流域产汇流过程的理论探讨及其应用

论文摘要

流域水文模型是洪水预报的主要工具,是减免洪水损失非常重要的非工程措施,也是合理利用水能、水资源的非工程措施。无论是重大问题的决策、水利工程的运行,还是防洪抗旱等均离不开水文模型的支撑。在我国半干旱半湿润地区,现有的水文模型难以取得比较满意的结果。本文选择半干旱半湿润典型代表区海河流域为研究对象,通过对流域降雨径流响应的分析,初步确定了流域的产汇流机制以及影响产汇流参数的因素,据此建立了流域产汇流模型,并对模型进行了参数率定和验证。模型在海河流域下垫面变化对洪水径流的影响分析中得到了应用。主要研究成果如下:(1)通过分析流域径流对降雨的响应,认为流域的产流机制并非单一,而是与降雨特性和初始土壤含水量有关,如果降雨强度较小、初始土壤含水量高,以蓄满产流方式为主;降雨强度大、初始土壤含水量低,以超渗产流方式为主。结合土壤的大孔隙下渗原理建立了流域大孔隙超渗和大孔隙蓄满产汇流模型,在柳河流域和紫荆关流域得到了验证。(2)汇流单位线决定了径流模拟的精度,采用实测降雨径流资料,通过基流分割和净雨计算来推求的单位线,由于暴雨量级和暴雨中心位置不同,单位线的形状也不同。SCS无因次单位线和由概率密度函数推求的单位线在无资料地区是一种有效的汇流计算途径。(3)为了提高模型参数率定的效率,对模型中的参数采用RSA和Sobol’两种全局灵敏度分析方法进行了参数灵敏度分析,两种方法在确定性系数、径流总量误差、相关系数和均方差等不同的目标函数控制条件下所得的结果基本一致。这样,对模型中较为敏感的参数进行率定,不敏感的参数采用经验值即可。RSA法率定的参数不是一个最优值,而是对参数值一个较小范围的确定,避免了参数的局部最优解。(4)选择下垫面变化较大的海河流域为研究对象,分析了其子流域柳河流域和紫荆关流域的下垫面变化对产汇流因子的影响。在柳河流域和紫荆关流域分别率定了大孔隙蓄满产汇流模型和大孔隙超渗产汇流模型在80年代前和90年代后的两组参数,用这两组参数分别模拟历史洪水。结果表明,由于下垫面的变化,相同降雨情况下90年代后的洪峰流量和洪水总量比80年代前有所减小,在柳河流域分别平均减少4.9%和1.7%,在紫荆关流域分别平均减少4.8%和1.7%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的背景及研究意义
• 1.2 海河流域概况
• 1.2.1 地形地貌
• 1.2.2 气候
• 1.2.3 河流水系
• 1.2.4 暴雨特征
• 1.2.5 洪水特征
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 产汇流理论的国内外研究现状
• 1.3.2 水文模型的国内外研究现状
• 1.3.3 下垫面变化对洪水径流影响的国内外研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 1.5 本文创新点
• 第二章 流域径流响应过程一些关键问题的探讨
• 2.1 典型降雨径流过程线分析
• 2.2 径流特征及其影响因素关系分析
• 2.3 地下径流退水过程线分析
• 2.3.1 地下径流退水过程研究进展
• 2.3.2 地下径流退水流量和含水层蓄水量之间的关系
• 2.3.3 地下径流退水曲线的图形分析
• 2.3.4 地下径流退水过程的模型模拟分析
• 2.4 径流系数的尺度效应
• 2.4.1 滦河流域概况
• 2.4.2 径流系数计算
• 2.4.3 径流系数减小原因分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于大孔隙产流理论的流域产汇流模型的建立
• 3.1 流域产流机制
• 3.1.1 土壤水分变化
• 3.1.2 产流模式
• 3.2 大孔隙流研究概况
• 3.2.1 大孔隙分类研究
• 3.2.2 大孔隙流研究
• 3.3 大孔隙超渗产汇流模型
• 3.3.1 模型结构
• 3.3.2 模型应用实例
• 3.4 大孔隙蓄满产汇流模型
• 3.4.1 模型结构
• 3.4.2 模型应用实例
• 3.5 本章小结与讨论
• 第四章 流域汇流单位线推求方法的探讨
• 4.1 单位线的基本概念
• 4.2 根据降雨径流实测资料推导单位线
• 4.2.1 有效降雨过程的确定
• 4.2.2 基流的分割方法
• 4.2.3 单事件法推求单位线
• 4.2.4 Collins法推求单位线
• 4.2.5 线性规划方法推求单位线
• 4.2.6 最小二乘法推求单位线
• 4.2.7 降雨径流实测资料推求单位线结果
• 4.3 SCS无因次单位线
• 4.4 由概率分布推求单位线
• 4.4.1 二参数对数正态分布
• 4.4.2 二参数gamma 分布
• 4.4.3 二参数负gamma 分布
• 4.4.4 二参数Pareto 分布
• 4.4.5 二参数Weibull 分布
• 4.4.6 二参数Frechet 分布
• 4.4.7 三参数双边幂分布
• 4.4.8 单位线结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 产汇流模型参数灵敏度分析及其率定方法
• 5.1 模型参数灵敏度分析
• 5.1.1 局部灵敏度分析
• 5.1.2 全局灵敏度分析
• 5.1.3 大孔隙蓄满产汇流模型参数灵敏度分析结果
• 5.1.4 大孔隙超渗产汇流模型参数灵敏度分析结果
• 5.2 模型参数率定
• 5.2.1 RSA 优化方法
• 5.2.2 RSA 法参数率定实例
• 5.3 本章小结
• 第六章 下垫面变化对产汇流过程及洪水影响问题的探讨
• 6.1 问题的提出
• 6.2 下垫面变化对洪水影响的实测资料分析
• 6.2.1 海河流域下垫面变化分析
• 6.2.2 产汇流过程变化分析
• 6.3 下垫面变化对洪水影响的模型模拟分析
• 6.3.1 1980 年前和1990 年后产汇流模型的参数分析
• 6.3.2 下垫面变化对降雨径流影响的模型模拟分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢