稀缺资料岛屿分布式水文模拟及其水资源可利用量计算——以平潭岛为例

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当前国家实施“一带一路”发展战略,海岛是海上丝绸之路重要的节点。我国有着漫长的海岸线,海岛众多,但大多数海岛淡水资源匮乏,水文水资源基础监测也十分薄弱,属于典型的稀缺资料地区,如何科学合理地评估计算海岛水资源可利用量,不仅是水文学研究的前沿问题,也是海岛水资源合理开发利用亟待解决的基础性难题。  平潭岛是我国第五大岛,也是海上丝绸之路的起点之一。本研究以福建省平潭岛为例,基于野外调查和人工降雨入渗实验,结合有限的气象水文观测资料,分析全岛水循环时空分布特性,根据地形地貌、土壤植被等下垫面空间异质性,将全岛划分为若干水文响应单元,并基于HIMS(Hydro-Informatic Modeling System)构建流域分布式水文模型,模拟产汇流过程,在此基础上考虑生态需水、洪水弃水以及土壤水等,对平潭岛水资源可利用量进行估算,为平潭岛水资源合理开发利用提供科学依据。主要研究内容及成果如下:  (1)分析了平潭岛1954~2016年的降水、气温、蒸散发的变化特征。平潭岛年降水量呈增加趋势,年降水日数呈减少趋势,反映出年内日降水强度总体呈增大态势;月降水的集中度和集中期变化趋势不显著;汛期降水量略有上升,但占全年的比例上略有下降;降雨日数中,小雨日数呈显著减少趋势,大雨日数呈显著增加趋势;年平均气温呈显著上升趋势,上升速率为0.018℃/a;1960-2013年平均潜在蒸散发且呈显著下降趋势,下降速率1.78mm/a,并且在1972年出现突变点。  (2)基于野外人工降雨入渗实验观测数据,分析了研究区的降雨产流特性。根据实验观测数据分析,获得各下垫面类型的平均产流系数分布范围在0.01~0.85之间,其中最小的是“林地+铁铝土+[0°~6°]”类型,最大的是“草地+铁铝土+(15°~25°]”类型。在其它条件一致的情况下,草地产流系数普遍高于林地,产流系数随坡度增加而增大。基于ArcGIS空间分析工具得到了平潭岛的产流系数空间分布;按面积进行加权求和,得到平潭岛平均产流系数为0.44。  (3)流域分布式水文模型构建。基于HIMS水文模拟系统,以野外实验数据分析所得的研究区降雨产流关系空间分布为主要依据,结合水文水资源野外调查分析、专家经验知识,成功构建了平潭岛日尺度分布式水文模型。模型模拟得到的各子流域降雨产流关系与野外实验数据计算数据结果相吻合,模型可以反映出降雨产流在空间上的分布特征。采用有限的水库实测月入库径流资料,对模型进行局部模拟结果验证,模型模拟的径流过程与实测径流过程相关系数达到0.85,效率系数达0.82,水量平衡误差小于6.5%。  (4)水资源可利用量计算。从水资源的概念和内涵出发,结合国内外相关研究及国家规范,提出基于水循环过程的水资源可利用量计算理论框架与方法。并以平潭岛为例评估计算稀缺资料岛屿的水资源可利用量。水资源可利用总量包括狭义水资源和土壤水资源两者的可利用部分,即在地表和地下水资源可利用量的基础上,加上土壤水资源可利用量得到。平潭岛多年平均水资源可利用总量为1.70×108m3,接近狭义水资源可利用量的两倍;从空间分布上,该岛的水资源主要集中在中部平原区以及环岛内侧的山间盆地。
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