【摘 要】
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我国南方分布着大面积岩溶区,其独特岩溶地貌和水文地质条件,形成与一般地区差异较大的水文过程,难以用现有水文模型对该类地区的水文过程进行准确模拟,正确认识岩溶区降雨-径流过程、建立适用于岩溶区的水文模型对于这类地区水资源合理利用具有重要意义和实用价值。本文以左江中下游作为研究区,在分析研究区地形地貌、气象水文、土壤植被等条件的基础上,建立SWAT模型,利用决定系数R2与纳什系数ENS值判断模拟效果。
【基金项目】
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科技部国家重点研发计划项目“我国西部特殊地貌区地下水开发利用与生态功能保护”下属课题“生态脆弱区地下水合理开发与生态保护的监控—预警与对策综合研究”（2017YFC0406106）；
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我国南方分布着大面积岩溶区,其独特岩溶地貌和水文地质条件,形成与一般地区差异较大的水文过程,难以用现有水文模型对该类地区的水文过程进行准确模拟,正确认识岩溶区降雨-径流过程、建立适用于岩溶区的水文模型对于这类地区水资源合理利用具有重要意义和实用价值。本文以左江中下游作为研究区,在分析研究区地形地貌、气象水文、土壤植被等条件的基础上,建立SWAT模型,利用决定系数R2与纳什系数ENS值判断模拟效果。结果显示:在月尺度模拟中,各水文站R2值均不小于0.59、ENS值均不小于0.57;在日尺度模拟中,R2、ENS值略大于0.50,效果劣于月尺度。通过对岩溶区与碎屑岩区的水量均衡计算得知:地下水的补给量占土壤水总补给量的30.71%,大于碎屑岩区（14.07%）;岩溶区地下径流占总产水量的比例最大（66.68%）,而碎屑岩区,地表径流所占比例最高（58.79%）;岩溶区地下水资源模数在29-43×104m3/km2 a之间,平均为35×104m3/km2 a;而碎屑岩区在11-29×104m3/km2 a之间,平均为17.82×104m3/km2 a;岩溶区地下径流系数在0.25-0.35之间,碎屑岩区在0.10-0.20之间;这说明岩溶区与碎屑岩区的水文过程存在较大差异。为提高SWAT模型在日尺度上的适用性,本文将SWAT模型与GA-BP进行松散耦合,提出SWAT-GA-BP模型,并对流域总出口日径流量进行模拟。结果证明,在模型训练、验证及测试过程中,模拟值与实测值之间的相关系数R值均在0.90以上,拟合度良好;对比SWAT与SWAT-GA-BP模型模拟结果得:SWAT-GA-BP模型的R2、ENS值（R2=0.86;ENS=0.85）均高于SWAT模型（R2=0.82;ENS=0.81）,SWAT-GA-BP模型的均方差（6.60）低于SWAT模型的均方差（7.62）,这表明与SWAT模型相比,SWAT-GA-BP模型的模拟性能更好。为深入研究岩溶区地表、地下径流特征,本文提出了 SWAT-水箱模型。首先将地表、土壤及表层岩溶带、含有岩溶管道及微小裂隙的含水层,分别概化为水箱模型,并将三者进行串并联组合,然后与SWAT模型进行松散耦合。SWAT-水箱模型的月尺度模拟结果显示,管道快速流所占总径流的比例最大（59.86%）,微小裂隙慢速流所占比例最小（7.28%）,土壤及表层岩溶带占19.19%,地表径流占13.67%,各类径流日尺度模拟结果与月尺度相差不大。研究表明,管道快速流所占比例大于50%,这符合南方岩溶区独特的径流特征。为揭示土地利用变化对研究区水文过程的影响,本文在分析2000-2018年土地利用变化的基础上,预测未来变化趋势。利用SWAT-GA-BP模型模拟在土地利用变化影响下总径流的响应特征,利用SWAT-水箱模型模拟地表、地下径流的变化。结果表明:在2003-2017年间,由于土地利用类型的变化导致研究区各径流均增加;未来当增加林地,减小耕地面积时,各径流均减小;当增加城镇及其他建筑面积时,各径流均增加。
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