通信作者:徐力剛,研究員。E-mail: lgxu@niglas.ac.cn

基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法的鄱陽(yáng)湖流域水量平衡過(guò)程模擬與分析

朱漫莉1,2,高海鷹1,徐力剛2,張杰3,吳永明3

(1.東南大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇 南京210096;

2.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210008;

3.江西省科學(xué)院,江西 南昌330096)

摘要：以鄱陽(yáng)湖及其流域?yàn)檠芯繉?duì)象,采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(SD)方法構(gòu)建了整個(gè)流域系統(tǒng)基本要素之間的物理結(jié)構(gòu)和關(guān)系,對(duì)鄱陽(yáng)湖流域水量平衡過(guò)程進(jìn)行了模擬分析。以1978—1997年為校核期、1998—2007年為驗(yàn)證期,對(duì)鄱陽(yáng)湖五河流域徑流量及湖口水位模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明SD方法在流域產(chǎn)流、河湖水量交換過(guò)程的模擬上能取得較理想的效果。在此基礎(chǔ)上,模擬了鄱陽(yáng)湖流域降水、氣溫和用水量分別增減10%時(shí),其他相關(guān)要素的系統(tǒng)響應(yīng)。用水量、氣溫和降水的影響比例約為1∶3∶10,降水通過(guò)控制地表徑流量、氣溫通過(guò)影響蒸散發(fā)和土壤蓄水來(lái)影響流域水文水資源過(guò)程。研究結(jié)果定量揭示了整個(gè)流域范圍內(nèi)水量變化的各環(huán)節(jié)對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng),反映了流域系統(tǒng)各個(gè)組成部分的相互作用。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)動(dòng)力學(xué);鄱陽(yáng)湖流域;水量平衡;過(guò)程模擬

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(41371121,41271034);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2012CB417005);中國(guó)科學(xué)院支持全國(guó)科學(xué)院聯(lián)盟建設(shè)專項(xiàng)重大項(xiàng)目; 江西省科技支撐項(xiàng)目(20122BBG70160)

作者簡(jiǎn)介:朱漫莉(1991—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)榱饔蛩倪^(guò)程。E-mail:mlzhu1991@126.com

中圖分類號(hào)：P331.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：(2014-08-21編輯：彭桃英)

Simulation and analysis of water balance process in

Poyang Lake Basin based on system dynamic approach

ZHU Manli1,2,GAO Haiying1,XU Ligang2,ZHANG Jie3,WU Yongming3

(1.SchoolofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China;

2.StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEnvironment,NanjingInstituteofGeographyandLimnology,

ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China;

3.JiangxiAcademyofSciences,Nanchang330096,China)

Abstract：Taking Poyang Lake and its watershed as the study subject, the physical structure and relationships of the basic elements of the whole basin system were constructed by the system dynamics(SD) approach, simulating and analyzing the water balance process of Poyang Lake Basin. Taking the years from 1978 to 1997 as the calibration period, and the years from 1998 to 2007 as the validation period, the simulated value and the measured value of the runoff and lake level of five river basins of Poyang Lake were compared and analyzed. The results indicate that adopting the SD approach can acquire an ideal performance on the simulation of basin runoff and water exchanging process between rivers and lake. Then we simulated the system response with 10% decrement and increment of precipitation, temperature and water usage in Poyang Lake Basin. The effects ratio of precipitation, temperature and water usage is 1∶3∶10. Precipitation influences the basin hydrological and water resource process by controlling surface runoff, while temperature by affecting evapotranspiration and soil water storage. This research has quantitatively explored the response of every links of water change in the whole basin to climate change and human activities, reflecting the interaction of various components in the basin system.

Key words： system dynamics; Poyang Lake Basin;water balance;process simulation

鄱陽(yáng)湖是我國(guó)第一大淡水湖泊,流域水資源總量占長(zhǎng)江流域水資源總量的15%,是我國(guó)重要的淡水資源庫(kù)。近幾十年來(lái),鄱陽(yáng)湖流域氣候變化比較突出,社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,水資源開(kāi)發(fā)利用程度加深,對(duì)流域水資源量產(chǎn)生了極其復(fù)雜的影響[1]。鄱陽(yáng)湖流域水文站的徑流觀測(cè)數(shù)據(jù)表明,20世紀(jì)50年代以來(lái)徑流量一直呈增長(zhǎng)趨勢(shì),但到了1997年,徑流量發(fā)生反轉(zhuǎn),呈下降趨勢(shì);近年來(lái)鄱陽(yáng)湖又出現(xiàn)了持續(xù)低水位,鄱陽(yáng)湖流域水旱災(zāi)害頻發(fā)已是公認(rèn)的事實(shí)。因此,選取該流域進(jìn)行水量變化模擬分析,定性、定量認(rèn)識(shí)氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)流域的降雨-徑流關(guān)系和鄱陽(yáng)湖的水量平衡過(guò)程的影響具有重要意義。

針對(duì)鄱陽(yáng)湖流域的水文水資源變化特征,國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了不少研究。Sun等[2]研究了鄱陽(yáng)湖流域降雨時(shí)間序列變化規(guī)律及其水文響應(yīng),葉許春等[3]探討了流域河川徑流的變化過(guò)程和規(guī)律及其與鄱陽(yáng)湖水旱災(zāi)害的關(guān)系,羅蔚等[4]分析了鄱陽(yáng)湖流域入湖總水量的變化趨勢(shì)與急轉(zhuǎn)規(guī)律,馬海波等[5]對(duì)鄱陽(yáng)湖出湖徑流序列的變化過(guò)程進(jìn)行了分析。此類研究主要基于觀測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)分析,探究了五河(饒河、撫河、信江、修水、贛江)流域的降雨-徑流-水量交換過(guò)程,研究結(jié)果均表明入湖徑流量對(duì)湖泊水位起著主控作用。在水量平衡影響因素研究方面,Hu等[6]定量化地描述了長(zhǎng)江對(duì)鄱陽(yáng)湖水量變化的影響,認(rèn)為長(zhǎng)江對(duì)鄱陽(yáng)湖的較強(qiáng)作用主要發(fā)生在7—9 月;郭華等[7]進(jìn)一步的研究表明，三峽水庫(kù)在10 月份的大量蓄水使得長(zhǎng)江對(duì)鄱陽(yáng)湖的作用頻率有所減弱;萬(wàn)小慶等[8]建立了環(huán)湖區(qū)水資源平衡分析模型來(lái)研究社會(huì)用水的影響作用;Shankman等[9]研究了江湖管理政策和土地利用對(duì)鄱陽(yáng)湖洪水位的影響。更多的研究強(qiáng)調(diào)了氣候變化對(duì)流域水文水資源過(guò)程的影響作用,這些研究主要采用水文模型模擬方法,如蔡玉林等[10]應(yīng)用陸地表面模型VIC 水循環(huán)模式模擬了不同氣候情景下的徑流變化；李云良等[11]以分布式水文模型WATLAC為模擬工具,探討了鄱陽(yáng)湖流域水資源對(duì)氣候變化的響應(yīng)。除了對(duì)流域徑流的模擬,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者還通過(guò)各種模型的構(gòu)建研究了湖泊的水量水位變化機(jī)制,這些模型包括水位動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型[12]、湖泊流域聯(lián)合模擬模型[13]以及江湖關(guān)系水動(dòng)力模型[14]等。以上研究從不同角度不同側(cè)面反映了鄱陽(yáng)湖流域水文水資源變化的作用機(jī)制,但并未定量揭示整個(gè)流域范圍內(nèi)水量變化對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)作用。當(dāng)前對(duì)有關(guān)鄱陽(yáng)湖流域氣候和人類活動(dòng)影響作用的研究,主要集中于流域徑流量變化的分析?；谖搴恿饔蚺c湖泊密切的水量關(guān)系,單方面的流域模擬研究顯然是不足的,需要開(kāi)展基于整個(gè)流域的主要影響要素分析。

流域水資源量的變化既受到氣候要素的影響,又與當(dāng)?shù)厮Y源的開(kāi)發(fā)利用相關(guān),并受湖泊本身蓄水條件的限制,故其影響過(guò)程因素復(fù)雜多元。以往對(duì)水量變化影響要素的研究往往片面強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)資料的分析,而忽略對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(system dynamics,SD)方法專注于對(duì)多變量、高階次、非線性的復(fù)雜大系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的研究,更能滿足流域水量變化研究的需求[15]。本文所采用的SD模擬方法針對(duì)鄱陽(yáng)湖流域水量平衡過(guò)程,在功能上,希望實(shí)現(xiàn)水文模型的物理機(jī)制與水文非線性系統(tǒng)理論的結(jié)合,為水文水資源過(guò)程尋求了一種簡(jiǎn)單的系統(tǒng)關(guān)系。在效果上將降水、氣溫、用水量及其他與產(chǎn)水耗水相關(guān)的系數(shù)作為流域水資源系統(tǒng)的單個(gè)組成要素,著力表現(xiàn)其與系統(tǒng)其他組成部分的相互作用,得到流域各環(huán)節(jié)及整個(gè)流域的有效反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)各要素對(duì)水資源過(guò)程影響作用的分析。研究結(jié)果旨在幫助深入了解鄱陽(yáng)湖流域水文水資源系統(tǒng)的形成機(jī)制。

1研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1研究區(qū)域概況

鄱陽(yáng)湖流域位于長(zhǎng)江中下游南岸,東經(jīng)113°35′~118°29′,北緯 24°29′~30°05′N 之間(圖1),總流域面積16.22萬(wàn)km2,占長(zhǎng)江流域面積的9%,占江西省面積的97.2%。五河來(lái)水分別從南、東、西3面流入湖泊,經(jīng)調(diào)蓄后由湖口注入長(zhǎng)江。湖泊水域面積3950km2,是長(zhǎng)江最大的通江湖泊。鄱陽(yáng)湖流域地處亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),氣候溫和,雨量豐沛。流域內(nèi)多年平均氣溫為11.6~19.6℃,且氣溫自北向南遞增,最熱、最冷月份分別是7月和1月,冷暖溫差約20℃。流域多年平均年降水量為1400~1800mm,降水年內(nèi)和年際變率大,全年降水50%以上集中在4—6月,最小降雨量出現(xiàn)在11—12月。流域多年平均地表水徑流量為1545.5億m3,平均年徑流深為925.7mm,多年平均地下水資源量為379.0億 m3。

圖1　鄱陽(yáng)湖流域及氣象水文站點(diǎn)

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所用氣象資料為1978—2007年鄱陽(yáng)湖五河流5個(gè)常規(guī)氣象站(圖1)月降水、氣溫和潛在蒸發(fā)數(shù)值,以及湖區(qū)3個(gè)氣象站(圖1)的降水和蒸發(fā)資料。氣象資料由江西省氣象站提供,潛在蒸發(fā)量通過(guò)彭曼公式計(jì)算得到,湖區(qū)蒸發(fā)量根據(jù)蒸發(fā)皿蒸發(fā)數(shù)據(jù)折算得到。水文資料包括鄱陽(yáng)湖五河水系主要控制站外洲站、李家渡站、梅港站、萬(wàn)家埠站和虎山站的1978—2007年實(shí)測(cè)日流量數(shù)據(jù),以及鄱陽(yáng)湖出口—湖口水文站1978—2007年間日水位、流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。用水資料統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于江西省統(tǒng)計(jì)年鑒以及江西省水資源公報(bào),對(duì)少數(shù)年份的缺項(xiàng)數(shù)據(jù),用標(biāo)準(zhǔn)平均值進(jìn)行了插補(bǔ)處理,最終得到1978—2007年鄱陽(yáng)湖流域的年度用水量、用水分配及用水結(jié)構(gòu)情況。

2研究方法

單純的水量平衡模型對(duì)湖泊出入水量的模擬效果欠佳,因此，本文采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法來(lái)構(gòu)建包括五河流域在內(nèi)的整個(gè)流域的水文水資源過(guò)程。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)有專用的軟件與語(yǔ)言,Vensim、PD-plus、STELLA、POWERSIM等，都是現(xiàn)在常用的SD軟件。本文采用 STELLA軟件來(lái)完成模擬。STELLA通過(guò)圖形化的符號(hào)建立流域水資源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),通過(guò)方程表示系統(tǒng)要素之間的定量關(guān)系,從而在宏觀上近似地重構(gòu)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

2.1鄱陽(yáng)湖流域水量平衡過(guò)程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示,在鄱陽(yáng)湖流域水文水資源系統(tǒng)中,湖泊水量直接影響到湖泊水位面積的變化,并由此間接影響入流量、出流量和湖區(qū)降水蒸發(fā)量,通過(guò)輸入湖泊初始時(shí)段的水量和各時(shí)段湖區(qū)蒸發(fā)降水量,迭代計(jì)算出各時(shí)段湖泊水量,再根據(jù)湖泊水量換算得到湖口水位。湖泊入流量則與流域徑流的產(chǎn)生直接相關(guān),圖2的虛線框描述了五河流域徑流產(chǎn)生的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。流域徑流一般由地表流、各層土壤徑流和基流組成。為更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)徑流量的模擬,本文將徑流組成概化為地表流和壤中流兩部分,并引入中間變量土壤蓄水來(lái)表示植被層及地表各層的總蓄水量。土壤蓄水同樣通過(guò)迭代計(jì)算得到。土壤蓄水直接影響蒸散發(fā)、地表流和壤中流,分別與蒸散發(fā)系數(shù)(a1)、地表徑流系數(shù)(a2)和壤中流系數(shù)(a3)有關(guān)。降水、氣溫和用水量影響著流域徑流的產(chǎn)生,也是整個(gè)系統(tǒng)其他變量發(fā)生變化的首級(jí)驅(qū)動(dòng)要素,為系統(tǒng)的主要輸入變量。

圖2　鄱陽(yáng)湖流域水文水資源的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程

2.2參數(shù)的率定及模擬結(jié)果評(píng)估

方程中大部分參數(shù)可根據(jù)已有的數(shù)據(jù)資料查閱或計(jì)算得到,只有與產(chǎn)流直接相關(guān)的a1、a2和a3需要率定。選取五河流域的5個(gè)水文站1978—1997年的月流量資料對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定,將1998—2007年月流量資料用于模型驗(yàn)證。采用確定性系數(shù)R2、Nash-Sutcliffe效率系數(shù)NNSE和多年徑流相對(duì)誤差RRE這3個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)估模擬效果。相關(guān)表達(dá)式為

(1)

(2)

(3)

式中:Qi為實(shí)測(cè)值;Di為模擬值;Qmean為實(shí)測(cè)值的平均值;Dmean為模擬值的平均值;n為徑流系序列的長(zhǎng)度。

3研究結(jié)果與討論

3.1鄱陽(yáng)湖流域徑流過(guò)程與模擬效果分析

圖3　1978—2007年五河流域水文站徑流量模擬值與觀測(cè)值對(duì)比

圖3為校核期和率定期五河流域水文站徑流模擬值和觀測(cè)值的比較。5個(gè)水文站點(diǎn)模擬與觀測(cè)徑流過(guò)程線擬合良好,均很好地再現(xiàn)了各子流域的徑流特征和變化趨勢(shì)。由圖3可見(jiàn),五河水系徑流年際變率較大,以1978—1982年和20世紀(jì)90 年代徑流增長(zhǎng)最為顯著,分別在1982和1998年到達(dá)高峰;1983—1987年左右,李家渡、梅港和外洲站年徑流呈較明顯降低趨勢(shì),集水面積較小的虎山站和萬(wàn)家埠站徑流變化則呈微弱波動(dòng);1998年之后,由于人類活動(dòng)影響作用的增強(qiáng),各子流域水量變化趨勢(shì)不盡相同,梅港、虎山和萬(wàn)家埠站徑流量年際變化較不穩(wěn)定,整體上略微減少,李家渡站和外洲站徑流量則明顯呈增加趨勢(shì)。各河流徑流年內(nèi)分配也具有一定的不均勻性,五河水系徑流的年內(nèi)分配較一致,春夏季是主要產(chǎn)流時(shí)期,徑流在3—4月迅速增加,在5月底和6月初達(dá)到峰值,7—8月徑流直線減少,隨后進(jìn)入枯季。

表1為校核期與驗(yàn)證期五河流域徑流量統(tǒng)計(jì)指標(biāo)結(jié)果。在校核期,5個(gè)水文站點(diǎn)的徑流相對(duì)誤差RRE在±10%內(nèi),Nash-Sutcliffe效率系數(shù)變化范圍為0.70~0.90,確定性系數(shù)在0.90以上,擬合效果較為理想。驗(yàn)證期各統(tǒng)計(jì)指標(biāo)與校核期相差較小,除外洲站的Nash-Sutcliffe效率系數(shù)降至0.68,虎山站的相對(duì)誤差有些偏高外,總體擬合效果較滿意。就各子流域徑流模擬效果而言,信江流域最好,其次為撫河流域。修水和饒河流域的控制站點(diǎn)選在支流上,由于實(shí)際徑流量較小,相對(duì)誤差略高于其他流域。贛江流域模擬值與觀測(cè)值相差最大,這主要是因?yàn)樵摿饔蛎娣e較大,同一時(shí)段的不同區(qū)域降水和氣溫有所不同,產(chǎn)流條件也不盡相同,而模擬時(shí)將此流域作為單個(gè)產(chǎn)流單元,未考慮子流域的空間非均勻性,導(dǎo)致個(gè)別時(shí)段徑流量的擬合存在一定的誤差。總體來(lái)說(shuō),SD方法對(duì)鄱陽(yáng)湖流域產(chǎn)流過(guò)程具有較好的動(dòng)態(tài)模擬能力,能提供可靠的湖泊來(lái)水輸入條件。

表1　SD方法對(duì)鄱陽(yáng)湖流域五河徑流模擬效果評(píng)估結(jié)果

3.2鄱陽(yáng)湖湖口水位變化過(guò)程模擬

鄱陽(yáng)湖湖口水位模擬值與觀測(cè)值對(duì)比結(jié)果如圖4所示,圖4(a)為1978—2007年模擬水位與觀測(cè)水位對(duì)比圖,圖4(b)為長(zhǎng)期月平均水位比較。由圖4可見(jiàn), 模擬結(jié)果能較準(zhǔn)確地呈現(xiàn)湖泊水位的年際變化和季節(jié)性變化趨勢(shì)。在低水位(低于15m)時(shí),模擬值與觀測(cè)值表現(xiàn)出良好的一致性,而在高水位(高于15m)時(shí),模擬效果則有所降低。這與湖泊的形態(tài)構(gòu)造有著直接關(guān)系。鄱陽(yáng)湖容積-水位變化曲線表明,在水位高于15m時(shí),湖泊水位對(duì)水量的變化較為敏感。從水位模擬的季節(jié)特征上看,模擬值在徑流量最大的5—6月偏高,可能與流域徑流模擬結(jié)果偏高有關(guān)。在7—9月，長(zhǎng)江中上游洪水來(lái)臨,對(duì)湖口出流量具有頂托作用,而模擬中未能準(zhǔn)確體現(xiàn)其復(fù)雜的影響作用,因此在8—9月模擬水位有所偏低?？傮w來(lái)說(shuō),SD方法在湖泊水量平衡過(guò)程的模擬上能取得較理想的結(jié)果,并充分體現(xiàn)湖泊水位對(duì)流域徑流的響應(yīng)過(guò)程。

圖4　1978—2007年鄱陽(yáng)湖湖口站水位 模擬值與觀測(cè)值對(duì)比

圖5　降水量變化的系統(tǒng)響應(yīng)

3.3鄱陽(yáng)湖流域水文水資源過(guò)程的驅(qū)動(dòng)要素分析

根據(jù)鄱陽(yáng)湖流域水文水資源的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程分析(圖2),降水、氣溫和用水量是該系統(tǒng)的主要輸入變量,是影響水量平衡過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)要素。本研究通過(guò)單變量控制模擬方法,即以1978—2007年的變量取值為基準(zhǔn),綜合考慮現(xiàn)實(shí)條件下降水、氣溫和用水量的變動(dòng)幅度,在模型模擬過(guò)程中分別設(shè)定這3種核心驅(qū)動(dòng)因素增減10%的情景時(shí)其他相關(guān)要素的系統(tǒng)響應(yīng),從而確定這幾項(xiàng)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)要素對(duì)流域系統(tǒng)的影響作用與情景響應(yīng)關(guān)系。

圖5為降水增減10%時(shí),“土壤蓄水—徑流量—湖泊入流量—湖口水位”這一系統(tǒng)鏈中相關(guān)要素的響應(yīng)。根據(jù)圖5進(jìn)行進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析表明當(dāng)降水量增減10%時(shí),土壤蓄水和壤中流變化率均為7.10%和-9.64%,地表徑流對(duì)降水量的增減變化最為敏感,其對(duì)應(yīng)變化率分別為13.51%和-14.77%,體現(xiàn)了土壤蓄水和降水改變的雙重影響結(jié)果。相應(yīng)湖泊來(lái)水量變化率為12.89%和-10.40%,湖泊水位各月平均變化率為6.36%和-6.04%。在1—7月,湖泊水位的變化趨勢(shì)與來(lái)水量保持一致,此后由于出水量受長(zhǎng)江頂托作用,對(duì)來(lái)水量變化不敏感而基本維持不變,使得湖泊水位浮動(dòng)維持在0.6~1.0m,變化趨勢(shì)略大于來(lái)水量。除湖泊水位,當(dāng)降水變化率一定時(shí),相應(yīng)系統(tǒng)鏈中各要素的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)高度一致性,各月變化率基本保持穩(wěn)定,這表明以降水為首要驅(qū)動(dòng)要素的該系統(tǒng)鏈在流域水文水資源系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用,降水改變較大時(shí),其他要素的干擾作用將被大大削弱。

圖6為氣溫增減10%時(shí),“蒸散發(fā)-徑流量-湖泊入流量-湖泊水位”這一系統(tǒng)鏈中相關(guān)要素的響應(yīng)。受氣溫驅(qū)動(dòng)的該系統(tǒng)鏈中各要素同時(shí)受降水的影響。由圖6可見(jiàn),在降水量較低的秋冬季節(jié),蒸發(fā)量、徑流量等變化均不明顯,表明在干旱條件下,土壤濕度較低,蒸散發(fā)主要受土壤濕度控制,溫度變化不會(huì)帶來(lái)顯著影響。在降水量較充足、土壤濕度較大的4—8月,系統(tǒng)鏈中各要素對(duì)溫度變化敏感性較強(qiáng),其中蒸散發(fā)的變化最為顯著,在6月其最大正負(fù)變化率達(dá)13.13%和-23.91%,土壤蓄水和壤中流的變化量與蒸散發(fā)變化量呈負(fù)線性相關(guān),而其余變量在降水影響下對(duì)氣溫變化的敏感性相對(duì)削弱,總體變化率在5%以下。由于出流量變化的復(fù)雜性,湖泊水位相對(duì)來(lái)水量的變化趨勢(shì)在7月前后也有所不同,7—12月浮動(dòng)約為0.05～0.08m?？偟膩?lái)看,氣溫降低對(duì)該系統(tǒng)鏈的影響程度明顯高于氣溫增高,這主要由于該流域蒸散發(fā)處于較高水平,當(dāng)溫度增加時(shí),蒸散發(fā)增加的潛力小于溫度降低帶來(lái)的蒸散發(fā)減少量。

圖6　氣溫變化的系統(tǒng)響應(yīng)

用水量的影響作用主要體現(xiàn)在湖泊來(lái)水量上，而不改變子流域的產(chǎn)流過(guò)程。模擬計(jì)算表明,在用水量最高的7—9月,用水量增減10%將導(dǎo)致3.0億~4.3億m3的湖泊來(lái)水量改變,而出水量則變化不明顯,水位最高浮動(dòng)0.1m;4—6月及10月水量變化相對(duì)較小,約為0.8億~1.5億m3,水位浮動(dòng)在0.05m以下;其他月由于用水量少,對(duì)水量平衡過(guò)程無(wú)顯著影響。與降水和氣溫相比,用水量對(duì)鄱陽(yáng)湖流域水量的影響作用較小,但統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,1978—2007年,鄱陽(yáng)湖流域用水量增加了38%,而降水量與氣溫變化不顯著,變化率最大時(shí)期分別不超過(guò)8%和3%?？梢?jiàn)隨著人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,用水變化的可能性遠(yuǎn)大于降水和氣溫,因此其影響作用不可忽略。

4結(jié)論

a. 本研究通過(guò)SD方法構(gòu)建流域系統(tǒng)基本要素之間的物理結(jié)構(gòu)和關(guān)系,對(duì)鄱陽(yáng)湖流域流量、水位進(jìn)行模擬評(píng)估。整體上,SD方法能有效反映徑流、湖泊之間的相互作用機(jī)理,特別適用于河流、湖泊集水域的研究。研究結(jié)果表明,SD方法在流域產(chǎn)流過(guò)程的模擬上能取得較理想的效果,贛江流域外洲站模擬精度偏低,表明所構(gòu)建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不能反映大流域的空間非均勻性。對(duì)湖口站模擬結(jié)果與實(shí)際水位擬合良好,能較準(zhǔn)確地呈現(xiàn)湖泊水位的變化趨勢(shì),高水位時(shí)擬合誤差偏大,主要是由于高水位對(duì)湖泊水量變化的敏感性以及長(zhǎng)江洪水頂托作用的復(fù)雜性。

b. 通過(guò)單變量控制來(lái)研究鄱陽(yáng)湖流域降水、氣溫和用水量的影響作用,對(duì)相應(yīng)系統(tǒng)鏈中其他要素模擬分析表明，降水在流域系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用,主要體現(xiàn)在對(duì)地表徑流和湖泊來(lái)水的影響,降水量改變較大時(shí),其他條件的干擾作用則被削弱。氣溫通過(guò)影響蒸散發(fā)和土壤蓄水來(lái)改變水量平衡條件,且影響作用主要反映在土壤濕度較高的春夏季節(jié),其他變量受降水量控制,對(duì)氣溫變化的敏感性相對(duì)較低,氣溫降低比氣溫升高的影響效果更為顯著。

c. 鄱陽(yáng)湖流域水文水資源過(guò)程在降水和氣溫的驅(qū)動(dòng)下,變化趨勢(shì)基本一致,但由于出水量在7—9月受長(zhǎng)江頂托作用,受來(lái)水量變化影響作用較小,使得湖泊水位在7月前后變化趨勢(shì)有所不同。用水量的影響主要體現(xiàn)在7—9月,總體來(lái)看,用水量對(duì)流域水文水資源過(guò)程的影響最小,用水量、氣溫和降水的影響比例約為1∶3∶10,但由于用水量變化的可能性要大于降水和氣溫變化,因此其影響作用不可忽略。

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