论文总字数：28664字

摘 要

SWAT模型作为使用最广泛的水文模型之一，经过多年的完善，功能广泛，能模拟大多数水文过程。针对汾河流域地理特点，根据山西省的DEM数据、土壤数据、土地利用类型数据、气象数据等利用SWAT模型进行汾河流域的水文模拟。结合其输出结果与搜集到的汾河流域生态数据建立评价体系，对汾河流域的生态系统健康与脆弱性进行评价。基于SWAT模型从空间角度将汾河流域划分为27个不重叠子流域，并对其进行了生态系统脆弱性评价，其中度脆弱的流域占总流域的70%且集中于流域的中下游；对汾河流域中上游1-18号子流域进行生态系统健康评价，其中处于“健康”级别的子流域占79%，多位于流域上游，总体健康度偏低。评价体系使用层次分析法构建，能较好的反应汾河流域的生态系统健康与脆弱性。

关键词：SWAT模型；流域生态系统；健康性；脆弱性

Abstract

As one of the most widely used hydrological models, SWAT model can simulate most hydrological processes after years of improvement and extensive functions. According to the geographical characteristics of FenHe River Basin, according to the DEM data, soil data, land use type data and meteorological data of Shanxi Province, the SWAT model is used to simulate the hydrology of FenHe River Basin. Combined with the output results and collected ecological data of FenHe River Basin, an evaluation system was established to evaluate the health and vulnerability of FenHe River basin ecosystem. Based on SWAT model, the FenHe River Basin is divided into 27 non overlapping sub basins, and its ecosystem vulnerability is evaluated, in which the vulnerable watershed accounts for 70% of the total watershed and is concentrated in the middle and lower reaches of the basin; the ecological system health evaluation is carried out for the no.1-18 sub Basin in the middle and upper reaches of the FenHe River Basin, in which the healthy sub basin accounts for 79%, mostly in the upper reaches of the basin , the overall health is low. The evaluation system constructed by AHP can reflect the ecosystem health and vulnerability of FenHe River Basin.

Key Words：SWAT model; watershed ecosystem; health; vulnerability

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究方案 1

1.2研究目的 2

1.3研究区域 3

1.3国内外研究现状 5

1.3.1国内研究现状 5

1.3.2国外研究现状 5

1.3.3文献评析 6

第2章 研究方法与原理 7

2.1 SWAT模型原理 7

2.1.1坡面产流和汇流部分 7

2.1.2河道汇流部分 8

2.1.3SWAT模型模拟过程中的计算 9

2.1.3SWAT模型运行流程 12

2.2脆弱性评价体系 14

2.2.1生态系统敏感度指标 15

2.2.2生态压力度指标 16

2.2.3生态系统脆弱度综合指标 17

2.3生态系统健康评价体系 19

2.3.1 水质评价 19

2.3.2 生物评价 20

2.3.3生态系统健康度综合指标 21

第3章 汾河流域生态系统健康与脆弱性评价 22

3.1SWAT模型运行过程 22

3.1.1研究数据获取 22

3.1.2 研究数据预处理 22

3.1.3 水文响应单元 28

3.1.4 气象数据的引入与输入文件的创建 31

3.1.4 SWAT模型运行 31

3.2汾河流域生态系统脆弱性评价结果 33

3.3汾河流域生态系统健康评价结果 35

第4章 结果与分析 37

参考文献 38

致谢 41

第1章 绪论

SWAT模型是使用最为广泛的水文模型之一，在流域尺度下水文模拟方面有着卓越的性能，对于流域生态的分析工作有着重要作用。由于SWAT模型并非针对我国地理条件以及标准构建而成，在对我国地理环境进行模拟时需要对我国地理数据进行繁琐的处理以及调试，导致在我国的流域生态系统健康与脆弱性评价中SWAT模型的应用并不广泛。针对这种情况，拟使用汾河流域生态数据进行SWAT模型模拟，结合模拟结果数据以及搜集到的地理数据，对汾河流域生态系统健康与脆弱性进行评价。指出汾河流域发展过程中可能面对的生态问题，并为SWAT模型在我国生态评价中的应用做出参考。

1.1研究方案

通过SWAT模型对汾河流域进行水文模拟，建立汾河流域健康与脆弱性评价指标体系。结合搜集到的生态环境数据（底栖动物、浮游生物密度以及鱼类多样性指数、人口密度、土地利用结构等），配合SWAT模型模拟结果，计算汾河流域生态健康与脆弱性评分，以期对汾河流域进行健康脆弱性评价。图1显示了研究程序的流程图。汾河流域的DEM数据用于流域划分，将汾河流域划分为子流域，做为SWAT模型模拟和生态评价的基础。根据SWAT模型要求，建立相应的土壤数据库以及索引表；结合气象数据建立SWAT模型的输入文件，对研究流域进行水文模拟，得到模拟结果；建立汾河流域生态系统健康与脆弱性评价体系，结合模拟结果与实测生态环境数据计算汾河流域生态系统健康与脆弱性评价指标，与汾河流域子流域矢量图关联以进行汾河流域生态系统健康与脆弱性评价。

1.2研究目的

汾河流域位于山西省，处于我国的黄土高原，是黄河的支流。黄土高原面临的水土流失问题亟待解决，生态系统健康状况不容乐观。区域内河流多且杂，汛期流量大，造成了严重的水土流失，每年都会流失极多的氮磷钾等营养物质，作物与植物生长愈发困难，在经济和生态上造成愈发严峻的后果。

要深入了解黄土高原所面临的问题，深入研究黄土高原的生态系统现状，对其生态系统进行合理准确的评估，才能精准把握其问题，提出合理的解决方案。而提出解决方案需要对黄土高原的生态系统面临的问题有精准的把握，生态系统健康与脆弱性评价正是了解生态系统状况的关键技术手段^[2]，针对研究区域的特点，设计

合理的生态系统健康与脆弱性评价体系，对研究区域进行评价。

图1.1 流域生态系统健康与脆弱性研究程序示意图

在评价过程中，需要很多研究区域的地理数据，流域生态系统健康为例，最为难以获得的为水文数据尤其是近年的数据，使用水文模型对流域进行水文模拟，以模拟结果作为进一步研究中的数据支撑，在空间甚至时间尺度上对研究区域进行分析，能解决大部分数据上的问题。

本文选取应用广泛的水文模型SWAT模型对研究区域进行模拟，旨在为未来流域生态系统修复工程提供理论与实践参考。而SWAT模型在单个流域内的模拟效果最好，黄土高原作为研究区域来说，范围过大，故选择黄土高原山西省的汾河流域作为研究区域。

1.3研究区域

汾河流域占地广阔，是山西省最大的河流，图1.2为汾河流域行政区划图。属于半干旱季风性气候，流域内气候差异大，降水以季节性变化为主，汛期水量占全年水量七成，且多暴雨。流域年降水量自1956年多呈减少趋势^[3]。

汾河流域在山西省的经济发展中也有着极高的重要性，山西省的工业以及农业多集中在汾河流域及其附近。汾河流域的人口密度高，工厂密集，是山西省经济发展的重点区域。更重要的是，山西省人民的生活用水的主要来源就是汾河，占全省用水的40%以上，而汾河流域在开发过程中，作为山西省的工业中心，收到了严重的污染，生态系统遭到了破坏，制约着汾河流域自身的经济发展。

1.3国内外研究现状

1.3.1国内研究现状

1. SWAT模型应用现状

随着党和国家对生态文明建设的愈发重视，我国对于流域生态系统的研究也取得了诸多显著成果，对流域生态系统的健康评价等方面都做了深入研究。我国对于SWAT模型的应用已经积累了一定的研究，研究区域多为大江大河的一些子流域，其中长江与黄河是研究最为频繁的地区，对模型的改进有一定的研究。

1. 生态系统健康与脆弱性评价体系

国内对于生态系统健康以及脆弱性方面的研究显得较为薄弱，且其研究区域多集中于长江、黄河、渭河、汾河、黑河等大江大河，水源充裕的地区，少有着眼于黄土高原这样水土流失严重，降雨量极不均衡的地区。

在长江流域的长江口海域，何彦龙等（2019）从生态系统脆弱性影响因素出发，以生态敏感性为重点研究方向，结合生态系统自我调节能力对研究区域的生态系统进行脆弱性评价^[4]。

在黄河流域的黄河三角洲，生态系统遭受了比较严重的破坏，吴春生等（2018）构建新的黄河三角洲的评价体系，参考国外“压力-状态-响应”模型框架，结合研究区域具体条件，选取了21个评价指标构建了黄河三角洲生态系统脆弱性评价体系^[6]。

国内对于SWAT模型与流域生态系统脆弱性评价的结合使用也有初步的探索与研究基础，宋一凡等（2017）以艾布盖河流域^[2]为研究区域，建立相应的生态脆弱性评价方法，结合SWAT模型的子流域划分结果对研究区域的生态系统脆弱性进行综合评价^[7]。

1.3.2国外研究现状

1. SWAT模型应用现状

在北美与欧洲，SWAT模型在很多流域的流量模拟、营养物质与农药输移模拟、水质评价等工作中有着广泛应用。

图1.2 汾河流域行政区划图

1. SWAT模型应用现状

在北美与欧洲，SWAT模型在很多流域的流量模拟、营养物质与农药输移模拟、水质评价等工作中有着广泛应用。

在密西西比河流域，Arnold等对于流域的地下水补给以及流量，使用SWAT模型进行模拟且精度较高^[8]；Eckhardt 等对于SWAT模型的自动率定方法进行检测，在德国中部某牧区，以地表径流为率定根据，结果其R²为0.84^[9] ；Chap lot指出，在SWAT模型模拟过程中，DEM数据进行的流域离散对于地表径流模拟结果影响较小，模拟结果主要受土壤类型数据的比例尺影响^[10]。

1. 生态系统健康与脆弱性评价研究现状

澳大利亚与欧美各国自20实际80年代起，都先后建立了自己的生态系统健康与脆弱性评价体系，澳大利亚研究机构CSIRO建立起一种基于流域生态环境监测评价的指标体系作为流域生态系统健康的检测方法，这一评价体系由环境背景、环境趋势和经济变化趋势三方面共29项指标组成反映研究区域的环境问题^[11]。

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