黑河流域水资源的短缺己成为流域整体社会经济发展的主要限制因子,而且水的短缺也引发了诸多生态经济问题。黑河流域由水资源问题引发的生态经济问题不仅与水资源自身的循环转化机理有关,而且与人类活动有密不可分的关系。从水土气生人复杂系统集成的角度出发,把流域作为生态-水-经济的整体进行研究,才能既定量地描述流域过程机理,又回答宏观层面的战略决策问题。 论文回顾了国外常用的集成模拟模型,总结了未来集成研究的主要特点,在分析这些模型优缺点的基础上,认为基于SME的模块化、分等级模型结构可以简化集成模型的建立过程,自然和社会过程的耦合应该是集成研究的焦点内容。 集成模型的建立面临着概念复杂性问题和计算复杂性问题,SME为这些问题的解决提供了很好的思路。作为模型建立和应用的前提保障,论文详细介绍了SME的功能、体系结构和建模步骤。 借鉴分布式水文模型建立的主要思路和常用的主要过程,结合干流山区的主要特点和可获得的数据情况,使用Stella软件和系统动力学思想开发了日尺度的干流山区单元水文模型。在单元模型校准过程中,以实测蒸发力为参考标准,校准了祁连站潜在蒸发力的模拟结果,在保持参数不变的情况下,验证野牛沟站和托勒站的蒸发力数据也得到了较好的模拟结果,说明Christiansen模型在干流山区计算潜在蒸发力具有较好的通用性。 时序数据向空间上的分布结果直接影响空间分布式模型模拟结果的好坏,论文对比分析了SME内置的线性插值方法与反距离加权插值、样条插值方法,由于干流山区地形复杂,气象站点稀疏,插值方法简单,以上几种插值方法的结果都不尽如人意,很难确定到底哪一种方法得到的结果能够最好。在SME现有插值的局限条件下,使用内置插值方法是最为简便快捷的方式,更好的方法还需要通过修改SME源代码来验证和实现。 使用受人类活动干扰较少的1995～2000年莺落峡径流数据,对空间模型进行了校准验证验证。结果表明,观测流量和模拟流量总的拟合趋势尚好,具体而言,秋、冬季节的拟合效果最好,春季模拟值普遍高于观测值,夏季模拟值能拟合多数洪峰,但是仍然有少数洪峰没有模拟出来。由于模型结构简单,物理机制不清,汇流过程单一,模型的模拟精度还有很大的改善空间。 对于建立的黑河干流山区水文模型,根据可获得的数据情况,论文对比验证了不同空间分辨率(1km、500m、300m、200m和100m)下模型的模拟结果。结果表明,随着空间分辨率的逐渐增加,模拟结果出现了先降低后增加的现象,充分体现了水文过程随尺度变化的非线性特征。但是干流山区水文模型的尺度问题,不能仅从数学描述上完全处理模型的尺度缩放,还应该在深入掌握和实现具有物理意义的过程基础上,了解模型的尺度效应。 在其他参数不变的情况下,对模型进行了气候变化和土地利用覆被变化情景的敏感性分析。在气温不变时,出山径流量随降水增加的变化趋势更为明显；在降水不变时,蒸散发量随气温增加的变化趋势更为明显。总体来看,径流、蒸散发量与气温、降水之间的关系比较复杂。 在中山森林全部转化为中山草原的情景条件下,流域的年径流量将增加0.1％,年蒸发量将减少0.3％。在中山草原和中山草甸全部转换为灌耕地的情景下,流域的年径流量将减少0.8,年蒸发量将增加2.3％。与中山森林转化为中山草原的情景相比,径流量和蒸散发量的变化幅度都有所加强,除了占流域面积的差别之外,叶面积指数的变化也是一个重要因为。 在SME框架下,应用模块化和图标化的建模思路,可以简化干流山区水文模型的建立和应用,但是,仍然存在诸多问题,主要表现为对于水循环过程的描述过于简化,比如土壤冻融作用需要加入水热耦合过程,从物理机制上更真实地反映冻融作用对径流量的影响；需要深入理解和解耦SME源代码,改进空间插值方法,完善汇率算法,从而提高水文过程的模拟精度等。更重要的是,目前的工作都是针对自然过程展开的,还没有真正考虑人类活动的影响。有必要将土地利用变化作为情景纳入生态系统模型的框架体系中,在空间建模环境中实现生态系统和人类活动之间的连接,分析人文因素对水资源系统和景观格局变化的影响。
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