论文总字数：17836字

目 录

1、绪论 1

1.1、研究目的和意义 1

1.2、国内外研究现状 1

1.3、本文主要研究内容 2

2、研究区域概况 3

3、流域要素的提取与分析 3

3.1、步骤和方法 3

3.2、流域的构建 4

3.3、小结与讨论 5

4、新安江模型 5

4.1、基本原理 6

4.2、参数分析 8

4.3、参数率定 9

4.4、研究数据 9

4.5、结果 10

4.6、小结与讨论 11

5、气候模式下的径流预测 11

5.1、气候模式情景 11

5.2、Mann-Kendall检验 12

5.3、研究数据 13

5.4、结果 13

5.5、小结与讨论 18

6、结论与展望 18

参考文献： 19

1、绪论

1.1、研究目的和意义

由于全球气候变暖的影响，我国洪水和干旱事件的发生频率明显增加，这将对地区的农事安排、防洪抗旱产生较大的影响，并对水利工程的建设与维护增加一定的难度。

珠江流域是我们国家的第二大流域，径流丰沛，资源丰富，其中西江是珠江流域的主干河流，也是重要的航运通道。^.近年来，有研究表明，上世纪90年代以来，西江流域内的洪涝与干旱事件频繁发生，给广西人民的生活带来很大危害，对下游的广东地区也有较大威胁。特别在21世纪以来，发生了好几次特大干旱与洪涝事件，对沿岸地区的农业生产造成巨大危害。同时，伴随着水污染问题的反复出现，人口数量的急剧增长，对水资源的合理规划利用日益困难。人类社会的不断发展，正在使得对水资源的需求不断增长，供需矛盾日益突出。因此，分析西江流域近几十年来径流情况，对研究现在以及未来流域内水资源分布具有重要科学意义与指导意义。

目前国内对西江流域降雨径流模拟研究还较少，大多分析了洪涝与干旱情形的时空分布特征，并缺少对未来情形的模拟分析，因此，结合地形、降雨量等影响因子，模拟出流域内径流的分布情形，对减少自然灾害与水资源合理开发利用具有十分重要的指导意义。本文将基于新安江模型对广西范围内的西江流域进行径流模拟，结合未来气候变化下的降雨、蒸发、气温等状况，对西江流域的水资源状况进行模拟分析，分析其变化趋势及影响因子。

1.2、国内外研究现状

自然界的水循环过程对我们日常生产生活的影响很大，径流过程更是其中的重要一环。为了能够量化这种难以显示的自然过程，就需要水文模型这一重要研究工具。通过模拟降雨径流过程，能够比较准确地把握流域内水文运动的规律。在20世纪70年代至80年代，出现了不少著名的流域水文模型，如萨克拉门托模型、水箱模型以及中国的新安江模型^[1]。

新安江模型是我国运用较广泛的模型。1973年，赵人俊^[2]教授及其团队依据多年的预报经验，首次提出了新安江模型，主要适用于湿润地区和半湿润地区，一般将整个流域划分为若干个子流域，然后分别在这些子流域上进行产汇流计算，得到每个子流域的出口过程，随后进行河道洪水演算，将上面得到的出口过程相加，最终得到总的流域出口流量过程。在模型的运用过程中，由于在湿润地区有壤中流的影响，后来用线性水库方法划分水源，建立了三水源新安江模型。20年来随着不断应用与检验，模型趋于完善。

蓄满产流概念是新安江模型的基础，当土壤湿度达到田间持水量后，便开始产流，这符合湿润地区的水文条件。模型采用统计曲线方法来描述流域面上蓄水容量分布的空间差异性，这也是新安江模型突出的特点 ^[3]，考虑到流域径流的不均匀性，蓄水容量曲线后来也被其他水文模型所借鉴，如VIC模型。该模型考虑了由于地形、土壤及植被的变化产生的下渗能力的变化^[4]。Todini基于新安江模型提出了ARNO模型，这一模型也被广泛运用于径流预报^[5]。

新安江模型的参数对模型运行是十分重要的，主要参数有15个，具有明确的定义、物理意义和取值范围。目前各种参数优化方法都已取代经验试错方法，运用在概念性水文模型的参数率定过程中。包为民^[6]对新安江模型参数的自动率定进行了研究，发现方法效果良好，提出最优化过程在应用上有其局限性，但思想方法有广泛的代表性。Ronsenbrock^[7]在1960年提出罗森布朗克法，是一种迭代寻优的过程，结构简单，应用方便，姚成^[8]在密赛流域运用罗森布朗克法进行参数率定，结果模拟效果良好；Duan等、Sorooshian^[9]等提出了单纯多边形算法(SCE-UA)，是一种以信息共享和生物演化规律为基础的非线性混合算法，董洁平^[10]等基于SCE-UA算法，在安徽呈村流域对新安江模型进行了参数优化，在日模型和次洪模型中取得比较好的结果。

数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)是美国麻省理工学院Chaires L.Miller^[11]提出来的，在一定精度下，将卫星测量到的地形数据以离散数字的形式表示出来。因此DEM能够用多种形式显示地形内的要素信息。新安江模型作为半分布式水文模型，为了提取网格单元的流量、流向和水系组成等信息，利用DEM可以更加快捷方便地获得这些重要信息。如任立良等、张行南等^[12-13]通过数字高程模型在新安江模型上进行水文模拟过程，取得了很好的效果。

汪丽娜等^[14]研究了1957-2007年西江流域高要站径流量的年序列资料，通过M-K方法检验，表明西江流域的径流量在统计意义上没有明显变化趋势。利用小波变换的方法，探究西江流域的径流变化规律，结果表明西江流域的径流量在多年间具有三种周期性变化趋势，变化周期分别为10年、38年和48年，这为研究未来西江流域的径流变化提供了理论参考。刘绿柳等^[15]通过应用1960-2006年西江流域的气象与水文观测资料，研究了这一时期内的气候与径流变化趋势，从中能够发现径流变化与降水变化具有较好的一致性，每年降水量与年内8至12月有减少趋势，年内1至3月与6、7两月有增加趋势。在对未来年降水量和各月降水量的趋势分析中，1月和12月有减少趋势，8至12月有增加趋势，剩余月份的确定性分析还有待考察。总的来说，丰水期有增加趋势，枯水期有减少趋势。通过对温室气体排放情景的模拟，在21世纪中前期径流与降水的变化不大，在本世纪末则有显著增加趋势，因此温室气体的影响有随时间增长的趋势。

朱求安等^[16]研究了新安江模型在汉江江口流域的模拟情况，结果日流量模拟和次洪流量模拟的效率系数都达到较高水平，模型在该流域成功应用。而模拟分析表明，降水资料的处理对模型精度有重要影响。该模型采用泰森多边形法对流域进行划分，没有考虑到地形的影响，且用各雨量站的平均值作为单元流域的面雨量值，这将对降雨量的输入产生一定偏差。吴德波^[17]在研究新安江模型在资水流域的应用时，基于数字高程模型，生成流域水系拓扑关系，从模拟的总体效果来看是较好的。在参数率定的过程中，没有考虑土地不同条件对汇流、产流、渗流的影响，统计不同土地利用面积所占的比例，因此模型的参数还不够准确，有待进一步研究、探讨。

1.3、本文主要研究内容

本文研究的一部分是新安江模型在广西西江流域的适用情况，通过对DEM数据的处理和分析，获取流域信息，建立新安江模型，经过参数率定和模型验证，判别模拟效果的好坏。另一部分研究根据新安江模型在西江流域适用性较好的情况下，利用最优参数，结合给定的RCP4.5和RCP8.5气候模式下的降雨与蒸发资料，得到在未来气候条件下的径流模拟的数据，并采用Mann-Kendall检验方法来检测西江流域的降雨径流在未来（2014年-2099年）是否有显著变化。

2、研究区域概况

西江是珠江流域的主要干道，发源于云南省，流经贵州省、广西自治区、广东省，汇集到北江后进入珠江三角洲河网。干流全长2075km，集水面积约为35万km²。流域属于亚热带季风气候区，春夏季降水较多，秋冬季干旱少雨，汛期期间洪水频繁。西江流域年降水量超过1000mm，年蒸发量700mm左右，经梧州站出口下泄的年平均径流量达到2240亿立方米，占据了西江流域绝大部分的年内径流量。因此梧州站的水文资料，大致反映了西江流域灾害性洪水事件发生的情况。

西江流域属中、低山地，研究区内山峦起伏，山体较为密集，坡度较大。地势上西高东低，最高处高程约2830m，最低处高程接近海平面高度。土壤类型共有7种，包括粘土、粉质壤土、壤土、砂质粘壤土、砂质壤土、砂壤土、砂，分别占流域面积的57.94%、4.20%、22.56%、14.90%、0.05%、0.17%、0.18%。其中粘土所占比重最大。土地利用类型共有12种，包括水体、常绿针叶林、常绿阔叶森林、落叶阔叶林、混交林、林地、树木繁茂的草原、关闭灌丛、开放灌丛、草原、耕地、城区，分别占流域面积的0.390%、1.617%、0.939%、0.326%、0.001%、7.407%、25.351%、0.133%、0.001%、22.507%、41.295%、0.034%。因此，耕地在西江流域面积比重中最大。

3、流域要素的提取与分析

3.1、步骤和方法

近几十年来，随着遥感、雷达卫星等高新科技技术的发展，地面信息能够更加方便地获得，为研究流域提供了丰富的下垫面信息。如今，大多数的分布式模型都需要以数字高程模型作为基础，从而能够提取流域要素的信息。

为了能够提取流域的水文特征信息，首先需要对流域原始数据进行相应的预处理，获得每块区域的流向，流量等信息，根据一定的阈值显示出各级河流走向，结合水流流向和水系源头提取流域的位置，最后按泰森多边形划分子流域。

1）、填洼

由于在数字高程模型中会有凹陷或平坦的栅格数据单元，这样水流的流向就会产生问题，因此就需要对流域数据进行填洼，消除低洼与平地，使水流能够顺利流出边界。

2）、流向分析

填洼过后，水流高程变得明朗。单流向法是常用的方法。一般结合栅格高程，假定栅格中的水流只能从一个方向流出栅格，从而确定流向。此次研究中采用D8单流向法：假设每个栅格只能流向周边的8个栅格中，计算中心栅格与周边栅格的高程距离差值，即用栅格间的高程差除上相应的距离差，取栅格中最大的高程距离差值的方向作为水流的流出方向。

3）、计算流水累积量

分析水流流向后，对栅格的流量进行计算，得到每块地区的流量分布图。

4）、提取河流网络

由于子河流较多，为了能够清晰地看清河流的分布，选择某一量值作为阈值，将流水积累量栅格中单元值大于这一量值的栅格赋值为1，从而得到河流网络栅格。随后，提取河流网络矢量数据。最后，进行流域分析，能够划分相应的流域。

5）、泰森多边形算法

结合广西西江流域的划分提取以及其内部74个站点位置分布资料，可得到西江流域站点图。在对流域进行子流域划分时，采用泰森多边形算法：将所有相邻的气象站点连接，将流域划分成若干三角形，分别作这些三角形的圆心，并连接每个三角形的圆心，流域就被划分若干个多边形。通常用多边形内所包含的气象站点的降雨强度来表示这个多边形区域内的降雨强度。

3.2、流域的构建

本次数据处理主要在ArcGIS软件中进行，采用给定的西江流域（21.2°N-27.1°N，102.1°E-118.1°E）的4km×4kmDEM数据以及给定的74个站点经纬度位置数据，使用水文分析工具箱，最后得到西江流域的划分与要素信息，最终结果见图1和图2。

图1 西江流域DEM图与流向分析

图2 西江流域子流域划分图

3.3、小结与讨论

通过分析数字高程模型的数据，经过填洼、流向分析、计算流水累计量、生成水系等步骤，得到了关于西江流域的要素信息，使流域边界通过相关软件直观地显示出来。结合泰森多边形算法，将流域划分为若干子流域，并从中获取了每个子流域的面积权重等重要信息，为计算面平均雨量提供了重要参数依据。

4、新安江模型

新安江模型是赵人俊教授及其团队在预报新安江水库流量时提出的概念性水文模型。这一模型适用于湿润与半湿润地区，在我国运用广泛并且适用效果较好。应用新安江模型时，一般将整个流域划分为若干个子流域，然后分别在这些子流域上进行产汇流计算，得到每个子流域的出口过程，随后进行河道洪水演算，将上面得到的出口过程相加，最终得到总的流域出口流量过程。在模型的运用过程中，由于在湿润地区有壤中流的影响，后来用线性水库方法划分水源，建立了三水源新安江模型。随着新安江模型应用范围的不断扩大，在一些非湿润地区以及国外河流流域也获得了较好的模拟效果，具有很好的应用前景。三水源新安江模型的计算流程如图3。

图3 三水源新安江模型流程示意图

4.1、基本原理

新安江模型的计算过程可以分成四个部分：蒸散发计算、产流计算、分水源计算和汇流计算。

4.1.1、蒸散发计算

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