（水文学及水资源专业论文）苏州市降雨径流关系及下垫面变化对径流量影响研究.pdf

摘要 流域降雨径流是水文及水资源学研究的主要内容，研究其时间、空间上的变 化特点是水文及水资源学这门学科的核心内容，不仅关系到洪水的致灾过程，还 是地表水资源评价的重要组成部分。 太湖流域错综复杂的水网及水流运动的不确定性，决定了太湖流域河网地区 的降雨径流模型具有其鲜明的特点。太湖流域数学模型是建立在新安江蓄满产流 理论的基础上的，包括产流和汇流这两个过程的综合概念性模型，该模型将流域 下垫面分为水面、城镇建成区、水田、早地四种类型，分别建立各自的产流模式。 利用v i s u a lb a s i c 语言编写了该计算过程。根据苏州市下垫面条件设定了适合于苏 州市的降雨径流模型的初始参数，采用1 9 9 8 、1 9 9 9 、2 0 0 0 年日降雨量、蒸发量实 测资料和下垫面数据作为模型的输入，计算出径流过程，与同期实测降雨、水位 变化过程进行对比，对该模型参数进行调整。模型计算径流量变化与实测水位差 变化基本一致，年径流深与调查评价结果比较接近，表明模拟的径流过程较为可 靠。模型计算的1 9 9 8 年、1 9 9 9 年、2 0 0 0 年的综合径流系数分别为0 3 2 3 、0 5 0 8 、0 2 5 l 。 通过分析太仓市1 9 8 6 - 2 0 0 5 年土地利用变化情况，利用该模型计算其产流量变 化，分析其变化原因。以1 9 8 8 年降雨、蒸发作为模型的输入，计算出在水面、耕 地大面积减小，而城镇建设用地快速增长的趋势下，太仓市地表径流量由1 9 8 6 年 的2 2 9 1 0 6 m 3 增加到2 0 0 5 年的2 3 9 x 1 0 6 m 3 ，综合径流系数由o 2 6 2 上升到0 3 3 1 表明 随着太仓市城镇化进程的逐步推进，城建建成区面积大幅度增加，而农业耕地、 水面面积减少，对产水量产生重大的影响。 关键词：苏州市；降雨径流模型；降雨径流系数；土地利用 a b s t r a c t t h eb a s i nr a i n f a l l - r u n o f fr e l a t i o n s h i pi sap r i m a r i l yc o n c e r ni n h y d r o l o g i c a l r e s e a r c h i n v e s t i g a t i o no ft h et e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o n si st h ek e yp o i n tf o r r e v e a l i n gr a i n f a l l r u n o f fr e l a t i o n s h i p i t i si m p o r t a n tf o rb o t ht h ef l o o dd i s a s t e r p r e v e n t i o na n de s t i m a t i o no f w a t e r i e s o u “：铭 t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et a il a k eh y d r o l o g yi n c l u d et h ec o m p l i c a t e df i v e r n e t w o r ka n df r e q u e n tw a t e rm o v e m e n tw h i c hd e t e r m i n e ss p e c i f i ci nr a i n f a l l - r u n o f f r e l a t i o n s h i p t h eh y d r o l o g i c a lm o d e li n c l u d i n gr u n o f fg e n e r a t i o na n dc o n c e n t r a t i o ni n t h et a ll a k eb a s i nw a sd e v e l o p e do nt h eb a s i so ft h ex i n a n j i a n gm o d e l t h em o d e l w a sa p p l i e di nt h er e g i o n sw i t hf o u rk i n d so f l a n ds u r f a c ec o n d i t i o n s ：w a t e l a r e a , u r b a n a r e a , p a d d yf i e l d ，a n da r i da r e a r a i n f a l l r u n o f fr e l a t i o n s h i pf o re a c ho ft h el a n d s u r f a c ec o n d i t i o nw a sd e s c r i b e di nt h em o d e l av bp r o g r a mw a sw r i t t e nf o rm o d e l e x e c u t i o n t h em o d e lp a x m n e t e r sw e r ep r es e to nt h eb a s i so fl a n ds u r f a c ec o n d i t i o n s i ns u z h o u , a n da 由u s t e do nt h eb a s i so f o b s e r v e ds t r e a m f l o wa n ds h e a ms t a g ed a t a d a i l yo b s e r v e dp r e c i p i t a t i o n , p e ne v a p o r a t i o na n ds t r e a ms t a g ei nt h ey e a ro f 1 9 9 8 ，1 9 9 9a n d2 0 0 0w e r eu s e da sm o d e li n p u t t h es i m u l a t e dr u n o f fp r o c e s sa g r e e s w i t ht h es t a g ec h a n g e s i n d i c a t i n gm o r er e l i a b i l i t yo ft h em o d e l t h es i m u l a t e dr u n o f f c o e f f i c i e n t sa r e0 3 2 3 ，o 5 0 8a n d0 2 5 1i n1 9 9 8 ，1 9 9 9a n d2 0 0 0r e s p e c t i v e l y t h em o d e lw a sa p p l i e dt oa n a l y z ei n f l u e n c e so ft h el a n dl i t i l i z 缸i c h a n g e s d u r i n g1 9 8 6 - 2 0 0 5o nr u n o f f i nt a l t s a n g t h cd a i l yp r e c i p i t a t i o nd a t ai n1 9 8 8w a su s e d a sar e f e r e n c ey e a rf o rm o d e le x e c u t i o ni nd i f f e r e n tl a n du s e s s i m u l a t e dr e s u l t s d e m o n s t r a t e dt h a tt h et o t a lr u n o f f i n c r e a s e sf r o m2 2 9m i h i o nm 3i n1 9 8 6t o2 3 9m i h i o n m 3i n2 0 0 5 ，a n dt h er u n o f fc o e f f i c i e n tf r o mo 2 6 2i n1 9 8 8t o0 3 3 1f 0 rm cr a p i d d e v e l o p m e n to f t h eu r b a n i z a t i o n k e yw o r d s ：s u z h o u ；r a i n f a l l - r u n o f f m o d e l ；r u n o f f c o e f f i c i e n t ；l a n du t i l i z a t i o n 2 本研究得到以下项目资助 教育部新世纪优秀人才支持计划( n c e t - 0 4 0 4 9 2 ) 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 w 1 年乒月上e l 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布伯l 括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：靠然螽诈平月乙日 河海大学硕士论文苏州市降雨径流关系及下垫面变化对径流量影响研究 1 1 研究背景和目的 第一章绪论 河流在流入海洋和湖泊的地区，由于流速减缓，泥沙沉积，形成河口三角洲。 河口三角洲地区地势平坦，河道纵横交错，河湖相串，交织如网，形成平原河网 地区。例如我国的长江、珠江，美国的密西西比河等河口地区都属于平原河网地 区。平原河网地区水流流速缓慢，流向、流态呈随机性变化，水量交换关系紊乱， 汇流特性复杂，很难确定降雨径流规律。而位于太湖平原河网地区的苏州市就具 备了河口三角洲的显著特征。 水资源通常指在现代水循环过程中可以得到恢复和更新的淡水资源。作为国 民经济发展至关重要的自然资源和经济资源，地区水资源量已经随着人口、资源、 环境、经济等的发展发生了一定的变化。通常地表水资源量的计算主要有两种方 法：一是借用相邻地区降雨径流关系，由计算流域的降雨系列生成径流系列；二 是根据洪水期间巡测资料进行径流系列分析。但是这两种方法都存在一定的局限 性：首先，借用的降雨径流关系无法反映计算流域的产流特点，计算成果的精度 、 难以保证；而根据洪水期巡测资料分析径流系列的方法因为产流量与降雨强度关 系密切，将洪水期的降雨径流关系用于枯水期会因为降雨强度的差别而影响计算 精度。在有径流资料地区，一般依据水文站实测径流资料还原为天然径流量后， 由代表站法推求，或由水文站实测的雨量、径流资料，由降雨径流法计算。然而， 由于平原河网地区大多没有足够的水文站点，属水文资料较少地区，其水文径流 等值线图分布和交绘存在较大任意性，不能更好反映地表径流的真实情况，致使 用径流等值线图查算的地表径流也存在较大误差。 平原河网流域的水文地理特征决定苏州市难以根据实测资料直接计算和采 用还原方法估算天然水资源量。并且平原河网地区经济发达，人口比较密集，人 类活动频繁，人为因素对区域水文循环产生较大影响，这也给平原河网地区降雨 径流计算带来了一定的难度。因此，建立适用于平原河网地区的降雨径流模型， 具有重要的理论意义和实用价值。 土地利用所引起的流域下垫面变化是相同降雨条件下地表水资源量变化的 河海大学硕士论文 苏州市降雨径流关系及下垫面变化对径流量影响研究 主要原因和重要组成部分，并且土地利用方式的改变也影响到洪涝灾害的致灾过 程。降雨量形成径流量的多少主要由径流形成过程决定的，因此认为径流的产、 汇流过程是洪水形成的关键过程。 随着城镇化的推进，土地利用的变化，如清除树木，平整土地，建造房屋， 街道以及整治排水河道，兴建捧水管网等，直接改变了当地的雨洪径流形成条件， 使水文情势发生变化。例如，雨洪径流总量增大，洪峰流量加高，峰现时刻提前。 又如，河道中水流流速加大，径流中悬浮固体和污染物含量有增大的趋势。这些 改变往往加剧了城市本身及其下游地区的洪水威胁，同时河道中污染荷载量显著 增加 伴随着全球环境变化研究的深入开展，土地利用变化已成为目前全球研究的 热点和前沿问题。水文过程机理比较复杂，它不仅与陆地表层系统中各种自然地 理要素的时空分布密切相关，而且对农业开发、都市化等土地利用及其变化有高 度的敏感性及相关性，国际上研究机构都把土地利用变化的水文响应作为全球变 化的重要研究内容之一。研究结果表明【1 】：在较长时闻尺度上，气候变化对水资 源的影响更加明显，但在短期内，土地利用变化是水文变化的主要驱动要素之一。 由于社会经济发展，人类活动改变了水循环自然变化的空问格局和过程，加剧了 水资源形成与变化的复杂性。土地利用变化对水资源的影响包括水量、水质和空 间分布的变化。大面积的森林开采、过度放牧、开荒毁林和围湖造田增加了下游 洪水泛滥的频率和强度，改变了每年的河流流量，并使得降水的再分配不平均。 目前，淡水生态系统最严重的压力来自于流域的改变和利用以及人类造成的水资 源的污染 2 1 。因此，研究土地利用对水资源的影响就显得尤为重要，迫在眉睫。 近2 0 年来苏州市土地利用已经发生了巨大的变化。随着苏州市经济社会的快 速发展，城市化进程的不断深入，大片的农田变成高楼，苏州市下垫面条件发生 了很大变化，流域降雨径流关系也发生了一定的改变。通过揭示下垫面变化对苏 州市降雨径流关系的影响并定量描述和评价影响程度，揭示其水量减少原因，对 于苏州市产流区的暴雨洪水预报、区域水循环机理以及水资源规划、水资源统一 管理调度等方面都有着重要的理论指导意义和推广应用价值。 2 河海大学硕士论文苏州市降雨径流关系及下垫面变化对径流量影响研究 1 2 国内外研究动态 1 2 1 产汇流理论的发展 作为推动流域水文模型发展重要基础的产汇流理论创立于1 9 世纪中期， r o b e r t s 在1 8 4 4 年正式使用了径流系数的概念，提出径流量与形成这些径流量的降 雨量的比值为径流系数。最早的产流理论是由霍尔顿( r e h o r t o n ) 在1 9 3 3 年提 出的，这就是著名的下渗理论。当雨强小于下渗能力时，所有的降雨都被土壤吸 收，而当它大于下渗能力时，吸收率只能等于下渗能力，其余部分就是产流量。 土壤表面有如筛子，能把降雨筛成两部分：一部分形成坡面流以后进入河道：另 一部分先进入土壤，然后或渗透而形成地下水，或由蒸散发而重新进入大气。这 是从模拟的观点出发所建成的产流模型，使许多水文问题得到简化【3 】。 h o r t o n 在1 9 3 5 年发表了著名的论文地面径流现象，在此之后产汇流理论 取得了重大突破。h o r t o n 毛e 论文中阐明了超渗地面径流和地下径流的形成机理。 h o r t o n 理论提出了均质包气带产流的物理条件：( 1 ) 超渗地面径流产生的物理条件 是雨强大于地面下渗容量；( 2 ) 地下水径流产生的物理条件是整个包气带土壤含 水量达到田间持水量。 m c c a r t h y ( 1 9 3 8 ) 提出了马斯京根河道流量演算方法，它是在圣维南方程组进 行简化的基础上，利用河段的水量平衡原理和蓄泄关系把河段上游断面的入流量 过程演算成下游断面的出流量过程的方法。换言之，该法是用以计算河槽调蓄作 用对洪水波形状与运动的影响它是河道非恒定流计算中的一种近似解方法。这 种方法在河段短期洪水预报和河道洪水分析计算( 包括有支流汇入以及有分洪、 蓄洪等措施的 河段) 中都被广泛应用。 n a s h ( 1 9 5 7 ) 建议将集水区视为各串连线性水库，假设每一个水库之出流量与 水库蓄水量呈线性正比。 2 0 世纪6 0 年代，以赵人俊1 3 】为首的我国水文学者通过大量的实验和分析研 究，指出湿润地区以蓄满产流为主和干旱区以超渗产流为主，从而使h o r t o n 理论 得到较为广泛的应用。蓄满产流是指在土壤湿度满足田间持水量以前不产流，所 有的降雨都被土壤吸收，而土壤满足田间持水量以后，所有的降雨( 减去同期的 蒸散发) 都产流，由于这时土壤的下渗能力为稳定下渗，所以按稳定入渗下渗的 河海大学硕士论文苏州市降雨径流关系及下垫面变化对径流量影响研究 部分成为地下径流，超渗部分成为地面径流：超渗产流是指在土壤湿度未达到田 间持水量以前因雨强大于下渗强度而产流，这样产生的完全是地面径流，没有地 下径流。一 k i r b y ( 1 9 7 2 ) 等出版山坡水文学一书推动了对产流机制的研究，使得人们 对自然界复杂的产流现象有了更深入的认识。 产汇流理论及其计算方法的发展直接推动了系统理论模型和概念性水文模 型的发展。 1 2 2 流域水文模型的发展 自然界的水文现象，是一种多因素相互作用的复杂过程，由于其形成机理还 不完全清楚，水文模型成为一种研究复杂水文现象的重要工具。流域水文模型是 由描述降雨径流形成过程的数学函数构成的一种数学物理模型，它严格满足流域 水量平衡原理。流域水文模型的输入是降雨、蒸散发能力等，输出的是流域出口 断面流量过程或流域蓄水过程或流域蒸散发过程等f 3 1 。 流域水文模型的研究始于2 0 世纪5 0 年代，在这之前，水文模拟及水文分析计 算多是针对某一水文环节进行、随着计算机技术的发展，人们开始把水文循环作 为一个整体，在大的空间尺度下进行系统的研究，在5 0 年代后期提出了流域水文 模型的概念，诞生于1 9 6 6 年的美国斯坦福水文模型( s w m ) 是世界上第一个真 正意义上的流域水文模型。这些模型从定量上分析了流域出口断面流量过程线形 成的全部过程，包括降雨、蒸发、截留和下渗；包括地表径流、壤中流、地下径 流的形成；也包括坡面调蓄和河网调蓄【4 】。 根据模型结构和参数的物理完善性【4 j ，目前常用的可分为概念性模型和分布 式物理模型。概念性水文模型根据水文循环规律，采用概念化和推理的方法，对 流域水文现象进行数学模拟，最基本的特征是将流域看作一个整体来模拟其降雨 径流过程嗍，既有一定的物理基础又有相当多的经验性，模型结构简单，实用性 强，如美国的斯坦福模型和萨克门托模型、日本的水箱模型以及中国的新安江和 陕北模型等。分布式水文模型用严格的数学物理方程来描述水文循环的各过程， 参数和变量充分考虑空间的变异性，并着重考虑不同单元直接的联系，对水量和 能量过程均采用偏微分方程模拟 6 1 。因此，在模拟土地利用、土地覆盖、水土流 4 河海大学硕士论文苏州市降雨径流关系及下垫面变化对径流量影响研究 失变化的水文响应及面源污染、陆面过程、气候变化影响评价等方面有明显的优 势。分布式物理模型的参数一般不需要通过实测水文资料率定，解决了参数间的 不独立性和不确定性问题，便于在无实测水文资料的地区推广应用。如由丹麦、 法国和英国联合研发的s h e 模型和以网格为径流计算单元的d b s i n 模型。 地理信息系统( g i s ) 用数学化方法描述具有复杂时问和空间变化的水文过 程，在水文模拟中得到了广泛的应用。通过g i s 可以提取流域的基本特征，包括 下垫面特征、水系、河网等，并可以依据河网等级对流域进行任意的子流域的划 分或者进行网格化划分，不仅可以与传统的概念性流域水文模型相结合，管理提 供基本的数据信息，并实现输入输出功能，更重要的是为分布式的水文物理模型 研制提供了平台田。比如w m s ( w a t e r s h e dm o d e l i n gs y s t e m ) 模型系统就是基于 c 蕊的专业水文处理软件。 第号斯坦福流域水文模型 4 1 ( s w m n ) 是世界上最早的流域水文确定性 模型，是用数学方法模拟水文物理现象的模型。该模型的建立是以流域水量平衡 为基础，共设计了4 个蓄水层以控制土壤水分剖面和地下水状态，它们是上土壤 层蓄积、下土壤层蓄积、地下水( 浅层) 蓄积和深层地下径流。而壤中流滞蓄和 坡面滞蓄则是临时性蓄积。该模型物理概念明确，层次清晰。对小流域采用集总 模型方式；对大流域，采用分块模型方式 萨克拉门托( s a c r a m e n t o ) 流域水文模型是美国天气局水文办公室萨克拉门 托预报中心& j - c b u m a s h 、r l f e r r a l 和m c c m i r e 于2 0 世纪7 0 年代初期，在第 号斯坦福模型基础上，改进和发展起来的集总参数型连续运算的确定性流域水文 模型嘲，是用一系列具有一定物理概念的数学表达式来描述的概念性模型。萨克 拉门托模型包括了降雨分布计算模型、雪的融蚀模型、土壤含水量模型及河槽演 进模型，是以土壤含水量贮存、渗透、排水和蒸散发的物理过程为基础进行综合 模拟河川径流的流域模型。模型的参数、所用的变量和模拟的过程具有一定的物 理意义，易于理解和便于根据实测的降水、流量及流域特征资料估算其初值，其 核心是土壤蓄水量模型【9 】。该模型具有蓄满和超渗产流的特性，按线性水库出流 计算地下径流( 快、慢速地下水) 、壤中流的出流系数使其计算大为简化，这也 是萨克拉门托的优点f 埘。该模型既能应用于大、中流域，又能适应湿润地区和干 旱地区，但因为其参数较多，而且有些参数并不是独立的，这给参数的调解带来 河海大学硕士论文 苏州市降雨径流关系及下垫面变化对径流量影响研究 了一定的困难，在中国应用并不是很广泛。 新安江模型是一个半分散性概念水文模型，把全流域分成若干个单元流域， 每个单元流域的降水经过蒸散发的消耗后，以蓄满产流的方式经产流量水源划分 后对各单元流域进行产汇流计算，得出单元流域的出口流量过程；再进行出口以 下的河道洪水演算，把各个单元流域的出流过程相加，就求得了流域的总出流过 程【i l 】二水源新安江模型通过下渗系数将水源划分为地面径流和地下径流；三水 源新安江模型采用一个自由水蓄水库将水源划分为地面径流、壤中流和地下径 流，模型结构见图1 1 。该模型主要应用于湿润半湿润地区，其主要特点是应用 了蓄满产流与马斯京根汇流概念，有分单元，分水源，分汇流阶段的特点，并且 结构简单，参数较少，各参数具有明确的物理意义，计算精度较高，在国内外水 文预报工作中有较好的应用。但是该模型内部的产汇流参数有较强的地区性特 性，不能直接移用，选定参数又有很大的困难，这也影响到模型应用的广泛性。 图l l 新安江三水源模型结构图 t a n k 模型是2 0 世纪5 0 年代由日本营原正巳首先提出，是一种概念性径流模 型，能以比较简单的形式来模拟径流形成过程，把由降雨转换为径流的复杂过程 简单地归纳为流域的蓄水与出流的关系进行模拟，具有很强的适应性。流域雨洪 转化过程的各个环节( 产流、坡面汇流、河道汇流等) ，在模型中用若干个彼此 相联系的水箱进行模拟，以水箱中的蓄水深度作为控制，计算流域的产流、汇流 6 河海大学硕士论文苏州市降雨径流关系及下垫面变化对径流量影响研究 及下渗过程。由于模型是一种间接模型，没有直接物理量，弹性甚好，对各种大 小流域、各种气候与地形条件都可以用，但模型参数较多，率定困难【1 2 l 。 s h e 1 3 l 模型是由丹麦、法国和英国联合研发的、以物理概念为基础的分布式 模型。该模型是第一个也是最具有代表性的分布式水文物理模型，它可用于模拟 陆地水循环中几乎所有主要的水文过程。有利于表示模型参数、降雨输入和水文 响应的空间分布特性，该模型将流域划分成许多规则的矩形网格；垂直方向上， 将每一个网格划分为几个蓄水层，以便处理不同层次的土壤水运动。模型通过联 立两个互相垂直的水平方向上连续方程和动量守恒方程来求解地表径流。此外， 该模型还具有模拟截留、融雪和蒸发的作用然而，由于s h e 模型需要众多的 资料数据和极深的专业知识，所以限制了其在实际中的应用。 d b s i m l l 4 】模型，即分布式流域模型。模型将流域表示为规则网格，以网格 为径流计算单元，利用分布式降雨输入来描述降雨随时间变化的空间分布情况 模型中利用运动型下渗模型计算每个网格单元中的径流形成以及网格单元间土 壤水的侧向流动，并以简单方式演算地表径流。模型比较真实地模拟了分散输入、 集中输出的产汇流规律。 w m s l 7 】( w a t e r s h e dm o d e l i n gs y s t e m ) 模型系统，是美t 虱b r i g h a my o u n g 大 学环境模型研究实验室( e m r l ) 开发的专业水文模拟处理软件，提供水文模拟全 过程的工具。包括流域、子流域的自动生成、几何参数的计算、水文参数( 如汇 流时间、降雨深等) 的计算等，并能实现模拟结果的可视化w m s 可以使用矢 量地图、d e m 、t i n 等格式的数据来进行地形分析和水文模拟。嵌入了多种传统 的概念性水文模型，包括h e c - i 、n f f ，t r - 2 0 、t r - 5 5 、r a t i o n a lm e t h o d 、h s p f 等，根据自动提取的流域参数进行水文模拟，可以用于洪水预报、水库设计、城 市规划等。 t o p m o d e l 1 5 】模型是一个比较成功的分布式或半分布式模型该模型基于 数字高程模型( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ，简称d e m ) 推求地形指数，并利用地形 指数来反映下垫面的空间变化对流域水文过程的影响，应用地形指数相对频率曲 线来解释流域产流规律，为局部水文相似性提供了理论基础。t o p m o d e l 从提 出到现在已应用于多个研究领域，如复合洪水频率计算、洪水预报、模型参数率 定、地形对水质的影响、空间尺度对水文过程的影响以及地形对径流的影响等。 7 河海大学硕士论文苏州市降雨径流关系及下垫面变化对径流量影响研究 在t o p m o d e l 模型不断推广和应用的过程中，也发现了一系列存在的问题，如 参数问题、尺度问题以及t o p m o d e l 应用到森林流域如何解释产流机制问题 等。 s c s 模型是美国农业部水土保持局( s o i lc o n r v a t i o ns e r v i a ) 开发研制的 流域水文模型，在美国及其他一些国家得到了较广泛的应用。在降雨径流关系上， s c s 模型考虑了流域下垫面的特点，如土壤、坡度、植被、土地利用等。c n 值 是s c s 模型的一个用于描述降雨径流关系的主要参数，它将前期土壤湿润程度 ( a n t e c e d e n tm o i s t u r ec o n d m ，简称a m c ) 、坡度、土壤类型和土地利用现状等 因素综合在一起考虑。c n 把流域下垫面条件定量化，用量的指标来反映下垫面 条件对产汇流过程的影响，是反映降雨前流域特征的一个综合参数，可以问接地 综合反映人类活动对径流的影响。与其他模型相比s c s 模型的具有模型结构简 单、参数少的优点，而且可以应用于无资料地区【幡嘲。s c s 模型目前已在流域工 程规划，水土保持及防洪、城市水文、土地房屋的洪水保险及无资料流域的多种 水文问题等诸多方面得到应用，并取得较好的效果。 1 2 3 太湖流域河网地区水文模型研究进展 不同于一般流域的复杂水网及水流运动，决定太湖流域河网地区的水文模型 具有其特有的水文特征。 张二俊( 1 9 8 2 ) 等发表河网非恒定流的三级联合解法【埘，采用隐式差 分求解河网非恒定流，并且先后在上海郊区水网、珠江黄浦江航道规划和长江下 游水力计算中运用并获得成功，为平原河网地区复杂的水流计算提供了参考。 余晓珍( 1 9 9 0 ) 发表太湖流域产流计算初步研究例，根据太湖流域水 系纵横，下垫面类型复杂多样的特点，运用不同的方法分别对水面、水田和早地 山丘区进行产流计算，提出了适用于太湖流域河网地区的产流计算方法。首先在 闭合区域内率定产流参数，再将该参数运用到全流域，这种思想对后来的产流计 算研究有借鉴作用。有实际观测资料验证的日模型的计算精度高于般常用方法 ( 月降水月径流相关) 许嘉模( 1 9 9 0 ) 等发表平原水网区的产流参数分析与移用，提出以蒸发 系数、蓄满产流与净雨一径流( 水稻田) 相关三结合的方法，分析次降雨长流参 3 河海大学硕士论文苏州市降雨径流关系及下垫面变化对径流量影响研究 数；又以分类加权的蒸发系数法分析月、年的产流参数。经过江苏、浙江两省具 有代表性的环太湖等四个平原水网测区的实测资料进行分析计算，取得较为稳定 的颤流参数，并且可以移用于其它相似地区【2 l 】。 梁瑞驹( 1 9 9 3 ) 等发表太湖流域水文数学模型圈，开发研制了针对太 湖流域的水文数学模型，该模型包括了河流、湖泊模拟、边界条件模拟、降雨径 流模拟、工程情况及控制运行方式模拟以及骨干河网中水流运动模拟五个方面。 首先根据等效原理将天然河网湖泊进行合并、概化，即不论是断面变化的单一型 河道、或若干条大致平行的天然河道合并成一条概化河道时，要求概化河道的过 水能力等于被概化的天然河道。降雨径流模拟分成产流和汇流两部分，根据不同 下垫面情况，推求净雨过程，然后将净雨汇流到出口控制断面或捧入圩外骨干河 网。最后用水力学的方法对汇入河网的水流进行河网非恒定流模拟计算。 李光炽，王船海( 1 9 9 5 ) 发表大型河网水流模拟的矩阵标识法 嘲，提 出了一种适合大型河网模拟计算的矩阵标识法，并成功地应用于太湖全流域洪水 模拟的计算，模型取得了很好的效果。 沈言贤( 1 9 9 6 ) 等对平原感潮河网地区产流模式进行探讨。该模型从物理成 因角度出发，根据平原水量平衡计算原理，按两层产流方式处理，建立了水箱模 型模拟平原水网区的产流过程洲，提出了一种具有稻田结构和土壤水分结构的新 模式，模拟效果有一定程度的改进。 王腊春( 1 9 9 7 ) 等对湿润地区平原丘陵圩区产流机制进行研究。圩区特殊的 自然地理特性，使得该类地区地下水埋深浅，洪、涝、溃灾害特别严重，给农业 生产带来不利。作者建立的适用于圩区的产流模型，物理概念清晰，结构简单合 理，参数易于调试，对圩区产流计算具有一定的普遍意义嘲。 耿玉琴( 2 0 0 3 ) 对平原河网地区地表水资源估算方法进行了探讨，采用日降 雨径流模型法计算流域和分区地表水资源量，取得了初步进展 朱琰( 2 0 0 3 ) 等采用平原河网区域来水组成模型计算1 9 7 1 年5 月至9 月太湖流 域望虞河、鹅真荡的逐日来水组成情况，证明其基本原理和方法是正确的，可以 有效的解决某个流域的水流去向及某个区域的来水组成闭。该模型在防洪规划和 水资源规划中具有广泛的应用前景。 徐祖信，尹海龙( 2 0 0 4 ) 鲫提供了一种适用于平原感潮河网地区复杂地形、 9 河海大学硕士论文苏州市降雨径流关系及下垫面变化对径流量影响研究 水流条件下一维、二维水动力学耦合模型的通用计算方法，并开发了上海市黄浦 江上游地区河网一维与黄浦江干流二维水动力耦合模型，模型验证结果合理。提 供了一种复杂地形、水流条件下一维、二维水动力耦合模型的通用计算方法。 1 3 研究内容和思路 降雨径流模型的研究主要是解决三个问题：1 ) 确定模型的总体结构，包括 几种水源、几层蒸发、是否考虑坡面汇流、是否考虑填洼和截流等；2 ) 确定模 型的微结构，即确定径流形成过程中各个环节( 各分量) 在数量上的基本结构， 包括一些理论性、经验性或半经验性的方程或能向计算机输入的方程化图表；3 ) 确定模型中所应包含的参数及参数的估计方法，参数的多少和估算方法都与模型 的结构密切相关【4 1 。苏州市降雨径流模型结构流程图见图1 2 ，模型参数的具体说 明见第四章第一节。 河海大学硕士论文苏州市降雨径流关系及下垫面变化对径流量影响研究 1 3 1 研究内容 图1 2 降雨径流模型结构图 本文选择苏州市为研究区域，研究的主要内容如下： 1 平原河网地区降雨径流计算模型产流模拟：考虑平原河网地区特点，将 下垫面分为水面、城镇建设用地、水田和旱地四种类型，分别研究各种下垫面的 产流规律，用v b 分别建立产流模型。利用g i s 软件分析不同分区的下垫面情况， 以日为计算时段运用该产流模型计算各分区的产流量，最后通过面积加权得到苏 州市总产流量。 2 平原河网地区降雨径流计算模型汇流模拟：根据平原河网地区圩区和非圩 区的特点，分别按照不同方法计算。圩区按排涝原则模拟，即当河道水位大于或 河海大学硕士论文苏州市降雨径流关系及下垫面变化对径流量影响研究 等于起调水位时，如果产流流量小于设计排涝能力则全部排出，如果产流流量大 于设计排涝能力则按设计排涝能力抽排，余水蓄在河道里，等待机会排出；非圩 区则假定一种汇流曲线，其净雨量相继在若干天内汇入河网。但由于资料的限制， 本次计算将苏州地区全部概化为非圩区。 3 检验该降雨径流计算模型的实用性，为苏州市的水资源评价提供理论支 持。 4 选取苏州地区的太仓市作为研究对象，运用上述降雨径流模型，对比计算 分析城市化进程导致的土地利用变化对该地区产流量的影响程度。 1 3 2 研究思路和步骤 本文根据苏州市水资源评价中有关地表水资源量的计算方法，用v b 程序建 立适用于平原河网地区的降雨径流计算模型，运用1 9 8 8 年日降雨实测资料、蒸发 实测资料和1 9 8 6 、1 9 9 6 、2 0 0 5 年的土地利用数据作为模型的输入，利用计算结 果分析土地利用变化对降雨产流的影响。本课题的工作安排如下： 1 模型的选择与建立 根据平原河网地区的特点，分水面、城镇建设用地，水田和旱地四种下垫面 进行产流特点分析，确定各自不同的产汇流计算方法及建立模型。 2 计算参数的选择 模型中需要确定的计算参数主要有：e 6 0 1 蒸发器与大水体的蒸发折算系数 k e ，流域最大填洼量d m ，水稻需水系数d ，流域平均蓄水容量w m ( 包括w u m 、 w l m 、w d m ) ，蓄水容量曲线指数b ，陆面蒸散发能力e m 等。 3 模型计算结果的合理性验证 在本模型计算结果与苏州市已有径流量计算结果进行对比的基础上，分析产 流量一河流水位差关系，验证模型计算结果的合理性。 4 下垫面特征对径流影响分析 根据太仓市土地利用调查资料，分别以1 9 8 8 年降雨类型计算1 9 8 6 年，1 9 9 6 年和2 0 0 5 年土地利用状况下流域的产水量，得出土地利用变化对太仓市产水量的 影响特点。 河海大学硕士论文苏州市降雨径流关系及下垫面变化对径流量影响研究 第二章研究区域概况 2 1 研究区自然地理概况 2 1 1 地理位置 苏州市位于长江三角洲中部，东临上海，南接浙江，西傍无锡，北依长江， 是江苏省最东南部的省辖市。地区范围在北纬3 0 。4 6 7 3 2 。0 2 ，东经1 2 0 。1 1 1 2 0 0 1 6 ，南北、东西的距离均在1 4 0 k m 左右。全市面积8 4 8 8 4 2 k i n 2 ，约占江苏省 面积的8 2 7 。其中，平原约4 6 6 0 k m 2 ，占5 4 9 ；水面约3 6 0 7 k m 2 ，占4 2 5 ； 丘陵约2 2 1 k m 2 ，占2 6 。 图2 1 苏州区域图 河海大学硕士论文苏州市降雨径流关系及下垫面变化对径流量影响研究 2 1 2 地质地貌 苏州市地处太湖为中心的浅碟形平原的底部，以平缓的平原地形为主。全市 地势低平，地面高程一般在吴淞基面以上3 米至5 米。根据境内具体地形地貌的特 征划分为平原、圩区和山丘区三种类型。平原区的高程在4 6 米，圩区般高程 在2 8 3 5 米，最低的为1 8 米，地面高程超过1 0 米的一般为丘陵坡地，统称山丘 区。从总体上说地势西北高而东南低，沿江高而腹部低，低洼地的最低地点在海 拔2 m 以下，西南部又多小山丘，穹窿山主峰高3 5 1 7 米，为全市最高点。 苏州地区的地质类型可划分为基岩山丘、冲积湖泊平原、人工堆积地貌和湖 沼低地工程地质区。整个地区的绝大部分系第四系沉积的一般性粘性土，最大沉 积厚度达2 0 0 m 左右，为大面积的沉降区域，表土层为现代人类活动的堆积物。 2 2 区域经济 苏州市自解放后到8 0 年代，全市人口增长较快，从8 0 年代开始，人口增长趋 于缓慢。但是随着城市经济的发展，大量外来人员涌入苏州，苏州市现有总人口 为6 7 9 万人( 2 0 0 0 年第五次人口普查) ，人口平均密度8 0 0 肘m 2 ，城市化水平5 7 。 2 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 6 年份 图2 2苏州市近几年人口变化 自改革开发以来苏州市国内生产总值逐年增加，9 0 年代进入快速发展阶段。 1 4 o o o o o o o o o鲫蚴踮；2加 kv、r巳蒯迥靶 河海大学硕士论文苏州市降雨径流关系及下垫面变化对径流量影响研究 根据( 2 0 0 0 年苏州统计年鉴，苏州市2 0 0 0 年实现国内生产总值突破1 5 0 0 亿元， 达至u 1 5 4 0 6 8 亿元。人均国内生产总值2 6 7 万元，按现行汇率折算已超过3 2 0 0 美元， 居全国第7 位、居江苏省第1 位。全年实现财政收入1 5 8 2 7 亿元，财政收入占国内 生产总值的比重达到1 0 3 。全年实现农林牧渔业总产值1 6 9 3 0 亿元，实现工业 总产值3 6 2 0 7 4 亿元。全市农民人均纯收入5 4 8 7 元，市区居民人均可支配收入9 2 7 4 元，全市一、二、三产的比例为6 5 ：5 6 1 ：3 7 3 。 2 3 气象水文特征 2 3 1 气象 苏州市地处北亚热带湿润季风气候区，温暖潮湿多雨，四季分明，冬夏季长， 春秋季短。境内因地形、纬度等差异，形成各种独特的小气候，太阳辐射、日照 及气温以太湖为高中心，沿江地区为低值区、降水量分布也具有同样规律。 表2 1 苏州市气候表 注：该数据取自苏州市水资源调查评价 全年平均气温为1 5 7 1 2 ，盛夏7 月平均气温为2 8 2 1 2 ，寒冬1 月平均气温为 3 1 ，最高温度为3 8 8 ，最低气温为9 8 1 2 ( 见表2 1 ) 年平均气温的分布大 致随纬度而变化，南高北低，南北差异为0 9 1 2 。常年平均日照时间为1 9 6 5 o h 。 河海大学硕士论文苏州市降雨径流关系及下垫面变化对径流量影响研究 无霜期年平均长达2 3 3 d 。多年平均降水量为1 0 6 3 m m ，年降水日1 2 5 d 。一年中以6 月份降水量及降水日最多，常年平均月降水量1 6 0 m m ，降水日1 2 5 d 。1 2 月份月 降水量最少，为4 0 m m 。l o 月份降水日最少，平均为7 8 d 苏州季风更替明显， 冬季受蒙古冷高压控制，西北风及东北风占一半以上；春夏季盛行东南风，秋季 是夏季风与冬季风交替季节。据统计，多年平均最大风速为2 0 m s ( s e ) ，汛期 多年平均最大风速为1 4 m s ( 呃) 。 2 3 2 水文 圈2 j1 9 f 滔- 2 0 0 e g 苏州站区平均雨量等值线图明 根据苏州市2 7 个雨量站从1 9 5 6 年至2 0 0 0 年的资料统计，多年面平均雨量为 1 0 8 6 3 m m ，最大年面平均降雨量为1 5 1 8 6 m m ，出现在1 9 9 9 年，最小年面平均降 雨量为5 9 8 2 m m ，出现在1 9 7 8 年。表2 2 为苏州市各主要测站的降水量特征值统计 表，单站年最小降雨量为望亭站的4 5 5 1 m m ( 1 9 7 8 年) 。降水的主要特点在时程 河海大学碗士论文苏州市降雨径流关系及下垫面变化对径流量影响研究 分布上极不均匀( 见图2 3 ) 。苏州市的降水主要集中在春夏两季，在六，七月 间冷暖气团遭遇频繁，常产生锋面低压和静止锋，形成阴雨连绵的梅雨期。据统 计苏州市多年平均梅雨量为2 1 7 5 m m ，多年平均梅雨期为2 3 7 天。随着城市化进 程的加快，城市雷暴也经常发生。苏州市自1 9 6 3 年至1 9 8 2 年的2 0 年间共发生暴雨 3 3 次( 日雨t 兰5 0 m m ) ，而城市化进程发展较快时期的1 9 8 3 年至2 0 0 2 年，2 0 年间 发生暴雨的次数为6 5 次，后者是前者的近2 倍1 2 s ，。 望亭1 4 3 8 21 9 9 34 5 5 i1 9 7 8 1 0 4 4 19 8 2 41 0 4 4 21 1 1 4 6o 1 9 吴娄1 8 1 3 6 1 9 9 95 9 0 21 9 7 81 1 6 5 51 1 1 0 7 洞庭西山1 7 1 2 31 9 9 9 胥口1 7 2 5 j 1 9 9 9 苏州 1 7 8 3 11 9 9 9 瓜泾口1 6 8 8 1 1 9 9 9 平望1 6 0 2 91 9 9 9 张家港闸 1 8 0 2 61 9 9 1 十圩港帛1 6 8 3 71 9 9 1 浒浦阔1 5 4 2 ，81 9 9 1 常熟1 4 4 5 71 9 6 2 白茆同1 5 6 1 9 1 9 9 1 湘城1 4 9 6 21 9 9 3 七浦闸1 4 5 2 1 9 9 l 测河同1 5 7 1 11 9 9 1 陈墓1 6 7 5 6 1 9 9 9 7 0 5 21 9 7 8 i i 船41 0 勰0 6 1 8 81 9 7 8i l l l o1 0 7 3 j