（水文学及水资源专业论文）变化条件下小理河流域产汇流特性研究.pdf

摘要 气候变化和人类活动对水文水资源的影响是当前水文学研究的热点问题。在 人类活动和气候变化的共同影响下，黄土高原的产汇流特性已发生很大改变，主 要表现为：随着时间的推移，同样降雨条件下流域产流量呈减小趋势。本文选取 黄土高原区典型支流小理河流域作为研究区域，应用统计分析方法和分布式水文 模型模拟法，对流域产汇流特性变化进行了研究。 通过统计分析年降雨过程、年径流过程、年径流系数、次径流系数、降雨 的时空间分布等的变化规律，对小理河流域产汇流特性变化及其引起变化的原因 进行了分析。 应用a r c v i e w 中的水文模块提取流域特征，包括水流路径长度、坡度、数字 水系等；建立基于d e m 的松散耦合型分布式水文模型，用该模型对自然条件和 人类活动条件下的次洪分别进行了模拟。以该模型为工具，利用水文模拟法分析 了降水特性和人类活动对流域产汇流规律的影响。 分析结果表明，近几十年来小理河流域的降雨特性已经发生改变：降雨量呈 减小趋势，但降雨年内分配更集中，降雨的空间分布也发生变化。在天然条件下， 降雨特性对流域的产汇流起决定性的作用。但是随着人类活动的加剧，降雨特性 对产汇流的影响逐渐减小。表现为：在人类活动的影响下，相同降雨量产生的流 域产流量以及洪峰流量大幅度减小；流域对降水特性和前期土壤含水量的变化的 敏感性变小：流域下垫面呈现出更强的储水特性，使产流量减少；在自然条件下， 降雨集中、强度大、历时短、暴雨中心靠近流域出口，洪峰流量就会比较大，反 之则小，但在人类活动影响下则不一定产生这样的结果。这主要是因为人类活动 使流域下垫面的下渗能力和储水能力增大，对降雨特性变化的敏感性降低。 综上所述，本文认为小理河流域降水特性的变化和人类活动的加剧导致了流 域径流量减小，而引起产汇流特性变化的主要原因是人类活动的影响。 关键词：分布式水文模型、产汇流特性变化、小理河，变化条件 a b s t r a c t c l i m a t ec h a n g e sa n dh u m a na c t i v i t i e sh a v eg r e a ti m p a c to nh y d r o l o g ya n dw a t e r r e s o u r c e s ，w h i c hi sah o ti s s u ei nh y d r o l o g y u n d e rt h ee f f e c to fc l i m a t ea n dh u m a n a c t i v i t i e s ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fg e n e r a t i o na n dc o n c e n t r a t i o nh a sc h a n g e d , i ti ss h o w t h a tt h er u n o f fi sd e c r e a s e du n d e rt h es a m er a i n f a l lc o n d i t i o n 1 1 i i sp a p e rt a k e s x i a o l i h eb a s i nw h i c hi st h et y p i c a lh a s i ni nt h em i d d l eo fy e l l o wr i v c ra ss t u d ya r e a ： s t u d i e st h ec h a n g eo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fg e n e r a t i o na n dc o n c e n t r a t i o nw i t h d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e la n ds t a t i s t i c a lm e t h o d a n a l y z et h ec h a n g e 佃x i a o l i h eh a s i n sc h a r a c t e f i s t i co fr u n o f fg e n e r a t i o na n d c o n c e n t r a t i o na n dt h er e a s o n , t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h a n g eo fa n n u a lr a i n f a l l 、a n n u a l r u n o f f 、r a i n f a l la n dn l n o f f c o e f f i c i e n t 、r a i n f a l la n dr u n o f f r e l a t i o n s h i p i nt h i sp a p e r , w a t e r s h e dc h a r a c t e r i s t i c sa r ee x t r a c t e dw i t hh y d r o l o g ym o d u l ei n a r c v i e wg i s ，a n dt h ed i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e li sb u i l tb a s e do nt h ed i g i t a l e l e v a t i o nm o d e ld a t aa n dh y d r o l o g yt e c h n o l o g y t h cm o d e li su s e dt oa n a l y z et h e i m p a c to ft h er a i n f a l lc h a r a c t e r i s t i c sa n dh u m a na c t i v i t i e so nt h er u l eo fg e n e r a t i o n a n dc o n c e n t r a t i o n t h er e s u l ts h o w st h a tr a i n f a l lc h a r a c t e r i s t i c sh a v ec h a n g e di n o c e n td e c a d e s ： r a i n f a l lh a sd e c r e a s e d ；s p a t i a ld i s t r i b u t i o no fr a i n f a l lh a sc h a n g e d 1 1 地c h a r a c t e r i s t i c s o fr a i n f a l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ng e n e r a t i o na n dc o n c e n t r a t i o nu n d e rt h en a t u r a l e n v i r o n m e n t w i t ht h ei n c r e a s eo fh u m a na c t i v i t i e s 。t h er u n o f fy i e l da n dp e a l 【 d i s c h a r g eu n d e rt h eh u m a na c t i v i t ya r el e s st h a nt h a tu n d e rt h en a t u r a le n v i r o n m e n t ； c o m p a r e dt o t h en a t u r a lc o n d i t i o n ，w a t e r s h e ds h o w sm o r es e n s i t i v et h a nn a t u r a l e n v i r o n m e n tu n d e rt h es a m er a i n f a l li n t e n s i t ya n da n t e c e d e n ts o i lw a t e rc o n t e n t , t h e u n d e rl a y i n gs u r f a c es h o w sw e a k e rs t o r a g ep r o p e f l i e s ；r u n o f fy i e l da n df l o o dp e a ka r e l a r g e rw h e nt h er a i nc e n t e ra tt h eo u t l e to fw a t e r s h e du n d e rt h en a t u r a le n v f f o u m e n t , b u ti ti sn o tn e c e s s a r i l yu n d e rt h eh u m a na c t i v i t i e se n v i r o n m e n t t h ec h a n g eo fr a i n f a l la n dh u m a na c t i v i t i e sr e s u l ti nt h ed e c r e a s eo fr u n o f f , b u t h u m a n a c t i v i t yi st h em a i nf a c t o l k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e l 、c h a r a c t e r i s t i co fg e n e r a t i o na n d c o n c e n t r a t i o n 、x i a o l i h e 、c h a n g i n gc o n d i t i o n 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) ： 之习龟 2 。7 年如( 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、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( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：堡i 丝2 。7 年伽日 第一章绪论 1 1 研究背景、目的及意义 气候变化已成为当今科学界、各国政府和社会公众普遍关注的问题。随着人 类活动的加剧，工业化的发展，导致温室气体( g h g ) 增加而引发的全球气候 变化，将对水循环产生巨大影响。上世纪9 0 年代以来，黄河流域入海水量逐渐 减少，与2 0 世纪5 0 、6 0 年代相比，入海水量减少了近7 0 ( 其中汛期减少了 7 1 ) 。考虑水资源开发利用后，河川天然径流量较5 0 、6 0 年代仍然减少了近3 0 ( 其中汛期减少了3 6 ) 。同时，洪水次数、洪峰量级也有明显的减少。而且白 7 0 年代以来，在黄土高原进行了大规模的水土保持治理，黄河流域下垫面条件 发生了很大变化，在气候( 降雨) 和人类活动共同影响下，流域产汇流特性发生 一定变化，其表现为：随着时间的推移，同样降雨条件下流域产流量呈减小趋势。 黄河干流水量减少，主要表现在支流产流量减少，入黄水量不断减少。随着生态 环境建设和水资源开发利用的不断发展，支流入黄水量减少，洪水次数、洪峰量 级都有不同程度减少或降低。例如2 0 0 1 年8 月1 7 日一1 8 日，黄河中游无定河、 清涧河、窟野河、延河等普降暴雨，日雨量超过1 0 0 m m 的有5 个站，但其产生 的洪水很小，如窟野河温家川站洪峰流量只有6 5 0 m 3 s 。 对于以上所举的产汇流特性的种种变化，本文将逐一将其清晰化。天然条件 下及人类活动影响下的降雨径流关系比较模糊，机理研究不够。各种迹象表明， 在人类活动影响下，小理河流域产汇流特性已经发生了很大改变，这种变化导致 了径流量的减小。本文通过分析流域降雨径流资料、建立并应用分布式降雨径流 模型，研究小理河流域产汇流特性的变化规律，以及降水特性( 如降雨量、降雨 强度、降雨分布) 和人类活动( 如水利水保工程) 对产汇流过程的影响程度。 研究小理河流域产汇流特性的变化规律，对于黄土高原大尺度典型产流区的 暴雨洪水预报、区域或流域水循环机理以及黄河流域水资源规划、水资源统一管 理调度等方面有着重要的理论指导意义和推广应用价值。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 产汇流理论发展概况 水文学的发展经历了由萌芽到成熟、由定性到定量、由经验到理论的发展过 程。而产汇流理论是水文学的重要分支，其旨在探讨不同气候和下垫面条件下降 雨径流形成的物理机制、不同介质中水流汇集的基本规律以及产汇流分析计算方 法的基本原理，是研制确定性水文模型和短期水文预报方法、解决许多水文水资 源实际问题的重要理论依据。它的研究对象是流域水文循环和水一土一植系统的 水文循环，其理论支柱是土壤水动力学、热力学、明渠水力学、渗流力学和实验 水文学等i 1 产流方面：1 8 5 6 年，d a r c y 提出的渗流力学的基本定律- d 缸c y 定律， 为产汇流理论奠定了理论基础。2 0 世纪3 0 至6 0 年代，产流理论取得了重大突破【2 1 。 1 9 3 3 年霍顿( r e h o r t o n ) 提出超渗坡面流的概念，l l p h o r t o n 下渗公式( e a g l e s o n 于1 9 7 0 年运用分离变量法，从土壤水分运动微分方程中解得；张文华于1 9 8 9 年在 假定渗透系数k 和扩散系数d 均为常数的情况下采用分离变量法也导出了此方 程，将h o r t o n 经验公式作了理论解释，使之成为理论公式) 。在2 0 世纪5 0 年代以 前，产流计算主要靠建立各种降雨径流相关图，我国也编制了很多类似的简化相 关图。这类经验相关图的物理概念不够清晰，只能在已有资料范围内应用，不能 外延，不能移用于无资料地区，且在时段产流计算方面很不严格【列。2 0 世纪6 0 年 代，赵人俊等水文学家通过大量的实验和研究，得出了湿润地区以蓄满产流为主 和干旱地区以超渗产流为主的重要论点，从而使霍顿产流理论得到了较为广泛的 实际应用 4 1 。柯克比( k i r k b y ，1 9 7 2 ) 等合著了山坡水文学一书，则进一步 推动了产流机制的深入研究。它提出了壤中流和饱和坡面流的形成机制，而壤中 流和饱和坡面流的概念是h o r t o n 产流概念中没有的。另外我国水文学家1 9 8 5 年提 出的界面产流规斟5 i 对产流发展有积极的作用。 2 汇流方面：1 8 7 1 年s t v c n a n t 得到的明渠缓变不恒定流的基本微分方程组 s t v e n a n t 方程组，为研究产汇流理论中的地面水流、河道水流和土壤水流的 运动规律奠定了理论基础。1 9 3 2 年谢尔曼( l i c s h e r m a n ) 提出了单位线法解决 流域汇流问题。1 9 3 8 年麦卡锡( g t m a c a r t h y ) 提出用于河道流量演进计算的“马 斯京根法”( 1 9 6 9 年c u n g e 对“马斯京根法”进行改进提出t m u s k i n g u m - - c u n g e 2 河道演算法) 。3 0 年代末施奈德( w m s n y d e r ) 提出综合单位线的方法，推求单 位线与流域地理特征间的关系。1 9 4 1 年m e y e r 提出滞后演算法( 1 9 5 8 年n a s h j 莲 步提出流域汇流可以用n 个相同的线性串联水库来模拟，即n a s h 流域汇流系统模 型。同年加里宁和米留柯夫提出用串联的一系列特征河段模拟河道( 流域) 的汇 流) 。1 9 4 5 年克拉克( c o c l a r k ) 提出的克拉克法将等流时线推流的结果作一次 线性水库的调蓄。1 9 5 7 年加利宁一米留柯夫提出了特征河长概念及公式，特征河 长概念把水力学表达成为水文易用的形式，使河道汇流具有明确的物理概念。 1 9 5 9 年纳须( j e n a s h ) 推导了瞬时单位线公式并提出了用矩法求参数的方法， 使经验单位线有了一个函数的表达形式。这些方法对以后水文学的发展有很大的 影响，大大推动了汇流理论的研究。1 9 7 3 年杜格( d o o g e ) 提出了水文系统的线 性理论。纳特( n a t a l e ) 、托迪尼( t o d i n i ) 于1 9 7 4 年提出约束线性系统( c l s ) 。 纳须等人在1 9 8 3 年和1 9 8 8 年分别提出线性扰动模型( i j p m ) 和总径流响应模型 ( 1 r i t l ) 。以上的汇流方法目前都还在广泛应用。近年来分布式模拟中多采用的 方法是区分坡面汇流和河道汇流，坡面汇流采用线性水库与等流时线结合的方 法，河道汇流部分采用马斯京根法。 1 2 2 分布式水文模型发展概况 水文模型是以水文系统为研究对象，根据降雨和径流在自然界的运动规律建 立数学模型，通过电子计算机快速分析、数值模拟、图像显示和实时预测各种水 体的存在、循环和分布，以及物理和化学特性。按照模型所描述的水文规律，水 文模型可以分为确定性模型和随机( 统计) 模型。确定性模型应用物理学规律描 述水文过程，其预测结果不存在不确定性；随机模型是应用概率理论和随机性过 程来描述水文环节【q 。确定性模型根据模型对流域的描述是空间集总式还是分布 式的，以及对水文过程是经验性描述、概念性描述还是完全物理描述进一步划分 为黑箱模型、概念模型和基于物理基础的分布式模型。 传统的流域水文模型大多是集总式模型，认为流域表面上各点的水利学特征 是均匀分布的，对流域表面任何一点上的降雨，下渗、渗漏等纵向水流运动都是 相同和平行的，不和周围的水流运动发生任何联系，因此整个流域被当作一个单 元体【7 1 。集总式模型对输入参数的空间分散性和不均匀性没有充分的考虑。2 0 世 纪8 0 年代后，流域水文模型开始面临着许多新的挑战，包括水文过程的空间变异 3 性问题，水文、地球化学、环境生态、气象和气候之间的耦合问题。由于传统模 型自身存在着许多不足和局限性，无法适应这些挑战。因此人们开始对分布式水 文模型发生兴趣。2 0 世纪9 0 年代，计算机技术、地理信息系统、数字化高程模型 技术迅速发展，使分布式水文物理模型成为水文学发展的必然趋势。 分布式水文模型又称为数字水文模型，它是构建在d t m ( d i g i t a lt e r r a i n m o d e l ) 或d e m ( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) 基础之上的一种水文模型，是依据下 垫面资料寻求水文模拟物理基础的一种现代技术。应用分布式水文模型评价降水 特性对径流的影响有下列优点：基于过程的分布式模式建立在水分运动的物理机 制的基础上，包括一个或多个空间协调的过程，能够预测流域内水文状况的空间 特性和流域蓄水量及出流量。模式的空间离散化提高了过程模拟的精度，可以在 网格点或地貌单元上模拟水文过程，每一个网格点或地貌单元有特定的过程参 数。分布式参数模式具有模拟水文空间响应特性的能力，有利于建立以水文过程 和各种生物和化学等自然过程为基础的耦合模式。相对于集总模型而言，有物理 基础的分布式水文模型更容易与g c m ( g e n e r a lc i r c u l a t i o nm o d e l ) 嵌套，便于 研究自然和气候变化对水文循环的影响；能及时地模拟人类活动和下垫面因素变 化对流域水文循环过程的影响，在研究流域变化影响和无资料地区应用方面具有 独特的优越性嗍。 5 0 年代后随着计算机的出现，研究人员开始把流域水文循环的各个环节当作 一个整体来研究，提出了“流域水文模型”的概念。流域水文模型是由描述流域 降雨径流形成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，将流域概化成一个系统，该系统根据输入条件求解输出结果，其实质是对流 域上发生的水文过程进行模拟计算l 们。任何一个水文模型都是自然过程的一种抽 象表达。传统的概念性水文模型在模型描述上具有很强的经验性和地域性，又分 为集总模型和分散模型，后者是一种半分布式模型。在模型的发展上，1 9 5 8 年提 出了s s a r r 模型，1 9 5 9 年提出了s t a n f o r d 模型等。2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代中期提 出了新安江模型、s a c r a m e n t o 模型、t a n k 模型、h e c 一1 模型、s c s 模型、a p i 连 续演算流域水文模型等【“，以上模型属于集总式水文模型。2 0 世纪6 0 年代以来分 布式水文模型获得很大的发展，并逐渐成为目前研究的热点。 1 9 6 9 年f r e e z e 和h a r l a n 发表了一篇名为“一个具有物理基础数值模拟的水 文响应模型的蓝图”的文章，一般将此看作分布式水文模型研究的开始1 1 l 】。随后， 4 h e w l e t t 和t r o e n a l e 在1 9 7 5 年提出了森林流域的变源面积模拟模型( v s a s ) 。在 该模型中，地下径流分层模拟，坡面上的地表径流分块模拟。1 9 7 9 年，b e v e n 和k i r b b y 提出了以变源产流为基础的t o p m o d e l 模型( t o p g r a p h yb a s e d h y d r o l o g i c a lm o d e l ) 【1 犁3 1 ，该模型基于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循环过程的影响，模型的参数具有物理意义， 但未考虑降水、蒸发等因素的空间分布对流域产汇流的影响。1 9 9 4 年，j e f f a r n o l d 为美国农业部( u s d a ) 、农业研究中, t m a r s ) 开发了s w a t 模型( s o i l a n d w a t e r a s s e s s m e n tt 0 0 1 ) ，s w a t 模型是一个具有很强物理机制的、长时段的流域水文 模型1 4 1 。它能够利用g i s 和r s 提供的空间信息，模拟复杂流域中多种不同的水 文物理过程。模型可采用多种方法将流域离散化( 一般基于网格d e m ) ，能够 响应降水、蒸发等气候因素和下垫面因素的空间变化以及人类活动对流域水文循 环的影响。1 9 9 5 年，g r a y s o n 等提出了t h a l e s 模型，它是一个基于向量高程 资料的分布式参数模型。年代到9 0 年代由丹麦、法国及英国的水文学者联合 研制及改进的s h e 模型( s y s t e mh y d r o l o g i ce u r o p e a n ) 则为一个典型的严格意 义上的分布式水文模型嘲。在s h e 模型中，流域在平面上被划分成许多矩形网 格，这样便于处理模型参数、降雨输入以及水文响应的空间分布性；在垂直面上， 则划分成几个水平层，以便处理不同层次的土壤水运动问题。s h e 模型为研究 人类活动对于流域产流、产沙及水质的影响等问题提供了理想的工具。但由于 s h e 模型采用的是基于数值分析的方法，模型边界条件复杂、资料庞大、计算 繁琐，对于较大流域运行时间长，在目前的技术条件下应用存在困难。 在我国分布式水文模型的研究起步较晚1 1 6 1 。1 9 9 5 年，沈晓东等在研究降雨时 空分布与下垫面自然地理参数空间分布的不均匀性对径流过程影响的基础上，提 出了一种在g i s 支持下的动态分布式降雨径流流域模型，实现了基于栅格d e m 的 坡面产汇流与河道汇流的数值模拟【1 7 1 。1 9 9 7 年，黄平等分析了国外一些具有物理 基础的分布式水文数学模型的不足，提出了流域三维动态水文数值模型的构想 i 堋。2 0 0 0 年，黄平等又建立了描述森林坡地饱和与非饱和带水流运动规律的二维 分布式水文数学模型，并用加辽金有限元数值方法求解模型1 1 9 1 。郭生练等建立了 一个基于d e m 的分布式流域水文物理模型，用来模拟小流域的降雨径流时空变 化过程，得到了比新安江模型更好的模拟结果1 2 0 , 2 1 1 。任立良等提出建立数字高程 流域水系模型瞄】。2 0 0 2 年，张成才等进行了基于d e m 模型的流域参数识别方法 5 研究吲。牛振国等建立了基于d e m 的区域参考作物蒸散量的分布式模型。于 澎涛建立了一个基于网格单元的分布式水文模型，用于四川官司河流域得到较好 的效果1 2 5 ，我国的水文工作者将分布式水文模型应用于不同流域，都取得了良好 的效果【2 6 加。 半干旱地区的水文模拟是国内外水文学研究的一个难点和热点。这方面研究 的主要困难是水文时空变化大、水文机理复杂、水文资料的获取十分有限【嚣一3 0 l 。 目前水文模拟技术趋向于将水文模型与地理信息系统( g i s ) 集成，以便充分利 用g i s 在数据管理、空间分析及可视性方面的功能。数字高程模型( d e m ) 是 构成g i s 的基础数据，利用d e m 可以提取流域的许多重要水文特征参数，如坡 度、坡向、水沙运移方向、汇流网络、流域界线纠3 1 矧。 科技的发展使数字和遥感资料的可利用性日益增加，更为分布式水文模型提 供了有力的技术支持。在信息采集和存储方面，人们借助卫星摄影和遥感等高技 术手段获得的地理信息迅速增长。新的信息采集技术，获取了大量过去不可能或 难以获得的与水文相关的空间数据，这些空间信息为分布式水文模型的研究提供 了强有力的支持。 1 2 3 流域特征的提取 由d e m 提取流域特征的研究在国外从2 0 世纪6 0 年代就开始了，其高峰出 现在2 0 世纪8 0 、9 0 年代。而在国内是从2 0 世纪9 0 年代才开始的，并且重点是 对国外软件的应用。在该领域中，2 0 世纪踟年代之前的研究是比较少的，研究 范围也仅限于分水线和山谷的识别和提取【3 2 1 。而在2 0 世纪8 0 、9 0 年代取得7 飞 速的发展，相继出现了各种提取河网、流域边界以及划分子流域的方法。近几年 来，其研究的重点又从提取单一地形特征( 即流域中所有点的特征都是整个流域 特征不可或缺的一部分，由它们组成的流域特征是唯一的) ，如河网、分水线等， 转到了分布式子流域特征( d i s t r i b u t e ds u b c a t c h m e n tp r o p e r t i e s ，即对于每个点， 该特征的取值都不同，可以通过数据精简模型求取整个流域中最具代表性的值) 的提取研究上，如子流域长度、坡度、河网密度等的计算方法。 流域特征提取即是从数字高程模型中提取水文模拟所需要的汇流路径、数字 水系、流域长度和坡度等特征。它决定着流域的汇流特性【3 3 1 。目前常用的数字高 程模型为栅格型d e m ，现有的流域特征提取工具，如a r c i n f o 、r i v e r t o o l s 、t o p a z 6 等，也都是以栅格型d e m 为数据源的；随着信息技术的发展，水文工作者开始 使用复合信息提取流域特征的方法进行流域特征的提取【3 4 l 。 判断单个网格流向的方法总的说来有两类：单流向法和多流向法。单流向法 假定一个网格中的水流只从一个方向流出网格，然后根据该网格和周围网格( 多 用3 x 3 窗1 ：3 ) 的高程判断水流方向，其具体方法有d 8 法1 3 5 1 、l e a 法【3 q 、d e m o n 法p 7 1 和d o o 法 3 s l 等；多流向法所考虑的仍然是中心网格与其周围的八个网格之 间的关系，其产流仍然是点源，水流路径也是一维的线，由中心网格中心点指向 相邻网格中心点，唯一的不同就是水流从不同的方向流出研究网格，即将水流按 一定的比例分散地分配给高程较低的相邻网格。虽然多流向法的提出比较晚嗍， 但并没有取代单流向法在实际应用中的地位，单流向法( 尤其是d 8 法) 因简单 方便而得到了广泛的应用【加】。 1 2 4 变化环境对产汇流规律的影响 产汇流规律的变化受气候变化和人类活动的双重影响。由于下垫面地形变化 相对缓慢，气候变化一般指降水特性变化，包括雨量、雨强、降雨时空分布等的 变化。人类活动的影响包括农业、林业、城市化以及水利工程的影响。 l 气候变化对产汇流规律的影响 随着人类活动的加剧，工业化的发展，导致温室气体( g h g ) 增加而引发 的全球气候变化，将对水循环产生巨大影响【4 1 捌。水资源具有水循环更替期的可 更新性、时空分布的不均匀等特性，气候的变化将加快全球的水文循环，从而引 起水资源在时空上的重新分配，并对降水、蒸发、径流、土壤湿度等造成直接影 响1 4 3 - 4 习。河川径流与区域水资源对全球气候变化的响应与降水的变化密切相关， 径流的变化通常比降水的变化更为剧烈，特别在干旱区 4 6 1 。 1 9 7 7 年，美国国家研究协会( u s n a ) 组织会议讨论了气候变化和供水之间 的相互关系及影响1 4 7 1 。但是1 9 7 9 年在瑞士召开的“世界气候大会”上，尽管有 些学者呼吁应开展气候变化和水资源之间的研究，当时并没有引起足够的重视。 直到2 0 世纪8 0 年代中期气候变化对水文水资源影响的研究才引起了国际水文界 的重视，1 9 8 5 年世界气象组织( w m o ) 出版了气候变化对水文水资源影响的综 述报告，并推荐了一些检验和评价方法i 蝎j ，之后又出版了水文水资源系统对气候 变化的敏感性分析报告；1 9 8 6 年国际科学联合理事会( i c s u ) 制定了国际地球 7 生物圈计划( i g b p ) ；国际水文科协( i a h s ) 1 9 8 7 年在第1 9 届国际i u g g 大会 中举办了“气候变化和气候波动对水文水资源影响”的专题学术讨论会。为加快 研究步伐，1 9 8 8 年世界气象组织和联合国环境规划署( u n e p ) 共同组建成立了 政府间气候变化专业委员会( 口c c ) ，专门从事气候变化的科学评估，并定期总 结最新的科学成果，提供具有权威性的气候评估报告，从1 9 9 0 年开始，国际上 许多科学机构和科学家参与全球能量和水循环实验计划( g e w e x ) 。1 9 9 1 年在 维也纳举行了第二十届国际大地测量与国际地理联合( i u g g ) 大会，配合国际 地圈和生物圈计划( i g b p ) ，水文科学组的主题是探讨土壤一大气之间相互作用 的水文过程。1 9 9 2 年开始用瞬变的g c m 输出产品，即令温室气体每年以1 的 幅度增至某一浓度时的气候变化，有6 个i s 9 2 排放情景。1 9 9 3 年，以气候变化、 气圈和水圈的相互作用和影响，大尺度气候和水文模拟技术为主题，在日本召开 了第六届国际气象和大气物理科学、第四届水文科学t 4 9 1 ( i a m a p - - - i a h s ) 联合 大会。2 咖年i p c c 完成了排放情景特别报告( s r e s ) 并取代了前面的6 个i s 9 2 排放情景。对水文水资源的研究也由气候年均值变化对径流的影响，发展至目前 既有气候均值又有气候变异的变化对径流均值、极值频率分布变化的影响。 在国内，气候变化对产汇流影响的研究起步较晚，是从9 0 年代以后开展的 例。刘春蓁等在“八五”期间利用随机天气模型、流域蒸散发模型、流域水文模 型、水资源综合评价模型及g c m s 预测的未来气候情景系统研究了全球气候变 化对我国水文和水资源以及水资源供需的影响。我国邓慧平等水文工作者通过水 量平衡模型、经验模型等对热带、亚热带湿润气候对产汇流的影响研究得出水文 情势对气候变化较敏感的结论【5 2 _ 5 7 】。 2 人类活动对产汇流影响研究概况 人类活动对流域径流的影响是当前的一个热点问题。人类活动包括农业化、 林业化、工业化、城市化以及各项水利工程的修建，具体包括了农作物灌溉、坡 改梯、植树种草、工业耗水、城镇供水、土地利用、跨流域调水、修建水库、建 闸建坝等。 1 国外研究成果：1 9 3 5 年水文学家在南非o n k e r s h o e k 森林水文站设立了6 个对比流域，研究不同森林开发程度的水文效应；5 0 年代以来，随着城市化进 程的发展，联合国组织专家开始研究城市化的水文响应，6 0 年代起国际水文十 8 年( d ) 和国际水文计划( 珊p ) 活动的开展中，人类活动水文效应的研究作 为其一项主要内容；2 0 世纪年代以来，由于温室气体排放造成全球气候变暖， 于是人类活动的全球尺度的水循环效应成为人们研究的新重点i s s l 。j u a n 和 m a c d o n a l d 等人对美国科罗拉多州山脉2 6 块试验基地进行森林焚烧前和焚烧后 的产汇流变化情况进行分析，焚烧后的径流系数较焚烧前的径流系数增加了1 5 3 0 ，产沙量是焚烧前的1 0 2 6 倍网。n a i k 和j a y 对哥伦比亚1 8 7 9 1 9 2 8 年 的实测径流进行还原而得到天然径流过程发现，“开荒”可能使得4 6 月份径 流增加( 加速了积雪春融) ，开垦森林导致的蒸散发减小大约导致年径流增加 1 - - 2 1 6 0 1 。b e w k e t 、s t e r k 、p r i n t e r 和k w a d i j k 等人发现人类活动对自然环境的 破坏是径流变化的主要原因1 6 。还有研究人员基于气候和人类活动的影响建立起 分布式水文模型来分析气候和人类活动对径流变化贡献大小情况【6 冽。 2 在我国，燕荷叶对沁河流域径流影响因素进行研究，对沁河流域近2 0 年 来的径流变化趋势进行了分析，从机理上分析对造成径流量减少的影响因素，提 出了利用径流还原进行水资源评价的思纠6 町。王纲胜，夏军等人通过建立分布式 月水量平衡模型( d t v c m ) ，通过设置人类活动影响背景参数集，表述人类活 动对水文过程的影响，并将d t v c m 月模型应用于华北地区密云水库以上潮白河 流域，识别出白河流域气候变化对径流减少的贡献为4 4 ，人类活动导致径流减 少达5 4 ；潮河流域气候变化的贡献率为2 4 ，而人类活动的贡献率高达7 4 ， 是导致径流减少的主要原因瞄】。周红，秦嘉轮等通过绘制各水文站按时序排列的 年径流累积曲线，观察其变化规律，判断其是否受人类活动影响嗍，等等。 目前，国内外对人类活动水文效应的研究主要有三类方法，即水量平衡法、 对比分析法和流域水文模拟法。 流域水文模型是建立在对流域水文特性认识的基础上，具有其特有的优越 性，有广阔的应用前景。在应用水文模型评价人类活动影响的研究中，一些研究 者对考虑人类活动影响的流域水文模型参数的确定、人类活动对河道汇流特性影 响等方面进行了相关研究，但大多限于采用一个总的经验性修正因子考虑人类活 动对流域径流的影响，或者是对调查资料的分析1 6 7 】。 9 1 3 主要研究内容及技术路线 1 3 i 主要研究内容 本文拟选取封闭实验条件基础好、水文资料系列长、生态及环境建设效果显 著的黄河中游无定河二级支流小理河流域作为研究区域，在调查研究和利用3 s 、 等先进技术的基础上，通过建立分布式水文模型，分别模拟天然条件下和下垫面 变化条件下的次洪过程，通过模型参数比较，实测资料分析，产汇流过程模拟等 途径，研究黄土高原典型支流产汇流特性的变化规律，量化降水特性( 如降雨量、 降雨强度、降雨分布) 和人类活动( 如水利水保工程、水资源开发利用) 的影响 程度。 论文主要研究内容包括： 统计分析小理河流域产汇流特性变化情况。通过分析年降雨过程、年径流 过程、年径流系数、次径流系数的变化，分析流域的降雨特性变化( 降雨量、降 雨强度及降雨的时空分布) 对产汇流规律的影响。 应用a r c v i e w 中的水文模块提取流域特征；并采用基于d e m 的分布式水文 模拟技术建立分布式水文模型，利用分布式水文模型模拟降雨特性变化以及人类 活动对流域产汇流规律的影响。 1 , 3 2 技术路线 根据本文的研究内容，论文的总体框架和技术路线如下： 1 1 第二章小理河分布式水文模型的建立 2 1 流域概述 2 1 1 流域水系特征 小理河是无定河水系大理河的一条主要支流，位于东经1 0 71 6 一1 0 9 。5 1 、北纬 3 7 0 3 6 - 3 7 。4 9 它发源于陕西省横山县艾好峁村，在陕西省子洲县殿市镇李家河 村汇入大理河，属山溪性河流，流域面积8 0 7 k m 2 ，河长6 3 7 k i n ，河道平均比降5 5 ，河网密度0 1 1 6 k m k m 2 ，流域不均匀系数0 0 5 3 ，流域形状系数0 0 0 3 1 2 ，见图2 一l 。 ? “严姑 ) 皮蕊j ； 圈倒 北 图2 一l 小理河流域不意图 2 1 2 流域水文气象概况 小理河流域属大陆性气候，具有“春季干燥多风沙，夏季温热多雷雨，秋季晴 朗降温快，冬季干冷雨雪少”的特点。 ( 1 ) 太阳总辐射 小理河流域的太阳总辐射为1 2 0 。1 3 0 k c a i o i l l 2 - a 。其中夏季最大，为4 0 - 4 3 k c a l t i l l 2 啦，春季次之，总辐射达3 8 枷k c a l c m 2 巾，秋冬两季较少，总辐射为 2 0 - 2 2 千卡平方厘米。 ( 2 ) 气温 小理河流域年平均气温在8 - 9 c 之间，由西北向东南递增。极端最高气温为3 7 6 ，极端最低气温为零下2 5 1 o ，气温年内变化大，2 7 月气温逐月上升，8 月以 后逐月下降。1 、2 、1 2 月平均气温在o 以下，极端日温差在2 0 以上。 ( 3 ) 风向、风力 小理河流域全年以西南风居多，冬春季盛行西北风，夏季多为东南风。七级以 上大风四季均可出现，夏季大风通常与雷雨相伴，范围不大，时间较短，风力强劲。 冬、春季主要是寒潮大风，风沙弥漫，并伴有降温，持续时间较长。最大风速达2 0 m s 以上。 ( 4 ) 冰、霜冻 小理河流域初霜期一般为1 0 月初至1 0 月中旬，终霜期在3 月下旬至4 月下旬， 无霜期1 5 0 d 左右，最短的1 1 2 4 1 ，多霜冻灾害。无定河流域从1 1 月上中旬开始结冰， 1 1 月底至1 2 月中旬封冻，实测最大冰厚达0 8 5 m ，次年3 月上旬解冻，封冻天数长 达8 5 d 左右 ( 5 ) 蒸发与干旱指数 小理河流域多年平均年水面蒸发量在1 2 0 0 r a m 左右，多年平均年陆面蒸发量为 3 8 0 - 4 0 0 m m ，干旱指数( 多年可能年蒸发量多年平均降水量) 为2 4 砣9 。 2 1 3 流域地质概况 本地区属于鄂尔多斯地台，白垩纪以前，地台只有过缓慢的上升、下降运动， 白垩纪以后由于燕山和喜马拉雅山运动的影响，地台发生了轻微的褶皱，第四纪初 期开始，在地台上沉积了大量的黄土，形成了现代的黄土高原，地层组成由老至新 为基岩、老黄土、新黄土。 2 1 4 流域地貌概况 小理河流域属于黄土丘陵沟壑区，基岩为中生代砂页岩，其上为更新世黄土层 覆盖，土层厚5 0 1 0 0 m f s l ，不仅梁峁相隔，沟壑纵横，而且山高坡陡，植被很差。 土质多为黄土和沙土，因而土壤侵蚀剧烈，水土流失严重。 小理河流域地质属鄂尔多斯台地一部分，基本属于前震旦系，其上沉积深厚的 中生代陆相地层，以砂页岩、泥岩、砾岩为主地貌为黄土丘陵沟壑区，海拔 1 4 0 0 - 1 7 0 0 m ，黄土物质分布广泛深厚，由于长期的侵蚀，形成了支离破碎、沟壑纵 横、重山秃岭、起伏不平的地形。河源区土层深厚，山大沟深、梁原宽广，涧地交 错分布。 小理河流域地势为西南高、东北低，由西南向东北倾斜；峁多梁窄，峁梁起伏， 峁呈馒头状，峁顶坡度较缓，下部坡度较大，峁梁以下的沟和河流下切强烈，多数 切入基岩。海拔在1 4 0 0 1 7 0 0 m 之间，沟壑密度达4 0 - - 6 o k m k m 2 。土壤以绵沙土为 主，地貌由梁、峁、坡、台、湾塔地组成，少雨多风。其地形地貌特征为：粱峁起 伏，山大沟深，河谷深切，沟壑纵横，岩石裸露，光山秃岭，植被稀少，地形破碎， 水土流失极为严重。 2 1 5 流域人类活动影响概况 小理河流域1 9 7 4 年9 月建成土坝型殿( 电) 市水库，位于陕西省子洲县电市乡 电市村，东经1 0 9 。4 6 ，北纬3 7 03 8 。坝高3 9 5 m ，控制面积1 8 8 k m 2 ，总库容1 3 4 5 万m 3 ，正常应用库容0 0 8 9 xl o a m 3 ，最大下泄流量1 1 5 0 m 3 s 1 6 9 1 。 小型水库和淤地坝概况：至1 9 8 5 年7 月，小理河建小型水库2 座，总库容2 6 2 万m 3 。 渠道等引、抽水建筑物概况：子洲干渠属小理河。位于子洲县，1 9 5 6 年建成， 灌溉面积0 2 7 万亩，灌溉定额4 0 m 3 亩。五星渠属石垛坪，位于子洲县，1 9 7 1 年 建成，灌溉面积o 1 8 4 万亩，灌溉定额4 0 m 3 亩。黄坪渠属殿市水库，位于子洲县， 1 9 7 1 年建成，灌溉面积0 1 3 4 万亩，灌溉定额4 0 m 3 亩。高镇一渠，位于横山县， 灌溉面积o 1 0 0 万亩，灌溉定额4 0 m 3 亩。高镇二渠，