东北寒区白山流域融雪对春季径流贡献率评价

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积雪是地球水资源的重要储存方式,融雪水是江河和湖泊的重要补给水源,在一些中纬度干旱和半干旱山区,融雪水是春季径流的重要水源组成,对区域地表水循环、水资源的分配以及人类生产生活产生影响,因此,积雪是我国重要的淡水资源,也是战略性资源。东北地区是我国3大稳定积雪区之一,作为农业、林业以及畜牧业的重要生产基地,积雪不仅是该地区河流和地下水的重要补给,而且还对土壤起到良好的蓄水和保温作用,能为农作物越冬提供保障。研究季节性积雪特征、融雪径流的产汇流机制、准确量化积雪储量以及评估融雪对春季径流的贡献率,对掌握流域冬季降雪累积特征和春季来水规律及流域内水库合理调蓄有很大帮助,可以提高融雪水利用率和保障水资源高效开发利用。准确模拟春季径流过程是融雪对春季径流贡献率评价的基础。积雪赋存、积雪融化及产汇流等具有显著的空间差异性,与区域自然地理条件和水文气候特征密切相关。如何合理掌握流域积雪特性确定SWAT分布式水文模型的积雪、融雪参数,以提高春季径流模拟精度是本文关键研究内容。本文以第二松花江河源段白山水库汇水区作为研究区(简称白山流域),通过数理统计方法分析流域内积雪时空演变规律,获得流域内积雪储量、分布特征和持续时间等统计特征指标,评价了白山流域积雪资源量;构建流域分布式水文模型,根据流域积雪特征确定模型的积雪、融雪参数,提高了春季径流模拟精度;评估融雪量对春季径流的贡献率,同时分析了气候情景下春季径流的演变趋势。取得以下主要成果:(1)流域积雪时空演变规律分析基于MODIS10A积雪覆盖率数据、积雪遥感反演雪深数据和积雪日数数据,通过数理统计方法分析了流域内积雪覆盖率、雪深和积雪日数的时空演变趋势。在2000~2018年期间,年积雪覆盖率和积雪日数变化不显著,年雪深呈显著增加趋势,变化率为2.12cm/10a。在空间分布上,年积雪日数整体上呈现高海拔山区多,低海拔平原区少,高纬度多,低纬度少的特点,其中长白山山区最多,达到147天/a。多年累积雪深和积雪覆盖率在空间呈现3个高值区,分别是长白山山区、研究区西部白山市内的高海拔区和东部延边朝鲜族自治州山区。(2)流域春季径流过程模拟构建白山流域SWAT分布式水文模型,依据白山水库日径流数据进行模型参数率定,在此基础上根据流域积雪特性,利用概率求交法、临界温度法和度日因子法推求降雨-降雪临界温度(SFTMP)、融雪温度阈值(SMTMP)和最大最小度日因子(SMFMX、SMFMN),确定模型积雪、融雪参数,模拟春季径流过程,模拟精度比原来提高了21%,同时年径流模拟精度也提高了10%。(3)融雪对春季径流的贡献率评价统计流域内融雪量对春季径流的贡献率,春季径流深占年径流深的29%~47%,融雪量占年径流深的14%~33%,从年径流深来看,流域主要以夏季降雨径流为主;融雪量占春季径流深的59%~79%,从春季径流深来看,流域春季主要以融雪径流为主。统计不同土地利用类型内融雪量对春季径流深的贡献率,耕地内积雪融化的融雪量占春季径流深的36%,林地内的融雪量占28%,草地内融雪量占35%,林地占比最小,耕地和草地相差不大。(4)气候驱动下春季径流演化分析通过SWAT模型采用降水量增大5%和10%与气温升高1.5℃和3℃的单一气候因子情景和CMIP6未来气候模式数据模拟春季径流,分析单一气候因子的变化对流域径流的影响和未来气候模式下流域径流演化趋势。降水增加5%和10%,3月和4月春季径流增大,并且降水增加5%时春季径流增大占比多9%。气温升高1.5℃和3℃,3月春季径流增大,而4月春季径流减小,并且气温升高3℃春季径流的变化与气温升高1.5℃相比,春季径流多增大6.9%。因此,单一气候因子的驱动下,降水因子是流域径流变化的主导因素,其次是气温因子,气温因子比起降水因子对径流的变化,敏感性不大。降水和气温的综合气候驱动下,3月和4月平均春季径流比历史3月和4月(2010~2019年平均)春季径流减小60.6%和22.3%。本文的研究成果为东北寒区春季径流预测、农耕播种和水库合理调蓄等流域水资源管理和分配提供依据。
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