中温带地区春季融雪径流研究

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我国中温带地区由于其独特的气候特征,存在着大量的季节性积雪,这就导致了中温带地区在春季融雪径流期与其他气候区不同的径流过程。东北地区作为中温带重要组成部分,是我国农业、林业和畜牧业主要生产基地。一方面,积雪作为重要的淡水资源,尤其在降雨稀少的春季融雪期,可为居民生活用水、农业灌溉和航运提供重要水资源支撑;另一方面,如果冬季长时间累积的降雪遇到春季气温连续快速抬升,大量积雪短期内快速消融则会引发春汛,从而延迟农业最佳播种期给东北地区造成不小的经济损失。因此,准确的融雪径流模拟及预报对中温带地区春季防汛抗旱和水资源高效开发利用具有重要意义。本文以第二松花江源头区白山水库以上流域为例,研究中温带地区融雪径流的一般规律。通过收集整理研究区19712016年实测径流数据、3个气象站点19872016年气象数据,研究区DEM高程图、土地利用图、HWSD土壤图,MODIS积雪光谱遥感产品和微波雪水当量产品等遥感数据,在完成研究区融雪径流时段划分、融雪径流关键影响因子及其滞时识别基础上,构建基于遗传算法的融雪径流经验方程、揭示了融雪径流影响因素及其作用机理,通过与SRM融雪径流模型的对比分析,对本文构建的融雪径流经验方程进行了精度分析和实用性评价。主要核心研究内容有:(1)春季融雪径流期划分。本文基于引入滑动最小值的ECK数字滤波法结合白山水库46年长系列日径流资料进行基流分割,通过分析基流比与河川径流过程相对演化趋势,识别出历年春季融雪径流期的开始时间与结束时间,进而通过箱型图统计分析融雪径流开始时间和融雪径流结束时间节点,确定多年平均(50%)情况下,白山水库流域融雪径流期为3月23日5月4日,共历时43天。(2)影响融雪径流期径流的关键因子及其滞时识别。本文采用基于BP神经网络的多因素耦合全局敏感性分析方法,识别白山水库流域融雪径流期6个主要气象因子(日总辐射曝辐量、日平均风速、20-20时降水量、日最低气温、日平均气温和日最高气温)的滞时,6个气象因子对白山流域融雪径流的作用滞时分别为日总辐射曝辐量SR、日平均风速W和20-20降水量P无滞时效应,日平均气温MT和日最高气温HT有2天的滞时,日最低气温LT有1天的滞时;考虑各气象因子滞时效应的影响进行关键因子识别,白山流域当日的融雪径流量对当日20-20时降水量PT0最为敏感,其次为当日日总辐射曝辐量SRT0,最后两项为当日日平均风速WT0和前2日日平均气温MTT2。(3)基于遗传算法优化的流域融雪径流经验方程构建。针对研究区融雪径流期,基于融雪径流关键因子及其滞时成果,将前期累积降雪量(上年11月1日至当年2月28/29日期间降水量之和)、当日20-20时降水量PT0、当日日总辐射曝辐量SRT0、当日日平均风速WT0和前两日日平均气温MTT2 5个指标作为模拟因子,将白山流域日径流量作为模拟对象,将径流系数大于或者小于等于1作为判别条件,分别构建差异化融雪径流经验方程;采用遗传算法优化经验方程参数,完成模拟方程构建。模拟期(19872010年)的评价精度指标判定系数R2、相对误差Re和模型效率系数Ens分别为72.1%、25.1%和72.0%,验证期(20112016年)的评价精度指标判定系数R2、相对误差Re和模型效率系数Ens分别为62.3%、27.2%和61.0%,模拟精度可以满足生产实践要求,可以作为春季融雪径流量估算的实用方法。(4)SRM融雪径流模型模拟。将研究区分为3个高程带分别模拟,通过MOD10A1日尺度积雪产品提取研究区各高程带融雪径流期的雪盖面积作为前期积雪条件,利用研究区气象站点的降水和气温作为模型输入,完成模型参数率定后对研究区白山水库流域融雪径流期径流量进行模拟。模拟期(20002010年)的评价精度指标判定系数R2、相对误差Re和模型效率系数Ens分别为67.4%、33.3%和54.5%,验证期(20112016年)的评价精度指标判定系数R2、相对误差Re和模型效率系数Ens分别为69.8%、30.5%和57.6%。通过比较分析,本文提出的流域融雪径流经验方程模拟精度要优于SRM融雪径流模型。
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