延河流域径流与非点源氨氮多时间尺度模拟研究

摘要

黄土丘陵沟壑区延河流域水土与养分流失严重,现有文献中涉及该流域年、月、日等多时间尺度非点源氮磷流失特征的相关研究较少.本文采用室内人工模拟降雨试验与SWAT模型模拟相结合的方法,揭示不同雨强下黄绵土裸坡径流、泥沙和氮素的流失规律,评估延河流域1984—2012年共计29年的年、月、日多时间尺度径流和氨氮变化特征,初步阐释不同时间尺度下径流与非点源氨氮负荷的多时间尺度效应.主要结论如下: (1)黄绵土在10°、15°和25°三种裸坡下的土壤入渗速率、坡面产流产沙量与降雨强度的线性拟合决定系数均大于0.8,有较好的正相关关系;25°坡面时,氮素流失与坡面产流量具有较强的线性相关性,与产沙量呈显著的幂函数关系;NO3--N初始浓度较高,随降雨历时呈波动性减少,具有明显的初期冲刷效应;NH4+-N初始流失浓度由90mm/h雨强下0.326mg/L增至120mm/h的0.384mg/L,但其浓度随降雨历时均不断减小;TN流失总浓度在雨强为90、105和120mm/h时分别为0.6056、0.8011和1.3076mg/L,随雨强增大而增大.15°坡面时,氮素流失在各雨强下均以颗粒态为主,平均约占72%,但在雨强增大过程中,颗粒态所占比例先减少后增加. (2)构建延河流域SWAT模型,并采用甘谷驿水文站控制区的年、月、日径流和年、月氨氮负荷对模型参数进行率定与验证.其中年、月径流率定、验证期分别为1984—1993年和1994—2000年,年率定纳什系数0.71,验证为0.66,月径流率定纳什系数0.68,验证为0.78;而日径流率定期为1991—1995年,纳什系数为0.57,验证期1996—2000年,纳什系数为0.58.氨氮评价采用1985—1987年的月负荷为率定数据,其决定系数为0.55,偏差百分比为-5.91%;采用1988—1989年氨氮月负荷为月验证数据,决定系数为0.74,偏差百分比为19.92%,同时将1985—1989年的氨氮年负荷作为年验证数据,其决定系数为0.75,偏差百分比为4.04%.模型的径流和氨氮模拟均满足精度要求,故建立的SWAT模型在该流域有较好的适用性. (3)1984—2012年间,年、季、月以及日尺度的径流与降雨量均有显著的正相关关系.其中,年径流与降雨量的相关系数高达0.92;径流的季节分配有显著差异,表现为:夏季＞秋季＞春季＞冬季,其中夏季径流占全年的44.2%;月径流与降雨量的相关系数为0.87,与季节分配趋势一致,径流先增加后减小,呈"单峰"趋势;日径流与降雨量的相关系数为0.72,呈逐年缓慢下降趋势;分析日径流历时曲线中发现,当径流大于20m3/s时,各阶段历时曲线趋势一致性极高,但在径流为1—20m3/s时,其变化趋势有明显差异.延河流域径流量与降雨量在年、季、月和日多时间尺度下的相关性排序为:夏季＞秋季＞年＞月＞春季＞日＞冬季;模型模拟方面,各时间尺度下的径流过程均呈逐年下降趋势,但其时间分异程度有所差异,其中,日径流分异程度最高,其次为月径流,而年径流的分异程度最低,三者时间变异系数分别为:2.41、1.17和0.18,基本呈时间尺度越大,时间分异程度越小的规律. (4)1984—2012年间,非点源氨氮最大流失量为235.1吨,最小54.15吨,其流失量受径流量影响最大,二者皮尔逊相关系数0.86.不同典型年氨氮流失差异较大,总体为:丰水年＞平水年＞枯水年.氨氮的季节性流失与降雨过程有一定同步性,表现为径流量越大,氨氮流失越多;而月负荷则与降雨和径流均有较强的相关性,并受径流的影响大于降雨,其流失量在7、8月较大,12月较小.非点源氨氮负荷在年、季、月、汛期和非汛期的分形维数均介于0—1之间,具有明显的分形特征;对各时间尺度的非点源氨氮做变异度分析,发现氨氮的时间变异度介于0.66—1.02之间,汛期变异度最大,为1.02,其次是年尺度的0.95,氨氮月负荷变异度为0.9,而次降雨过程为0.85,秋冬两季的氨氮流失变异度接近,非汛期氨氮流失随时间变异度最小,为0.66.

目录

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1基于SWAT模型的流域非点源污染研究

1.2.2黄土丘陵沟壑区非点源污染研究

第二章 研究内容与研究方法

2.1研究内容、目标及技术路线

2.2.1研究内容

2.2.2 研究目标

2.2.3技术路线

2.2 研究区概况

2.3研究方法

2.3.1人工模拟降雨试验

2.3.2 SWAT模型模拟

第三章 不同降雨强度下黄土裸坡氮素流失特征

3.1 不同雨强下场次降雨的坡面入渗特性和产流产沙分析

3.2 不同雨强下场次降雨的氮素流失过程分析

3.3不同雨强下径流泥沙对坡面养分流失量影响分析

3.4 本章小结

第四章 SWAT模型的延河流域径流、氨氮模拟

4.1 延河流域SWAT模型构建

4.1.1 延河流域基础数据库构建

4.1.2 子流域及HRUs划分

4.1.3 SWAT模型模拟方法

4.2 径流模拟参数敏感性分析、率定及验证

4.3 氨氮模拟参数敏感性分析、率定及验证

4.4 本章小结

第五章 基于SWAT模型的延河流域径流多时间趋势分析

5.1 模型模拟年径流的趋势性特征

5.2 模型模拟径流季节分配的变化特征

5.3 模型模拟月径流量与降雨量变化趋势

5.4 模型模拟日径流量趋势分析

5.5 延河流域径流的多时间尺度特征

5.6 本章小结

第六章 基于SWAT模型的延河流域氨氮模拟多时间变化特征

6.1延河流域非点源污染负荷分割方法

6.2 SWAT模型的非点源氨氮多时间变化规律

6.2.1 氨氮的年负荷变化

6.2.2 氨氮负荷的季节变化

6.2.3 氨氮的月负荷变化

6.3 延河流域水、沙、非点源氨氮多时间尺度变化特征

6.3.1 降雨、径流、泥沙和非点源氨氮的分形维数确定

6.3.2 降雨、径流、泥沙和非点源氨氮的时间尺度变异特征分析

6.4本章小结

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 主要创新点

7.3 需进一步开展的研究工作

参考文献

致谢

个人简历