基于模型改进的高寒内陆河流域地下水补排关系研究

Evolution of groundwater recharge and discharge is the main factor that impacts ecological environment change. In high and cold inland watershed with weak ecological environment, as an important aspect of regional water cycle, groundwater recharge and discharge relationship is impacted by both of nature and human activities. Currently, distributed hydrological models have important applications to modeling and forecasting watershed hydrological cycle because they could reflect the spatial heterogeneity of hydrological process. However, hydrological models have some limitations on considerations of human activities and abilities of groundwater modeling. This research would modify a hydrological model in a high and cold inland river with strongly human activities and frequently surface-ground water exchange to simulate its groundwater recharge and discharge relationship. First, modify the SWAT model to consider underlying surface and water use yearly variations; Second, coupling the modified SWAT with MODFLOW groundwater model, unify their time and space scale and model surface-groundwater process together; Finally, model the hydrological process in Bayinhe River watershed in Qinghai Tibetan Plateau use aforementioned model in second step, then analyst the groundwater recharge and discharge time and space variations. This research will provide basis and support for model coupling, surface and ground water reasonable allocation and efficiently management.

地下水补排特征的演化是生态环境变化的主导因素。在生态环境脆弱的高寒内陆河流域，地下水补排关系作为区域水循环的重要环节，受到自然因素和人类活动两方面影响。目前，分布式水文模型因其能明确地反映出流域水文过程的空间变异性，在模拟和预测流域水循环方面有着重要应用。但其对人类活动的考虑以及对地下水的模拟能力均较欠缺。本项目拟在在人类活动强烈且地表水-地下水转换频繁的高寒内陆河流域，改进分布式水文模型并模拟分析流域地下水补排关系的变化。首先，改进分布式水文模型SWAT，使其能够表达下垫面和取用水过程的年际变化；其次，将改进后的SWAT模型与地下水模型MODFLOW耦合，统一两者的时间、空间尺度，实现地表水—地下水联合模拟；最后，利用该模型模拟青藏高原柴达木盆地巴音河流域水循环过程，并分析其地下水补排关系时空变化。研究成果可为高寒内陆河流域模型集成、地表以及地下水资源合理配置和高效管理提供依据和支持。

地下水补排特征的演化是生态环境变化的主导因素。在生态环境脆弱的高寒内陆河流域，地下水补排关系作为区域水循环的重要环节，受到自然因素和人类活动两方面影响。目前，分布式水文模型因其能明确地反映出流域水文过程的空间变异性，在模拟和预测流域水循环方面有着重要应用。但其对人类活动的考虑以及对地下水的模拟能力均较欠缺。本研究首先通过改进 SWAT 模型，构建了充分考虑人类活动影响的巴音河中下游“二元”水循环模式，在此基础上耦合 SWAT 与 MODFLOW 模型，开发LU-SWAT-MODFLOW模型。结合流域地表特征数据、气象观测数据、遥感降水数据、钻孔数据、地下水位数据等建立LU-SWAT-MODFLOW。基于流域出口径流观测数据、地下水位数据、遥感蒸散发数据、遥感叶面积指数数据等对耦合模型进行校准、验证，实现巴音河流域水循环过程的准确模拟，并基于此揭示流域地表水-地下水转换关系。项目取得的重要结果：1）LU-SWAT-MODFLOW模型对土地利用变化、取用水等人类活动影响的充分考虑，有效提高了其对于巴音河流域水循环过程的模拟精度，该模型可在人类活动强烈的内陆河流域推广使用；2）证明基于遥感的蒸散发数据、叶面积指数等对于资料缺乏区水文模型的建模、参数率定、验证等有积极意义；3）基于LU-SWAT-MODFLOW模型模拟结果，得出巴音河德令哈水文站以上、泽令沟以下流域，地表水补给地下水的河道占总河道长度的90.31%，补给量主要受降水影响。地下水对地表水的补给集中在这一区域的下游河段。德令哈水文站以下流域，地表水大量补给地下水，这一过程主要受到农业灌溉的影响。至下游河段，地下水大量泄出，泄出量同样更多取决于德令哈灌区及尕海灌区的灌溉量。依托项目，课题组成员多次参加国内外学术会议，正在培养硕士研究生4人，目前发表论文12篇，申请国家发明专利1项。