(jù)。物理屬性主要包括土壤分層數(shù)、各層厚度、土壤顆粒組成、土壤水文分組、飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)等?；瘜W(xué)屬性主要是土壤中氮、磷的初始濃度。土壤的物理屬性決定著土壤剖面中水和氣的運動狀況，并對各個水文響應(yīng)單元中的水循環(huán)起著重要作用。土壤的化學(xué)屬性主要用來給模型賦初始值，用來模擬水質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化傳輸問題。其中物理屬性是必需的，化學(xué)屬性是可選的。由于本文是針對流域的徑流量模擬，不涉及水質(zhì)問題，所以主要是確定土壤物理屬性數(shù)據(jù)。一般來說，國內(nèi)可獲得的數(shù)據(jù)難以滿足構(gòu)建SWAT土壤庫的要求。為此，土壤可利用有效水量，飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)等參數(shù)可根據(jù)土壤顆粒組成(美制)以及土壤有機質(zhì)采用由美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的土壤水特性計算程序SPAW進(jìn)行估算，估算結(jié)果可以初步反映出這些土壤參數(shù)的空間分布特征，最終結(jié)果還需在模型率定過程中進(jìn)行調(diào)整。建莊川流域包括3種土壤類型：黃綿土、褐土和灰褐土。3.2.3氣象信息數(shù)據(jù)庫降雨量、平均氣溫和太陽輻射量等參數(shù)對水文過程、作物生長和養(yǎng)分降解、轉(zhuǎn)化都具有重要影響。其中，連續(xù)的逐日降雨量、日氣溫等氣候資料對模型的模擬效果將會產(chǎn)生顯著影響。然而實際中，由于監(jiān)測站點數(shù)量少、數(shù)據(jù)資料的缺失等原因以及為了模擬氣候變化對水文過程的影響，有必要構(gòu)建一種用于模擬給定氣候條件下的天氣發(fā)生器。天氣發(fā)生器的主要輸入?yún)?shù)有日降雨量、日最高和日最低氣溫、太陽輻射量、平均相對濕度和日平均風(fēng)速等，經(jīng)過實測資料的統(tǒng)計分析計算得出多年月平均氣候特征值。流域的水文氣象數(shù)據(jù)選取 2008-2009年的數(shù)據(jù)，站點位置見圖1。氣象數(shù)據(jù)采用黃陵縣腰坪鄉(xiāng)氣象站逐日的最高和最低氣溫、相對濕度、風(fēng)速、太陽輻射；降水量采用了降水系列資料較長的雨量站的日監(jiān)測數(shù)據(jù)；水文數(shù)據(jù)采用黃陵縣水文站實測的徑流量數(shù)據(jù)。水文和降水?dāng)?shù)據(jù)由陜西省水文局提供，氣象數(shù)據(jù)由陜西省氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)中心提供。以上資料經(jīng)手工錄入到Excel后，均按模型要求以DBF格式文件存貯。第四章基于SWAT的黃土高原典型泥石流區(qū)域徑流模擬4.1 SWAT模型簡介SWAT（Soil and Water Assessment Tools）是由美國農(nóng)業(yè)部(USDA)農(nóng)業(yè)研究中心(ARS)開發(fā)的流域尺度的分布式水文模型，模型開發(fā)的最初目的是為了預(yù)測在大流域復(fù)雜多變的土壤類型、土地利用方式和管理措施條件下，土地管理對水分、泥沙和化學(xué)物質(zhì)的長期影響43。SWAT模型能夠?qū)⒘饔騽澐譃槎鄠€子流域，同時根據(jù)流域土地利用、土壤類型及坡度分布將子流域劃分為多個水文響應(yīng)單元。模型能夠同時計算數(shù)百個子流域，能模擬層間流，地下水流，河段演算輸移損失和通過池塘、水庫、河流、山谷運動的泥沙及營養(yǎng)物的傳輸和轉(zhuǎn)化。該模型可以讀入觀測的流量數(shù)據(jù)和點源數(shù)據(jù)，還可以用于資料缺失地區(qū)的模擬。SWAT模型具有較強的物理基礎(chǔ)，它能夠充分利用GIS和RS提供的空間信息及流域內(nèi)的天氣和土地管理特定信息，模擬復(fù)雜大流域中多種不同的水文物理過程。流域的徑流、泥沙輸送、作物生長和營養(yǎng)成分循環(huán)等物理過程等都在模型中直接反映，因此SWAT模型不當(dāng)可以應(yīng)用到缺乏流量觀測的流域，而且可以用于對象管理措施、氣象條件、植被覆蓋的變化對徑流、水質(zhì)等影響的定量評價44。4.1.1SWAT模型的發(fā)展SWAT模型主要是基于SWRRB，并吸收了CREAMS、GLEAMS、EPIC和ROTO的主要特征。自20世紀(jì)90年代初開發(fā)以來，已經(jīng)經(jīng)歷了不斷的擴展。先后推出了94.2版、96.2版本、98.1版本、99.2版本、2000版本、及2005版本。尤其是，98年分別推出了GRASS和Arcview這兩個GIS軟件集成的版本。在SWAT2005版本中，改進(jìn)了殺蟲劑輸移模塊；增加了天氣預(yù)報情景分析；增加了日以下步長的降水量發(fā)生器；使在計算每日CN值時使用的滯留參數(shù)可以是土壤水容量或者植物蒸散發(fā)的函數(shù)；同時增加了參數(shù)敏感性分析和參數(shù)自動率定與不確定性分析模塊。除了這些SWAT的改進(jìn)版本之外，很多學(xué)者針對各自研究區(qū)域的特點，對SWAT模型進(jìn)行了改進(jìn)以適應(yīng)不同的研究情況。主要的改進(jìn)形式有SWIM、SWATMOD、SWAT-G和E-SWAT等。SWIM模型是基于SWAT模型和MATSALU模型，并且與RASS集成。由于SWAT模型在地下水模塊采用的是集總式的，因此Krysanova等45人結(jié)合SWAT模型和MODFLOW模型的長處，開發(fā)了SWATMOD模型。Eckhardt等46人在研究德國中部低山區(qū)時，基于研究區(qū)域主要為陡坡和淺層土壤含水層覆蓋在堅硬基巖上，對地下水的徑流貢獻(xiàn)相對較小，產(chǎn)流主要以壤中流為主的特點，修改了SWAT模型中滲透和壤中流的計算公式，開發(fā)了SWAT-G模型。Griensven等47人把QUAL2E模塊集成到SWAT模型中，增強了SWAT模型的水質(zhì)模擬功能開發(fā)了ESWAT模型。迄今為止，SWAT工作組、流域水文模型的研究者及SWAT模型用戶已經(jīng)召開了5次國際研討會。第一次于2001年在德國吉森召開，第二次于2003年7月在意大利巴里召開，第三次于2005年在瑞士蘇黎世召開，來自世界27個國家的學(xué)者參加了這次會議，并討論了SWAT模型的經(jīng)驗技巧，以及對SWAT模型的改進(jìn)等。第四次于2007年在荷蘭代夫特召開，第五次與2008年10月在中國北京召開，探討了SWAT模型的發(fā)展及應(yīng)用。4.1.2SWAT模型原理SWAT模型用來模擬地表水和地下水的水量和水質(zhì)，長期預(yù)測人類活動對水、沙、農(nóng)業(yè)、化學(xué)物質(zhì)的長期影響。作為一個分布式的水文模型，SWAT模型首先將整個流域按一定的流域集水面積閥值劃分成若干的子流域。在此基礎(chǔ)上，模型根據(jù)土地利用、土壤類型和坡度組合閥值生成一系列的水文響應(yīng)單元（HRU）。對于每個水文響應(yīng)單元，模型將按照概念模型對其估算凈雨、計算徑流和產(chǎn)沙、營養(yǎng)物的轉(zhuǎn)移產(chǎn)量，然后對河道進(jìn)行匯流演算，營養(yǎng)物的傳輸及轉(zhuǎn)化，最后得到出口處的流量、泥沙產(chǎn)量和營養(yǎng)物質(zhì)負(fù)荷。模型的整個模擬過程可以分為兩大部分：子流域模塊（產(chǎn)流和坡面匯流部分）和河道演算模塊。前者控制著每個子流域的徑流、泥沙、營養(yǎng)化學(xué)物質(zhì)的產(chǎn)量，并輸入到其自流域的主河道中，后者決定水、沙、營養(yǎng)物質(zhì)從河網(wǎng)向流域出口的轉(zhuǎn)移運動及符合演算的匯總過程48。SWAT模型是一個集成和系統(tǒng)化的龐大模型體系，它由732個方程、1013個中間變量組成的綜合模型體系，SWAT模型就是通過整個龐大的模型體系把實際中大多數(shù)的地理因素和相當(dāng)多的物理化學(xué)過程聯(lián)系在一起。SWAT模型主要包括三個子模型：水文過程子模型、土壤侵蝕子模型和污染物負(fù)荷子模型。流域水文循環(huán)可分為兩大部分：水文循環(huán)的陸地階段和水文循環(huán)的河道演算階段。陸地水文循環(huán)是水、沙及營養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)出的過程，水文循環(huán)河道演算是水、沙及營養(yǎng)物質(zhì)從流域河網(wǎng)到流域出口的傳輸過。4.1.2.1水文循環(huán)的陸地階段SWAT模型的水文循環(huán)陸地階段主要由以下幾部分組成：氣候、水文、泥沙、作物生長、土壤溫度、營養(yǎng)物、殺蟲劑和農(nóng)業(yè)管理。模擬的水文循環(huán)基于水量平衡，水文模塊的模擬內(nèi)容見圖6所示。圖6 SWAT模型的水文循環(huán)過程（1）SWAT模型的模型的水文循環(huán)的水量平衡方程： （4-1）式中：為土壤最終含水量（mm）,為土壤前期含水量（mm），t為時間不長（day）,為第i天的降雨量（mm）,第i天的地表徑流量（mm）,第i天的蒸發(fā)量（mm）,為第i天存在土壤剖面地層的滲透量和側(cè)流量(mm),為第i天地下水的出流量（mm）。（2）氣候因素流域氣候因素控制著水量平衡，并決定了水循環(huán)中不同要素的相對重要性。SWAT模型的氣候因素變量需要的氣候變量有日降水、最高/最低氣溫、太陽輻射以及風(fēng)速和相對濕度。這些變量可以通過模型的氣侯發(fā)生器自動生成，也可直接輸入實測數(shù)據(jù)。SWAT模型采用偏態(tài)馬爾科夫鏈模型或指數(shù)馬爾科夫鏈模型生成日降水，采用正態(tài)分布生成溫度和太陽輻射，采用修正指數(shù)方程生成日平均風(fēng)速，相對濕度模型采用三角分布，并且氣溫、 和相對濕度均根據(jù)干濕日進(jìn)行調(diào)整。（3）水文因素地表徑流：地表徑流的計算可以采用SCS曲線方法或Green&Ampt方法計算。徑流峰值的模擬通過修正的Rations Formula方法和SCS TR-55方法計算49。在降雨徑流關(guān)系上，SCS模型考慮流域下墊面的特點，如土壤、坡度、土地利用及時空變化對降雨徑流關(guān)系的影響，可以應(yīng)用于無資料流域，該模型還充分考慮了人類活動對徑流的影響。CSC模型的降雨-徑流基本關(guān)系表達(dá)式：（4-2）式中：為一次性降水總量（mm）;為徑流總量（mm）;初損（mm）;為后損（mm）;為流域當(dāng)時的最大可能滯留量（mm）。根據(jù)水量平衡原理有： (4-3)前期初損量受土地利用、耕作方式、灌溉條件、枝葉截留、下滲、填洼等因素的影響，它與土壤飽和儲水量呈一定的正比關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗，模型開發(fā)者提出最合適的系數(shù)為0.2，即：（4-4）結(jié)合式（4-2）、（4-3）、（4-4）求的徑流總量，同時考慮到初損未滿足時不產(chǎn)流，得到：(4-5)流域當(dāng)時的最大可能滯留量在空間上與土地利用方式、土壤類型和坡度等下墊面因素密切相關(guān)，變化幅度較大，不變?nèi)≈怠榱私鉀Q這個問題，模型引入了一個無因次參數(shù),其具體計算關(guān)系如下：(4-6)值是反映前期降雨量流域特征的一個綜合參數(shù)。有上式知，只要知道降雨量和值就能計算徑流量，降雨量數(shù)據(jù)是易獲取的，而值是計算的關(guān)鍵因素。下滲：SWAT模型采用土壤蓄量演算法來計算植物根部帶每層土壤之間的水的流動。如果土壤層的含水量超過了田間持水量，而且下層土壤含水量沒有達(dá)到飽和狀態(tài)，就會存在水的下滲運動，流動速率由土壤層的飽和導(dǎo)水率來控制；當(dāng)下層土壤含水量超過了田間持水量，就會存在水的向上流動，這一過程由上下兩層土壤含水率和田間持水量的比例來調(diào)節(jié)。壤中流：對于壤中流計算，SWAT模型采用動態(tài)蓄量模型進(jìn)行計算，并假定只有在水分到達(dá)田間持水量之后才產(chǎn)流，最大產(chǎn)流量為田間持水量的部分。蒸散發(fā)：SWAT模型的蒸散發(fā)把土壤蒸發(fā)、水面蒸發(fā)和植被蒸騰分開來模擬的。潛在蒸散發(fā)的計算是實際蒸散發(fā)的基礎(chǔ)，潛在土壤水蒸發(fā)由潛在蒸散發(fā)和葉面指數(shù)估算。實際土壤蒸發(fā)用土壤厚度和含水量的指數(shù)關(guān)系式計算。植物蒸騰由潛在蒸散發(fā)和葉面指數(shù)的線性關(guān)系式計算。潛在蒸散發(fā)有三種計算方法：Penman-Monteith法，Priestley-Taylor法和Hargreaves法。SWAT模型中三種方法需要的輸入項不同：Penman-Monteith法需要太陽輻射、氣溫、相對濕度和風(fēng)速；Priestley-Taylor法需要太陽輻射、氣溫和相對濕度；Hargreaves法只需要氣溫。（4）土地利用/植被生長SWAT模型采用簡化的EPIC植物生長模型來模擬所有植被覆蓋類型。模擬區(qū)的植被分為一年生和多年生植物。植被生長模型用來評價水分和營養(yǎng)物質(zhì)從根系區(qū)的遷移、蒸發(fā)及作物產(chǎn)量。（5）侵蝕SWAT模型采用修正的通用土壤流失方程(MUSLE)來計算每個水文響應(yīng)單元的侵蝕量和泥沙負(fù)荷。修正的通用土壤流失方程公式如下： (4-7)式中：為土壤侵蝕量（t）;為地表徑流（mm）;為洪峰徑流（）為土壤侵蝕因子；為植被覆蓋和作物管理因子；為水保因子；為地形因子。4.1.2.2水文循環(huán)的河道演算階段水文循環(huán)的河道演算階段即河道匯流部分，主要考慮水量、泥沙、營養(yǎng)物和殺蟲劑負(fù)荷在河網(wǎng)中的輸移，主要包括主河道及水庫的匯流計算。（1）主河道匯流主河道演算包括4部分：水、泥沙、營養(yǎng)物和殺蟲劑。隨著水流向下流動，一部分通過蒸發(fā)損失及河床流失，一部分被人類取用，河道洪水量演算采用變量儲存系數(shù)法和Muskingum法計算。（2）水庫演算水庫水量平衡：包括水庫入流、出流、水面降水、蒸發(fā)、庫底滲漏、引水和回歸流。對于水庫出流，SWAT模型提供三種估算方法：簡單的讀入實測出流數(shù)據(jù)，對于不受控制的小水庫，需要規(guī)定一個特定的泄流速率，對于大水庫，采用月目標(biāo)水量方法。4.1.3SWAT模型的結(jié)構(gòu)和運行控制SWAT具體計算涉及到：地表徑流、地下水、土壤水和河道演算，具體結(jié)構(gòu)圖見圖7.圖7 SWAT模型運算結(jié)構(gòu)圖4.2 模型對DEM分辨率和積水面積閾值的敏感性分析4.2.1不同DEM分辨率和集水面積閾值下的地形參數(shù)提取SWAT模型在劃分子流時，對不同分辨率的DEM和不同的集水面積閥值對地形因子會產(chǎn)生不同的影響。下圖給出了不同集水面積閥值和不同分辨率劃分子流域的情景。圖8 30米分辨率DEM，集水閥值200ha時的子流域劃分圖圖9 30米分辨率DEM，集水閥值1000ha時的子流域劃分圖圖10 30米分辨率DEM，集水閥值2000ha時的子流域劃分圖圖11 30米分辨率DEM，集