流域泥沙动力学机理与过程模拟

论文摘要

从雨滴降落到地面接触土壤并产生地表径流起,土壤侵蚀和产沙开始发生,之后被剥离的土壤作为泥沙随水流运动,并由沿程冲刷和淤积补充或削减,汇入大江大河,并到达河口进入海洋。泥沙从在地表被剥离到进入海洋的这个生命周期在一个流域中是连续的物理过程。流域泥沙动力学指包括流域面的土壤侵蚀和不同级别沟道河道的泥沙运动在内的流域内泥沙产生、输移和沉积的连续全过程的动力学理论体系与模拟方法。本文以黄河中游多沙粗沙区为例,采用基于动力学的分析与建模方法,实现了流域内泥沙运动全过程模拟。首先,借鉴相关学科已有成果,对多沙粗沙区流域泥沙过程机理进行分析。指出区分不同地貌组成和侵蚀产沙过程,分别建立相应模拟模型并合理集成是完成具有动力学意义的泥沙过程模拟的基础。在所研究区域,这些模型应包括坡面产流产沙模型、沟道水沙演进模型和重力侵蚀模型等。论文将坡面作为基本单元建立了以描述超渗产流过程为主的降雨径流模型,改进并进一步验证了一种基于过程的坡面土壤侵蚀模型。这个土壤侵蚀模型将地表径流作为侵蚀过程的驱动力,考虑了水流强度、土壤可蚀性和微地貌形态的影响。为计算无断面资料沟道中的水流演进和泥沙冲淤过程,提出了采用扩散波方法和悬移质不平衡输沙模式的模拟方法。同时,明确了已有重力侵蚀模型在流域中的运用方式。为使这些模型按水沙运动的顺序集成运行,并提供其在流域尺度应用时需要的计算能力,提出了一种基于二叉树的树状河网编码方法,并在其基础上实现了计算机集群上的流域并行计算。最后,将模型在流域中率定和检验,证明了其模拟流域水沙过程的有效性,并得到了坡面侵蚀、重力侵蚀和沟道侵蚀在流域中的分布及三者的比例关系。进一步,使用模型模拟结果初步解释了流域泥沙过程中尺度现象的形成原因,指出重力侵蚀对尺度现象的贡献最为显著;设定不同情景分析了土壤侵蚀在不同降雨变化下的响应,指出在流域内降雨量减少的情景下,径流量减少的幅度大于侵蚀量的减少幅度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究对象
• 1.2 相关研究现状
• 1.2.1 主要侵蚀与水质模型的结构和特点
• 1.2.2 土壤侵蚀公式的主要形式
• 1.2.3 流域土壤侵蚀模型研究的进展
• 1.2.4 黄土高原侵蚀产沙研究概况
• 1.3 研究内容与方法
• 第2章 黄土高原流域泥沙过程机理
• 2.1 与泥沙过程相关的流域特征因子
• 2.1.1 降水、植被与土壤特征
• 2.1.2 地质地貌特征和河网
• 2.1.3 人类活动影响
• 2.1.4 不同因素间的相互作用
• 2.2 黄土高原的主要特征因子
• 2.2.1 降水特征
• 2.2.2 土壤与土地利用特征
• 2.2.3 植被特征
• 2.2.4 地貌特征
• 2.3 流域泥沙过程中的尺度现象
• 2.4 不同部位的主要泥沙过程
• 2.4.1 降雨入渗及溅蚀过程
• 2.4.2 坡面径流侵蚀
• 2.4.3 沟坡区的重力侵蚀
• 2.4.4 沟道输沙过程
• 2.5 黄土高原泥沙过程的模型概化
• 第3章 坡面产流产沙模型
• 3.1 超渗产流模型
• 3.1.1 模型的结构与计算流程
• 3.1.2 产流过程模拟
• 3.1.3 汇流过程
• 3.1.4 参数取值
• 3.2 坡面产沙模型
• 3.2.1 产沙模型的概化
• 3.2.2 坡面产沙计算公式
• 3.2.3 公式合理性检验
• 3.2.4 公式的适用性
• 3.3 本章小结
• 第4章 沟道水沙演进模型
• 4.1 精确扩散波汇流模型
• 4.1.1 马斯京根-贡日法
• 4.1.2 时空步长的选择
• 4.1.3 水力要素的计算
• 4.1.4 验证与对比
• 4.2 沟道输沙计算
• 4.3 沟道水沙计算的验证
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于河网分解的流域并行计算
• 5.1 流域泥沙过程模拟提出的河网并行计算需求
• 5.2 数字流域平台的应用与改进
• 5.3 基于二叉树的河网编码方法
• 5.3.1 河网的二叉树特征
• 5.3.2 快速定位节点的二叉树编码
• 5.3.3 基于二叉树的河网编码方法
• 5.3.4 基本拓扑关系
• 5.3.5 典型应用的拓扑算法
• 5.3.6 大型流域的分区编码方法
• 5.4 基于河网分解的并行计算
• 5.4.1 河网分解算法
• 5.4.2 任务调度流程
• 5.4.3 基于MPI 和计算机集群的实现方式
• 5.5 模拟模型的集成
• 5.5.1 模型集成方法
• 5.5.2 模拟尺度的提升
• 5.6 本章小结
• 第6章 流域泥沙过程模拟实例
• 6.1 重力侵蚀模型的应用
• 6.2 岔巴沟流域水沙过程模拟
• 6.2.1 计算准备
• 6.2.2 模型率定
• 6.2.3 模型应用
• 6.2.4 结果分析
• 6.3 无定河流域泥沙过程模拟
• 6.3.1 计算准备
• 6.3.2 参数率定
• 6.3.3 应用结果
• 6.3.4 结果分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 流域泥沙过程规律分析
• 7.1 流域泥沙过程的尺度现象解释
• 7.1.1 模拟结果中重现的尺度现象
• 7.1.2 对尺度现象来源的分析
• 7.2 降雨变化对侵蚀产沙的影响
• 7.2.1 降雨变化趋势和情景设置
• 7.2.2 径流和输沙量结果
• 7.2.3 不同土壤侵蚀组成的变化
• 7.2.4 结果分析
• 7.3 本章小结
• 第8章 总结与展望
• 8.1 主要成果
• 8.2 主要创新点
• 8.3 研究不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果