基于不规则三角形网格的物理性流域水文模型研究

论文摘要

物理性流域水文模型基于严格的数学物理方程构建，参数具有明确的物理意义，可应用于缺资料地区以及气象或下垫面变化条件下的水文模拟和预测，得到了水文学家的广泛关注，在遥感等空间观测技术迅速发展的今天更成为流域水文模拟理论研究和实践应用的重要方向。但现有的物理性流域水文模型多基于规则矩形网格建立，难以有效解决下垫面空间变异性描述精度和计算效率之间的矛盾，基于不规则网格构建流域水文模型是大尺度水文模型发展的新趋势。目前基于不规则网格构建准物理性流域水文模型，需要在研究区域空间离散的基础上，对流域水文过程进行一定程度的概化，基于“流带-坡面单元”的GBHM模型和基于Vironoi单元的tRIBS模型是其中的典型代表。根据这一思路，论文构建了基于水文相似坡面单元的准物理性流域水文模型，用于岩溶发育地区的水文模拟，并考虑人类取用水活动的影响，丰富了基于不规则网格的准物理性流域水文模型的构建方法，在沁河流域水资源形成转化分析中得到了满意的结果。从描述流域水文过程严格的数学物理方程出发，基于不规则网格构建完全的物理性流域水文模型是流域水文模型理论研究深化的必然要求。论文总结了流域空间离散方法中规则网格和不规则网格的优缺点，讨论了有限差分法、有限元法、有限体积法和边界元法等数值方法在物理性流域水文模型数值求解中的适用性，并基于一般不规则网格推导了流域主要水文过程数学物理方程的有限体积法离散格式，建立了基于一般不规则网格物理性流域水文模型的数学框架，并具体基于不规则三角形网格建立了物理性流域水文模型，研究了综合多种地理信息生成不规则三角形网格的方法和原则。论文以半干旱半湿润区的沁河流域为对象，进行了基于不规则三角形网格的物理性流域水文模型的初步应用和验证。结果表明，不规则三角形网格能够以较少的网格数高精度地描述流域下垫面的空间变异性，模型能够对径流过程给予较好地模拟和预测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 流域水文模型
• 1.2 物理性流域水文模型
• 1.2.1 物理性流域水文模型的基本原理
• 1.2.2 物理性流域水文模型构建的步骤和方法
• 1.2.3 典型的物理性流域水文模型
• 1.2.4 物理性流域水文模型存在的问题与挑战
• 1.3 基于规则和不规则网格建立流域水文模型
• 1.3.1 SHE 模型
• 1.3.2 GBHM 模型
• 1.3.3 tRIBS 模型
• 1.3.4 SWAT 模型
• 1.4 论文研究思路和主要内容
• 第2章 基于水文相似坡面单元的流域水文模型及其应用
• 2.1 概述
• 2.2 模型原理
• 2.2.1 水文相似坡面单元
• 2.2.2 流域水文过程的数学物理描述
• 2.3 模型验证和不确定性分析
• 2.3.1 研究区域概况
• 2.3.2 模型率定和验证
• 2.3.3 模型的不确定性分析
• 2.4 模型在沁河流域水资源转化分析中的应用
• 2.4.1 地表水地下水资源量分析
• 2.4.2 地表水与地下水转换规律分析
• 2.4.3 不同气象条件下的模拟
• 2.5 小结
• 第3章 基于不规则三角形网格的物理性水文模型构建
• 3.1 概述
• 3.2 基于不规则网格构建物理性流域水文模型的数学框架
• 3.2.1 模型构建思路
• 3.2.2 数值求解
• 3.2.3 不规则网格划分
• 3.2.4 主要水文过程的空间离散
• 3.3 不规则三角形网格及研究区域的离散
• 3.3.1 不规则三角形网格的特点
• 3.3.2 研究区域基于不规则三角形网格的离散
• 3.4 物理性水文过程数学模型构建
• 3.4.1 降水、蒸发、截留与填洼
• 3.4.2 入渗与非饱和土壤水运动
• 3.4.3 坡面汇流
• 3.4.4 河网汇流
• 3.4.5 地下水流动
• 3.5 模型的求解
• 第4章 模型计算数据的分析和处理
• 4.1 研究区域下垫面基础数据与参数
• 4.2 计算数据的前处理
• 4.2.1 河网生成
• 4.2.2 坡度坡向的生成
• 4.2.3 地形指数计算
• 4.2.4 降水的时空分配
• 第5章 基于不规则三角形网格的物理性流域水文模型的评价与验证
• 5.1 概述
• 5.2 不同下垫面离散形式对地形描述精度的比较
• 5.2.1 TIN 不同插值方法的比较
• 5.2.2 Grid 与 TIN 的比较
• 5.3 模型率定
• 5.4 模型的验证
• 5.5 模型的不确定性分析
• 5.5.1 模型参数取值误差造成的不确定性
• 5.5.2 雨量输入数据误差造成的不确定性
• 第6章 总结和展望
• 6.1 论文主要工作总结
• 6.1.1 讨论了物理性流域水文模型存在的问题和可能的解决方案
• 6.1.2 建立了基于水文相似坡面单元的准物理性流域水文模型
• 6.1.3 建立了基于不规则三角形网格的物理性流域水文模型
• 6.2 论文主要创新点
• 6.2.1 建立了基于水文相似坡面单元的准物理性流域水文模型
• 6.2.2 应用 THIHMS-RH 模型分析了岩溶发育地区的地表水资源和地下水资源的转换规律
• 6.2.3 建立了基于不规则网格构建物理性流域水文模型的数学框架
• 6.2.4 建立了基于不规则三角形网格的物理性流域水文模型
• 6.2.5 对建立的基于不规则三角形网格的物理性流域水文模型进行评价和验证
• 6.3 论文工作展望
• 6.3.1 不规则三角形网格的自动生成
• 6.3.2 模型数值求解程序的进一步完善
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 物理性分布式水文模型的空间离散和求解
• A.1 空间离散方法
• A.2 主要水文过程的物理数学描述
• A.2.1 降水与融雪
• A.2.2 植被截留
• A.2.3 蒸散发
• A.2.4 洼地蓄水与入渗
• A.2.5 地表径流
• A.2.6 土壤水与地下径流
• A.2.7 河网汇流
• A.2.8 侵蚀产沙
• 附录 B 沁河流域土地资源分类
• B.1 土地资源分类系统及含义
• B.1.1 耕地
• B.1.2 林地
• B.1.3 草地
• B.1.4 水域
• B.1.5 城乡、工矿、居民用地
• B.1.6 未利用土地
• B.2 土地资源分类表
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果