甘肃洮河流域水文气象动态及径流和水质驱动机制

在气候变化和人类活动密集的大环境下,流域水环境问题仍是当前国内外流域管理面临的严峻挑战之一。洮河流域是我国典型的高寒生态脆弱流域,研究洮河流域水文气象变化及水环境驱动机制对洮河流域水环境管理具有重要意义。本文通过统计、线性拟合和M-K趋势与突变检验对洮河流域1990—2018年间的降水和气温变化趋势特点及突变特征进行分析,并利用土地利用转移矩阵分析洮河流域1990年和2018年两期土地利用变化特征,揭示洮河流域水文气象动态特征。在此基础上,利用DEM、土地利用、土壤、气象数据等构建SWAT水文模型数据库,进行洮河流域径流和水质的月尺度模拟。模型将洮河流域划分为24个子流域,气象数据同时输入气温、降水量、相对湿度、风速和太阳辐射,并通过SWAT-Weather构建天气发生器。径流模拟时段1988—2018年,设置1988—1989年为预热期;水质模拟由于实测数据有限,DO模拟时段2015—2018年,NH_(3)-N模拟时段2018年全年。模拟率定与验证采用SWAT-CUP的SUFI-2校准方法,并选取R^(2)、NSE和PBIAS指标评价模型的模拟精度,为提高模拟的准确性,选取径流有关参数22个,水质有关参数37个。基于SWAT模型的模拟结果,利用产水量指标和Slope趋势分析洮河流域径流的时空变化趋势。最后,通过分别设定不同的降水、气温和土地利用类型输入条件,针对气候变化、土地利用变化以及气候和土地利用综合变化,进行情景模拟,并基于情景模拟结果分析洮河流域径流和水质的驱动机制。结果表明:(1)洮河流域近30年间,降水量年际变化浮动较大,整体呈上升趋势,线性趋势20.16 mm⋅(10a)^(-1),多年平均值为522 mm;气温无显著突变,整体呈上升趋势,线性趋势0.55℃⋅(10a)^(-1),多年平均值为5.09℃;洮河流域土地利用类型以耕地、草地和林地为主,各土地利用类型均发生变化,但面积变化较小。(2)SWAT模型对洮河流域长时间尺度的月值径流模拟精度较高,R^(2)和NSE基本维持在0.6以上,PBIAS绝对值保持在15%以内;对DO的月尺度短期模拟的精度较高,对NH_(3)-N的月尺度短期模拟的精度略低,但中、下游结果符合模拟精度要求。洮河流域上游的产水量最高,且增加的趋势较大,中下游产水量与产水量增加趋势呈负相关。(3)洮河流域内,径流的变化主要受降水量的控制,与降水量呈正相关;NH_(3)-N浓度的变化主要受气温的控制,与气温呈负相关;DO的浓度几乎不受降水和土地利用变化的影响,与气温呈负相关。