陇西黄土高原祖厉河流域分布式水文模拟研究

论文摘要

作为生态系统物质循环与能量流动的主要载体,水的形成演化具有一定的时空规律。这种规律与水文循环的自然或人为影响因素之间存在着格局数量上的互动调控,并且与生态系统其它资源的分布变迁息息相关。因此,考虑环境变量时空异质性的水文模型构建,是水文过程乃至其它资源过程研究的基础性工作。 上世纪八、九十年代至今,在地理信息系统、遥感和全球定位系统等先进地学技术的支撑下,水文模型的构建以“分布式”为主流和前沿。分布式水文模型有助于水文规律探索的空间化,其应用有利于区域自然资源规划管理的“分布式”展开。研发分布式水文模型有着理论研究和实践应用的双重效益,前景良好。 历年来,在黄土高原实施以调整土地利用结构、恢复植被为重点的生态建设使该地区产水产沙条件发生显著改变,对区域生态水文系统内水量平衡各要素的对比关系以及暴雨洪水与土壤侵蚀过程产生显著影响。为定量研究上述影响及变化的时空特性,论文选题于导师冯兆东教授主持的教育部重大项目“陇西黄土高原植被恢复与重建过程中水文-植被-大气耦合过程研究”,以甘肃陇西黄土高原祖厉河流域为研究区,在水文学研究与地理信息系统整合方案讨论的基础上,针对不同时间尺度,就环境要素时空变化情景下分布式水文模型构建的方式方法进行探索性研究,得到以下几点初步结论。 1.空间离散是分布式水文模型构建的基础;地理信息系统强大的空间分析能力能够满足不同时空尺度的建模需求。以测站为控制进行流域离散,有利于实现传统水文学方法和分布式水文模型理论框架与概念体系的有机结合,使区域尺度分布式水文模型的率定效率得以提高;同时,在资料充分利用的情况下,有助于模拟精度的改善; 2.SCS产流模型能够体现下垫面异质性对水文过程的影响;以流域面积治理比为参量进行净雨调控计算,能够反映流域综合治理对降水的宏观截蓄效应。上述方法使区域尺度净雨的分布式计算得到实现,净雨总量得到控制,径流模拟精度得到提高; 3.传统单位线方法是解决大尺度汇流计算问题的有效手段。小步长模拟要考虑子流域汇流,在测站稀少地区,采用地貌瞬时单位线方法比较可行;而考虑汇流计算的大步长模拟,Clark方法具有模式相对稳定,率定容易实现的优点,模拟精度比较可靠; 4.针对不同时期典型年份降水和下垫面因素影响年径流总量形成的数据实验表明,降水变化对黄土高原区域尺度径流形成的影响复杂而深远,但其河道贡献效应是随着流域治理程度的提高而削弱的,两种因素共同作用,致使1970年代以来祖厉河流域年径流总量呈现总体衰减趋势。 研究取得的主要进展: 1.基于数据实验求证了SCS产流模型应用于黄土高原区域尺度水文计算的适宜性,是时空尺度变化情形下SCS模型在应用方面的提高和改进; 2.实现了时-面曲线推求和GIS空间分析算法的有机结合。等流时面基于地形分异和流长分级进行划分。与传统方法相比,使区域尺度时.面曲线计算的问题得到较好解决,且精度和效率得到一定程度的提高; 3.就黄土高原地区大尺度流域分布式水文模型构建的方式方法进行探索性研究,丰富和发展了区域尺度分布式水文模型研究的内容; 4.基于DEM构建黄土高原区域尺度分布式水文模型,提高了水文模拟的空间分辨率,使水文环境变量的过程异质性得以体现,可为黄土高原区域尺度与水有关的其它资源过程模式的研究提供模式借鉴。

论文目录

• 原创性声明
• 目录
• 图表索引
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究进展和存在的问题
• 1.3 研究目的和意义
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究意义
• 1.4 研究内容、技术路线与方法
• 第2章 研究区概况
• 2.1 自然地理
• 2.2 地质地貌
• 2.3 土壤植被
• 2.3.1 土壤
• 2.3.2 植被
• 2.4 气象水文
• 2.5 土地利用
• 2.6 流域治理
• 小结
• 第3章 流域水文模拟的时空尺度与分辨率
• 3.1 流域水文模拟的时空尺度
• 3.2 流域水文模拟的时空分辨率
• 3.3 祖厉河流域分布式水文模拟的时空尺度和分辨率
• 3.3.1 流域边界
• 3.3.2 高程分布
• 3.3.3 坡度
• 3.3.4 水系（河道）
• 小结
• 第4章 空间离散
• 4.1 空间离散的概念
• 4.2 空间离散的方法
• 4.3 祖厉河流域空间离散
• 4.3.1 流域基本离散
• 4.3.2 HRUs（水文响应单元）
• 小结
• 第5章 次降雨-径流过程的分布式模拟
• 5.1 祖厉河流域的暴雨时空分布特征
• 5.2 祖厉河流域径流时空特征
• 5.3 模型的总体结构
• 5.4 模型的微结构
• 5.4.1 面雨量
• 5.4.2 不透水面积
• 5.4.3 植被截留
• 1）'>5.4.4 落地雨量（P₁）
• 5.4.5 下渗和地表产流
• 5.4.6 流域汇流
• 5.5 模型验证
• 小结
• 第6章 日流量过程的分布式模拟
• 6.1 祖厉河流域日降雨特征和径流过程
• 6.1.1 日降雨特征
• 6.1.2 径流过程
• 6.2 模型的总体结构
• 6.3 模型的微结构
• 6.3.1 落地雨量
• 6.3.2 净雨
• 6.3.3 河网入流
• 6.3.4 河网调蓄
• 6.4 模型实现
• 6.4.1 壤中流退水系数
• 6.4.2 河网总入流
• 6.4.3 河网调蓄
• 6.5 模型验证
• 小结
• 第7章 月径流过程的分布式模拟
• 7.1 祖厉河流域月降水特征和径流规律
• 7.1.1 降水特征
• 7.1.2 月径流规律
• 7.2 模型结构
• 7.2.1 落地雨量
• 7.2.2 SCS产流及净雨
• 7.2.3 月蒸散发总量估算
• 7.3 模型实现
• 7.3.1 月截留总量
• 7.3.2 净雨比例及流域治理调控方程
• 7.4 模型验证
• 小结
• 第8章 径流的年际变化
• 8.1 祖厉河流域降水径流的年际变化
• 8.1.1 降水
• 8.1.2 径流年际变化特征
• 8.2 模型结构及率定资料构成
• 8.3 净雨比例和流域治理面积百分比关系模式率定
• 8.4 年际径流变化的还原验证
• 8.5 模式的适用性及误差来源分析
• 8.6 年际径流对降水和下垫面变化的响应
• 小结
• 第9章 结论和展望
• 9.1 结论
• 9.2 问题及展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间学习情况