基于SWAT-MODFLOW的變化環(huán)境下渠井結(jié)合灌區(qū)地下水循環(huán)特征研究.pdf

1、探索變化環(huán)境下渠井結(jié)合灌區(qū)地下水循環(huán)特征，可為解決灌區(qū)現(xiàn)有地下水問題、地下水的合理調(diào)控及灌區(qū)地下水資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。本文選取典型渠井結(jié)合灌區(qū)—涇惠渠灌區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)灌區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行概化，并識(shí)別出了對(duì)其影響較大的變化環(huán)境因素。為了更真實(shí)地刻畫灌區(qū)水循環(huán)過程，構(gòu)建了灌區(qū)地表水-地下水耦合模型—SWAT-MODFLOW模型。在綜合考慮近35年各變化環(huán)境因素的變化特征及未來氣象要素變化趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，設(shè)定了兩種變化環(huán)境情景，并輸入

2、耦合模型，得到了兩種情景下渠井結(jié)合灌區(qū)地下水位變化特征。主要的研究結(jié)論如下:
　　(1)概化了涇惠渠灌區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)，指出降水、氣溫、渠灌引水量、地下水開采量、土地覆蓋類型是對(duì)水循環(huán)系統(tǒng)影響較大的變化環(huán)境因素;利用線性回歸趨勢(shì)檢驗(yàn)法和Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法研究了各因素在近35年的變化特征，結(jié)果表明，灌區(qū)年降水量呈不顯著下降趨勢(shì)，年均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，年渠灌引水量及年地下水開采量均呈顯著下降趨勢(shì)，灌區(qū)的種植結(jié)構(gòu)由以糧食作物為

3、主，轉(zhuǎn)變?yōu)榧Z食作物與經(jīng)濟(jì)果業(yè)并重的新模式。
　　(2)針對(duì)目前平原灌區(qū)SWAT模型空間離散化的難點(diǎn)問題，歸納、評(píng)述了目前研究中所用方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件;綜合考慮到?jīng)芑萸鄥^(qū)水系、渠系的逆匯流特性及輸配水管理等特點(diǎn)，利用ArcGIS軟件自定義了河網(wǎng)水系及子區(qū)，并通過Pre-defined操作導(dǎo)入SWAT，構(gòu)建了灌區(qū)SWAT模型;運(yùn)用水文相似原理，并借鑒已有成果，探究了缺乏徑流實(shí)測(cè)資料情況下的模型參數(shù)率定問題，對(duì)灌區(qū)SWAT模型進(jìn)行

4、了參數(shù)率定和模型驗(yàn)證，結(jié)果表明，率定期與驗(yàn)證期月平均地下水補(bǔ)給率均介于15％～32％之間，且實(shí)測(cè)蒸發(fā)量及模型輸出的潛在蒸散發(fā)量的決定系數(shù)R2在率定期與驗(yàn)證期分別是0.67及0.70，表明所建模型對(duì)于灌區(qū)地表水循環(huán)過程具有良好的模擬效果。
　　(3)在灌區(qū)水文地質(zhì)概念模型概化的基礎(chǔ)上，基于GMS軟件構(gòu)建了灌區(qū)MODFLOW模型;運(yùn)用ArcGIS軟件及SWAT-MODFLOW耦合程序，建立了灌區(qū)SWAT模型及MODFLOW模型最小計(jì)算

5、單元（HRUs及Cells）間進(jìn)行的變量傳遞的4個(gè)鏈接文本文件，構(gòu)建了灌區(qū)SWAT-MODFLOW模型，耦合模型參數(shù)率定及驗(yàn)證的結(jié)果表明，地下水位空間上分布特征與灌區(qū)實(shí)際流場(chǎng)相吻合，且7個(gè)觀測(cè)井月地下水位模擬值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)基本一致，整體擬合度較好。因此，構(gòu)建SWAT-MODFLOW模型在總體上能夠反映涇惠渠灌區(qū)的地下水循環(huán)特征。
　　(4)通過對(duì)灌區(qū)近30年來降水序列的頻率分析，確定了豐（2009年）、平(2001年)、枯（

6、2008年）3個(gè)典型年，并以各典型年作為基準(zhǔn)年，設(shè)定了未來2020s時(shí)期(2011～2040年）的兩種變化環(huán)境情景。情景Ⅰ:將3個(gè)典型年的降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)按前人采用SDSM模型對(duì)HadCM3在A2情景下的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)降尺度處理得到的涇河流域未來2020s時(shí)期月降水量和月平均日最高、最低氣溫的變化趨勢(shì)進(jìn)行處理;根據(jù)涇河流域SWAT模型預(yù)測(cè)的2020s時(shí)期涇河徑流量減小的幅度，將各典型年渠灌水量均減小10％，井灌水量分別增加14％（豐水年

7、）、13％（平水年）和11％（枯水年）;地下水開采量變化依據(jù)井灌水量的變化設(shè)置，即增加的井灌水量值作為地下水開采量的增加值;灌溉水利用系數(shù)設(shè)為0.65。情景Ⅱ:各典型年的降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)設(shè)置與情景Ⅰ相同;將各典型年渠灌水量均減小5％，井灌水量分別增加7％（豐水年）、6％（平水年）和6％（枯水年）;增加的井灌水量值作為地下水開采量的增加值;灌溉水利用系數(shù)設(shè)為0.65。
　　(5)依據(jù)設(shè)定的兩種環(huán)境情景數(shù)據(jù)，運(yùn)行已構(gòu)建的灌區(qū)SWAT-M

8、ODFLOW模型，模擬得到了未來2020s時(shí)期各典型年的地下水位變化及水流場(chǎng)分布。結(jié)果表明，與3個(gè)基準(zhǔn)典型年相比，2020s時(shí)期兩種情景下的3個(gè)典型年，灌區(qū)地下水位均呈下降趨勢(shì)，情景Ⅰ下降的幅度較情景Ⅱ大，且降幅由灌區(qū)西部到東部依次增大;豐水年各觀測(cè)井地下水位降幅最小為1.25m（情景Ⅰ）、0.75m(情景Ⅱ)，最大可達(dá)到12.93m（情景Ⅰ）、6.91m（情景Ⅱ）;平水年各觀測(cè)井地下水位降幅最小為0.75m（情景Ⅰ）、0.23m(情景