（水文学及水资源专业论文）黄土高原典型流域产汇流特性变化研究.pdf

摘要 人类活动的影响下黄土高原产汇流特性已发生了很大改变 这种变化影响了 流域产汇流特性 以黄河中游典型流域岔巴沟为研究区域 分析了2 0 世纪6 0 年代 7 0 年代 8 0 年代和9 0 年代的水量变化及其成因 采用对比分析法 双累 积曲线法 径流系数还原法 流域水文模拟法等方法对研究流域1 9 5 9 1 9 9 7 年的 降雨径流关系进行了分析 通过建立不同尺度天然条件下和下垫面变化条件下的 流域分布式产汇流模型 比较模型参数 说明下垫面变化特点 研究黄土高原典 型支流产汇流特性的变化规律 量化气候变化 如降雨量 降雨强度 降雨分布 和人类活动 如水利水保工程 对流域产汇流的影响程度 探讨产汇流的变化规 律 针对黄土区流域治理程度深 人类活动影响大的特点与以往方法的不足之 处 提出利用基于d e m 的分布式水文模拟技术 采用动态产汇流和网格滞蓄的 方法 探讨流域人类活动过程中的产汇流模拟 避免经验公式的概化和由此引起 的局限 模拟的结果证实了该方法的可行性 采用动态产汇流和网格滞蓄的方法 可以在子网格上体现人类活动引起的下垫面的变化及其对产汇流的影响 反映各 个时期的产汇流条件 对降雨做出合理响应 分布式模型的许多参数是基于d e m 提取的 空间分辨率的改变与d e m 重 取样方式对水文模拟都会产生重要影响 采取不同取样方法获得多种尺度的 d e m 对不同分辨率下的流域特征值进行了统计分析与比较 进而分析了d e m 空间分辨率对模型参数以及模拟结果的影响 引入熵的概念度量不同分辨率的 d e m 包含的信息量 以及不同取样方式对信息量的影响 并将不同取样方式得 到的d e m 与a r c i n f o 直接生成的d e m 进行比较 以5 0 m d e m 所包含的信息量 为基准 研究了不同空间分辨率下流域特征值的信息损失 关键词 d e m 空间分辨率 流域特征 熵 人类活动 分布式水文模型 网 格滞蓄法 a b s t r a c t h u m a n a c t i v i t yh a sg r e a te f f e c to nr u n o f fy i e l da n dc o n c e n t r a t i o nf o rb a s i n s b e c a u s eo ft h e s p e c i a lh u m a na c t i v i t yo nt h el o e s sp l a t e a u t h ey e l l o wr i v e r sr u n o f fi sd e c r e a s i n gf r o m1 9 6 0 s i nt h i sp a p e l c h a b a g o uw a t e r s h e d t y p i c a lw a t e r s h e do nt h el o e s sp l a t e a u sr u n o f fc h a n g ef r o m 1 9 6 0 st o1 9 9 0 sw a sa n a l y s e d w i t ht h eh e l po f h y d r o l o g ym o d e l so nt h en a t u r ec o n d i t i o na n d l a n ds u r f a c e c h a n g e dc o n d i t i o n t h ec h a n g eo fr a i n f a l la n dt h eh u m a na c t i v i t y se f f e c to i l h y d r o l o g ym o d e l i n gi sm e a s u r e di nt h i sp a p e r f o rt h e c o m p l e xl a n ds u r f a c ec o n d i t i o n t h e r e l a t i o n s h i p o fr a i n f a l la n dr u n o f fi s v e r y a n o m a l y r u n o f fi sh a r dt ob em o d e l e db yu n i f o r me x p e r i e n c ef o r m u l a a n dw h a t sm o r e w h e n t h el a n ds u r f a c ec o n d i t i o nc h a n g e d t h ee x p e r i e n c ef o r m u l al o s ti t s v a l i d i t y b a s e do nd i s t r i b u t e d h y d r o l o g i cm o d e l g r i d b a s e dl a g a n d s t o r a g em e t h o da n d d y n a m i cr 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 nm e t h o d w h i c hc o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fh u m a n a c t i v i t yo ne a c h 鲥d a r ei nd e t a i l s h o w nt a k i n gc h a b a g o uw a t e r s h e da sa ne x a m p l e t h ed i g i nt e r r a i np a r a m e t e r sa r ee x t r a c t e d f r o md e m d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l w h i c hr e s o l u t i o ni s9 5 0 m x 9 5 0 m t h el o c a t i o no fd a m sa n d r e s e r v o i r se ta la r ed i s t r i b u t e do nt h eg r i d sb y c o n s i d e r i n gt h e i rr e a li o c a t i o no nt h ew a t e r s h e d t h e m o d e la l s ou s e dt h em i x r u n o f f y i e l dm e t h o dw h i c h c o n s i d e r i n g t h ev a r i a t i o no f r u n o f f y i e l da r e a t h e m o d e l i n g r e s u l t ss h o wt h e f e a s i b i l i t y o ft h i sm e t h o d m o d e l u s i n g t h e g i r d b a s e d l a g a n d s t o r a g em e t h o da n dd y n a m i cr 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 nm e t h o dc o n s i d e r e dt h e l a n dc h a n g eo ng r i d s c a l ea n dr e f l e c tt h ec o n d i t i o no f e v e r yp e r i o d s s oi tw o u l dm a k er e a s o n a b l e r e s p o n s et or a i n f a l l b r i n g i n gt h e e f f e c to f h u m a n a c t i v i t yo nr u n o f f i n t ot h ed i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c m o d e l t h en a t u r e l a wo fw a t e r s h e da n dt h ee f f e c to fh u m a na c t i v i t y o i lr u n o f fa r e d e e p e r u n d e r s t o o d m a n yp a r a m e t e r so ft h ed i s t r i b u t e dh y d r o l o g i cm o d e la r ee x t r a c t e df r o md e m c h a n g ei n d e m s p a c er e s o l u a o na n ds a m p l i n gm e t h o dw i l lh a v eg r e a ti m p a c to nh y d r o l o g ym o d e l i n g i n t h i sp a p e rt h ee f f e c to fd e mr e s o l u t i o no nd r a i n a g ep r o p e r t i e se x t r a c t i n gi se x a m i n e df o ras t u d y b a s i nu s i n gd e mo fi n c r e a s i n ge n ds i z e t h er e s u l ts h o w st h a tw a t e r s h e dc h a r a c t e r i s t i c se x t r a c t e d f r o md i f f e r e n td e md a t ar e s o l u t i o nm a yb es t a t i s t i c a l l yd i f f e r e n t w es t a t i s t i c a l l y a n a l y s e st h e w a t e r s h e dc h a r a c t e rv a l u e ss u c ha se l e v a t i o n g r a d i e n t l e n g t ho fw a t e r s h e dn e t w o r k t o p o g r a p h i c i n d e x w a t e r s h e da r e a s t r e a md e n s i t ya n dm m n s t r e a ml e n g t h t h em e a n v a r i o u s m a x i m a lv a l u e a n dm i n i m a lv a l u eo fs o m eo ft h eo b j e c t sa r ea n a l y s e di nd e t a i l c o a r s e rt h er e s o l u t i o ni s m o r e s m o o t ht h et e r r a i n i s a v e r a g eg r a d i e n ta n dl e n g t ho fw a t e r s h e dn e t w o r ka n ds t r e a md e n s i t y m i n i s hw i t hd e c r e a s i n gd e m r e s o l u t i o n t o p o g r a p h i ci n d e xi n c r e a s e sw i t hd e m r e s o l u t i o n t h e c o n c e p to fe n t r o p yh a sb e e nc o n s i d e r e d ap r o m i s i n gm e t h o di n t h i ss t u d ya si t q u a n t i t a t i v e l y m e a s u r e st h ei n f o r m a t i o np r o d u c e db ya no b j e c t w a t e r s h e d w i t ht h ed e m g r i ds i z ei n c r e a s i n g e n t r o p yb e c o m es m a l l e ra n ds m a l l e r a n de n t r o p yo fa v e r a g er e s a m p l ei s l a r g e rt h a nc e n t e r r e s a m p l eo n e s d e mw i t hv a r i o u sr e s o l u t i o n sa l eo b t a i n e df r o mt w om e t h o d s a v e r a g er e s a m p l e a n dc e n t e rr e s a m p l e t h er e s u l ta l s os h o w st h a ta v e r a g eg r a d i e n to f a v e r a g er e s a m p l ei ss m a l l e r t h a nc e n t e rr e s a m p l eo n e s b u tt h el e n g t ho f w a t e r s h e dn e t w o r ka n ds t r e a md e n s i t yi so nt h eo t h e r w a yr o u n dt h i sm e a n s t h ec o n f l u xt i m eo f a v e r a g er e s a m p l em a yb el o n g e rt h a nc e n t e rr e s a m p l e o n e s a n dm a i n s t r e a ml e n g t ho f a v e r a g er e s a m p l ei sm o r ec l o s et ot h eo r i g i n a l5 0 md e m o n e s s o m ew a t e r s h e dc h a r a c t e r i s t i c sh a v eg o o dr e l a t i o nw i t he n t r o p y a l s o s u g g e s t i o n sa r em a d ef o r c a l c u l a t i n gt h el o w e s tr e s o l u t i o no fv a r i o u se r r o r sb a s e do nd i f f e r e n tr e s o l u t i o n s t h ee f f e c t so f d e m s p a t i a lr e s o l u t i o na n ds a m p l i n gm o t h o do nt h em o d e lp a p a m e t e r sa n dt h em o d e l i n gr e s u l t s a r es t u d i e di nt h i sp a p e r k e yw o r d d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l s p a t i a lr e s o l u t i o n w a t e r s h e dc h a r a c t e r i s t i c e n t r o p y e f f e c to fh u m a na c t i v i t y d i s t r i b u t e d h y d r o l o g i cm o d e l r u n o f fp r o d u c i n ga n dc o n f l u x g r i d b a s e dl a g a n d s t o r a g em e t h o d 刖面 2 0 世纪6 0 年代以来在黄河中游开展了广泛的流域治理工作 采取了各种工 程措簏与坡面措腌 修建了许多水库以及大量的淤地坝 这种高强度的人类活动 改变了流域的下垫面条件 使黄土高原产汇流特性发生了很大改变 该区天然条 件下及人类活动影响下的降雨径流关系机理研究不够 岔巴沟流域为黄河中游有 代表性的流域 研究和揭示典型流域下垫面变化对流域产汇流的影响并定量描述 和评价影响程度 对于揭示其水量减少成因 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水资源规划 水资源统一管理调度等 方面有着重要的意义 随着3 s 技术与分布式水文模型的发展 流域产汇流模拟技术有了新的进展 传统的模拟方法在应用中取得了很好的成绩 但随着人类活动影响加剧以及下垫 面不断变化 分布式模型的优越性逐渐凸现 分布式模型可以更好地解决空间不 均匀问题以及人类活动空间分布带来的影响 进而评价这些影响的水文效应 对 不同的下垫面信息与空间分布的降雨信息 可以模拟对应状况下的产汇流 3 s 技术又为分布式参数的获取和空间匹配提供了有力支持 论文采用分布式模型对 岔巴沟流域历年的产汇流进行了模拟 并在此基础上分析不同年代的产汇流特性 变化 分析自然变化和流域下垫面变化对流域产汇流的影响 在干旱半干旱区的 产汇流模拟中采用了动态产汇流与网格滞蓄的方法 充分考虑了降雨发生时上游 对下游产流的影响以及径流演进对出口流量的影响 采用网格滞蓄的方法在计算 网格的尺度上考虑人类活动特别是水利工程的拦蓄影响 d e m 是建立分布式水文模型的重要资料基础 利用g i s 工具可以从d e m 自动提取分布式特征参数 d e m 总是具有一定的分辨率 d e m 的分辨率影响了 基于d e m 提取的流域特征 进而影响到分布式模型的模拟结果 论文对不同取 样方式下d e m 分辨率对流域特征提取的影响及其对分布式模拟的影响进行了研 究 比较不同取样方式获得的d e m 与直接生成的d e m 的差异 采用熵度量d e m 信息量 建立了流域特征 如平均坡度 河网密度 河网长度 与熵的乘幂关系 希望得到一些有益于分布式建模的参考 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 丝整 垒力 砂年 月7 日 注 手写亲笔签名 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 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 丝起兰 胁年 月 7 日 注 手写亲笔签名 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景 目的及意义 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 流域产汇流条件发生了一定变化 表现在同样降雨条件下产 流量减少 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 生态及环境建设和水资源开发利用 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 1 8 日 黄河中游无定河 清涧 河 窟野河 延河等普降暴雨 目雨量超过l o o 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只有6 5 0 m 3 s 黄土高原多沙粗沙区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 种种迹象表明 人类活动的影响下 g e 要表现在水资源利用 改变了区域 三水转化 关系以及水利水保措施的开展增加了无效蒸发 截留了 一部分雨量 改变了土壤入渗条件等方面 黄土高原产汇流特性已发生了很大 改变 这种变化影响了流域产汇流特性 因此 有必要通过建立不同尺度天然条 件下和下垫面变化条件下的流域产汇流模型 比较模型参数 分析下垫面变化特 点 研究黄土高原典型支流产汇流特性的变化规律 量化气候变化 如降雨量 降雨强度 降雨分布 和人类活动 如水利水保工程 影响程度 通过研究和揭示典型支流下垫面变化对流域产汇流的影响并定量描述和评 价影响程度 揭示其水量减少成因 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 第一章绪论 1 2 主要研究内容 本文选取水文资料系列长 生态及环境建设效果显著的黄河中游无定河支流 上的二级支流岔巴沟作为研究区域 岔巴沟流域位于黄河中游主要泥沙来源区 在气候 降雨 和地质地貌以及下垫面条件上具有广泛的区域代表性 论文主要研究内容包括d e m 的空间分析 分布式水文模型的构建 自然变 化和人类活动对产汇流规律的影响分析以及d e m 分辨率对模型模拟结果的影响 分析几个方面 1 2 1d e m 的空间分析 随着数字水文的发展 从d e m 中提取水文模型所需的流域特征参数越来越成 为模型参数获取的途径 理论上讲栅格尺度越小 表示的流域空间分布特征越精 确 在此基础上提取的流域特征参数也更准确 但在目前的实际应用中 由于资 料 计算条件的限制以及与其它模式匹配等原因 往往不可能达到这 点 这就 需要探讨 在怎样一个精度下建立d e m 既能满足应用的需要 又使得d e m 的建 立比较接近实际 空间分辨率的不同会对空间参数特性产生影响 随着分辨率的 变化 包含的信息量也相应不同 在实际应用中已有的d e m 分辨率不一定正好 是所需的分辨率 这时需要对已有的d e m 进行重取样 关于d e m 重取样目前 的研究不多 取样方式同样会对空间参数特性产生影响 1 2 2 流域分布式水文模型的构建 由于黄河中游区流域治理程度较大 水保措施较多 各流域下垫面条件复杂 侔水与产流的关系非常散乱 采用经验公式难于有统一的计算公式 已存在各种 各样的经验公式 各种公式计算结果不一致 且无法用于其它区域 更主要的是 由于人类活动影响 下垫面条件不断发生改变 下垫面条件改变后 先前率定的 经验公式就失去了可靠性 人类活动改变了水文循环要素的量和流域的产汇流条 件 但并没有改变水文要素的形成机理及其基本规律 应用分布式水文模型 可 以在子网格上体现下垫面的变化 从而反映各个时期的产汇流条件 对降雨做出 正确响应 岔巴沟模型的建立参考了现有的一些优秀的水文模型 网格初始土壤含水量 第一章绪论 的确定借鉴了t o p m o d e l 中通过地形指数推求的方法 网格分布式处理部分地参 考了s w a t 模型的处理模式 超渗模型采用h o r t o n 模型 蓄满产流模型采用的是 新安江模型 汇流部分流速的推求参考了s c s 法 此外 结合模拟要求和研究 区域特点 岔巴沟模型采用动态产汇流的模拟方法 考虑了产汇流过程的非线性 特征 采用网格滞蓄法 在分布式模拟中考虑水保措施的影响 适应人类活动影 响广泛地区的水文模拟 模型包含了植被截留模块 蒸散发模块 土壤模块 地 表水模块 壤中流模块 地下水模块 裂隙溶洞水补给模块 河道汇流模块以及 水保措施影响模块 岔巴沟流域处于干旱半干旱地区 产流机制应该以超渗产流为主 在大规模 的进行水土保持建设后 流域的下垫面发生了很大改变 就有学者提出该流域的 产流有朝壤中流增加的趋势发展的可能 并且 不排除有些年份降水充沛 造成 表土湿润的情况 因此 适当考虑混合的产流机制更为合理 论文建立的模型考 虑混合产流模式 通过变动的产流面积同步计算蓄满成份和超渗成份 结合水量 平衡关系递推求解产流量 模型区分了不透水面积与透水面积 不透水面积上直 接产流 透水面积又考虑了河道部分和非河道部分 河道单元通过数字水系确定 在产流模型中区分河道与非河道部分 考虑上游网格出流对下游网格的产汇 流的影响 进行动态产汇流模拟 从d e m 可以提取上游集水面积数据文件 上 游集水面积越小表示该网格所受上游影响范围小 上游集水面积为0 的网格只对 其直接相邻下游网格有影响 而没有上游影响 因此最先对上游集水面积为0 的网格进行产汇流计算 依次类推 按照上游集水面积从小到大的顺序逐个进行 网格产汇流模拟 上游网格产生的地表径流作为下游直接相邻网格的降雨 上游 网格产生的壤中流出流补充下游直接相邻网格的土壤含水量 同时考虑了传输滞 时引起的时程上的匹配 地下水独立计算 汇流模型中将坡面汇流与河道汇流区分 河道汇流采用滞后算法 马斯京根 法 在滞后算法应用中 参考s c s 流速公式 结合流域土地利用及土壤类型资 料率定参数 分布在流域各处的水保措施对汇流也有影响 考虑到这一因素将使 汇流模型更加合理 模型处理网格化的水保工程分布 对经过的水流作无调节的 逐级拦蓄 利用1 9 5 9 1 9 9 7 年日资料建立岔巴沟流域自然条件下和变化环境下的分布 第一章绪论 式曰尺度产汇流模型 利用19 5 9 19 9 7 年次洪资料建立岔巴沟流域自然条件下 和变化环境下的分布式次尺度产汇流模型 1 2 3 自然变化和人类活动对产汇流规律影响 产汇流的变化受自然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 自然变化一般表现为降雨变化 包括雨量 雨强 降雨中心 降雨空间分 布等的变化 人类活动的影响包括农业 林业 城市化以及水利建筑物的影响 研究对象岔巴沟流域为无定河重点治理区 流域综合治理力度大 各项水土保持 措施分布在流域各处 因而人类活动的影响主要体现为水土保持措施的影响 包 括淤地坝 水库 坡改梯 植树种草等 利用岔巴沟流域1 9 5 9 1 9 9 7 年的实测 资料分析自然变化对产汇流的影响 分析降雨量时空变化特性 降雨径流关系及 变化特点 参考水文法 水保法等方法 采用不同系列对比法 双累积曲线法 降雨产流对比法等进行产流分析 比较分析以上方法的优缺点 结合下垫面资料 采用本文建立的模型模拟岔巴沟流域1 9 5 9 1 9 9 7 年的产汇流 探讨流域人类活 动 在研究区域主要表现为水土保持 过程对流域产汇流规律的影响作用 研究 产汇流变化规律及其变化趋势 1 2 4d e m 分辨率对模型模拟结果影响 前面提到d e m 分辨率对流域特征提取产生影响 分布式模型的许多参数是 基于d e m 的 如流向 坡度 河网 上游集水面积等 因而d e m 分辨率对模 型的模拟结果也将产生影响 论文从两种途径探讨其影响 一种是对应不同分辨 率的d e m 采用同一组参数进行水文模拟 比较分析模拟结果的差异 另一种 是对应不同分辨率的d e m 应用本文建 芷的分布式产汇流模型重新进行参数率 定和模拟 比较分析参数及模拟结果的差异 1 3 国内外研究概况 1 3 1 产汇流理论发展概况 在几十年的发展中 水文学的发展经历了从经验推理到模型化 系统化的发 展 汇流方面 1 9 3 2 年谢尔曼 l k s h e r m a n 提出了单位线方法解决流域汇流 第一章绪论 问题 1 9 3 8 年麦卡锡 g t m a c a r t h y 创建了马斯京根法 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 等流时线的概念出现的很早 1 9 4 5 年克拉克 c 0 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 纳须瞬时单位线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 l 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 l p m 和总径流响应模型 t r 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 产流方面 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 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 最有代表性的是美国五变 量 降雨 p 前期影响雨量 p a 降雨历时 t 月份或周数 y 和径流 r 的合轴相关图 我国也编制了很多类似的简化相关图 如p p a p p a t r 以及p p a i 损 p p a i 口m 等 这些相关关系简易实用 现在仍在实际作业预 报中使用 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 l 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 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 7 0 年代的山坡水文学 对产流理论有着较大的影响 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 第一章绪论 以上的产汇流方法目前还有着广泛的应用 不过 针对具体的流域如何建立 合适的产汇流模型还有许多难点需要攻克 赵人俊教授得出湿润地区以蓄满产流 为主 干旱地区以超渗产流为主的科学论断 黄河流域跨越湿润 半湿润 干旱 和半干旱四个区 对处于干旱半干旱地区的部分 虽然己初步认识到产流主要以 超渗产流为主 但其产流机制研究与湿润地区产流机制研究水平相比 存在精度 差 概念模糊等不足 加之气候和下垫面变化后产汇流特性如何变化 值得深入 研究 赵人俊 王佩兰曾研究了霍顿与菲利浦下渗公式与子洲径流站资料的拟合 2 1 1 3 2 分布式水文模型发展概况 传统的集总模型只用一个坡度或者一个水力糙度就控制了流域对输出的响 应 这种抽象和概化造成了传统水文模拟不能科学地描述流域水文过程 限制了 水文模型在陆气耦合 气候变化及土地利用变化影响等领域的广泛应用 于是 更具有物理意义的分布式水文模型应运而生 分布式水文模型分为全分布式和半 分布式 半分布式模型考虑了流域下垫面的空间分布对水文过程的影响 同时模 型的总体构架属于集总式 半分布式模型中又分两类 一类是在每一个网格单元 或子流域 上应用传统的概念性模型来推求净雨 再进行汇流演算 最后求得出 口断面流量 这类模型的代表为s w a t 模型 该类模型结构与计算过程都比较 简单 适用于较大的流域 另一类模型基于d e m 推求地形空间变化信息 利用 地形信息 如地形指数l n o t a n0 模拟水文响应的特性 最后用统计方法求得流 域总出口断面流量 这类模型的代表是t o p m o d e l 全分布式模型应用数值分 析来建立相邻网格单元之间的时空关系 具有明确的水文物理动力学机制 是严 格意义上的具有物理基础的分布式水文模型 这类模型的代表是s h e i 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 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 h 和f f 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 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 第一章绪论 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 fa r n o l d 为美国农业部 u s d a 农业研究中心 a r s 开发了s w a t 模型 s o l la n dw 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 它能够利用g i s 和r s 提供的空间信息 模拟复杂大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 8 0 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 s h e 模型被看作是全分布式模型的代表 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的产流 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 9 9 5 年 沉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口 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f 4 1 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 5 l 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 6 1 任立良等提出建立数字高程流域水系模型 7 1 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研究 8 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1 9 j 基于d e m 的分布式水文模型一般在水平方向上将研究流域划分成若干子单 元 子单元也可进一步细分 目前 流域离散的方法主要有三种 单元网格 第一章绪论 g r i d 山坡 h i l l s l o p e 或自然子流域 s u b w a t e r s h e d 1 4 1 基于单元网格 g r i d 的划分 该种划分方法基于栅格d e m 将研究区 域 或流域 划分为若干个大小相同的矩形网格 根据研究对象的不同 又可细 分为两类 类是对于较小的实验场或小流域 几百平方公里以内 用d e m 小网格划分 该类方法在一些小尺度分布式水文物理模型 如s h e 模型等 中 比较流行 另一类是针对几十万到几百万平方公里的大流域 如一些大尺度的分 布式水文模型 通常将研究区划分为l k m 皮勰凿 一 图例 j i 霹 图l 岔巴淘流域位置及流域形态图 3 2 2 流域水文气象概况 岔巴沟流域属于干旱少雨的大陆性气候 1 9 6 0 年至1 9 9 7 年 多年平均降水 量为3 7 9 7 m m 降水年际 年内分配极不均匀 历年最大年降水量为6 2 5 3 m m 1 9 7 8 年 最小年降水量为2 2 3 5 m m 1 9 9 1 年 两者相差近三倍 年内降水 量主要集中于汛期 6 9 月 多年平均汛期雨量为3 0 7 5 r n m 占多年平均总雨 量的8 l 岔巴沟流域的降雨多以暴雨形式出现 全年降水量主要集中于几场暴雨之 中 每逢暴雨干 支流均会出现较大的洪水和高含沙水流 该流域内暴雨洪水的 特点为 暴雨历时短 雨强大 洪水含沙量高 输沙量大 全年输沙量主要集中 于年内少数几场大洪水中 第三章人类活动影响下的分布式流域产汇流模拟 年份 平均年降水量p f m m 汛期 6 9 月 降水量p x m m 非汛期降水量p t m m 较6 0 年代 p x p较6 0 年代 p 佃 较6 0 年 pp x p t 呦代 3 2 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 在地台上沈积了大量的黄土 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 3 2 4 流域地貌概况 按地貌形态可划分两大类 一是河谷阶地区 二是黄土丘陵沟谷区 其中又 分两个亚区 即梁地沟谷亚区和峁地沟谷亚区 除这以外 尚有崩塌 滑坡 假 喀斯特 黄土柱等特殊的地面景观 流域上游以梁地沟谷区为主 下游以峁地沟 谷区为主 中游是二者皆有 主沟两岸及一级支沟的沟头一般都有较开阔的平地 而二级支淘的沟头切割很深 沿沟两岸近似垂直 垂直节理发育 崩塌严重 本 地区的地貌特点是 侵蚀严重 沟谷发育 整个沟谷被大小沟道切割的支离破碎 构成千沟万壑 地面坡度变化复杂 且不连续 同一峁 梁的各个方向及同一方 向的上 中 下各坡面坡度变化都很急剧 其特点是沟谷坡面 在主沟的两岸 多为陡峭 一般大于6 0 0 主沟上游及大的支沟则稍缓 约在4 5 0 6 0 之间 在 3 7 第三章人类活动影响下的分布式流域产汇流模拟 沟头及支沟的上部则减至3 0 一4 5 0 之间 峁梁坡面 峁梁顶部坡度平缓 约在 5 1 0 以内 梁的两侧坡度较陡 峁腰上部较陡 下部则较缓 变化范围约在 1 5 0 3 0 0 之间 3 2 5 流域侵蚀概况 本地区土壤侵蚀的现象主要有片蚀 沟蚀 崩塌 潜蚀 滑坡等五种 有单 个分布在坡度较大的山坡上 亦有成群成片密布在陡壁上 或布满峁梁腰部 新 黄土质地疏松 暴雨之中受湿下陷 大量滑落于沟谷之中 滑塌土方有时竞达千 余立方米 有时堵住沟谷 形成2 m 深的水池 在沟的沿头 雨水顺着黄土节理 下渗 形成很深的陷穴 假喀斯特 陷穴附近的地表径流均汇入其中 使之逐 渐加大 加深 其上部直径一般均在5 m 以上 下部较小 陷穴下却有喑道与沟 与相连 或者陷穴的出口即为沟的沿头 土壤侵蚀极其严重 究其土壤侵蚀的原 因 主要是由于该地区沟谷发育 黄土疏松 胶结力弱 颗粒缅小 粘性很差 坡面和沟谷极易产生泥沙 又易被沟道输出 坡度陡 降雨强度大 黄土吸水能 力强 因此形成的地表径流皆产生于强度最大的降雨时段 洪水历时短 强度大 形成坡面漫流及沟道汇流的挟沙能力与冲刷能力都很大 气候干旱 植被少 地 面缺乏保护 坡地耕作及放牧不合理 在开展水土保工作后 水土流失严重的状 况开始改变 3 2 6 流域水文地质概况 根据子洲径流试验站的资料 本地区的含水层初步确定为 1 分布在河流川地粉砂夹砾石层中的潜水 其埋藏深凄在l o m 左右 来源于 雨水下渗 在枯水期又补给河流 2 基岩中的裂隙溶洞水多以泉的形式出露于河谷两岸补给河流 为本地区枯 水流量的主要来源 3 2 7 流域人类活动影响概况 人类活动对流域水文影响较大的因素有灌溉引水 水库调节和水土保持工程 等 岔巴沟处于黄河中游多沙粗沙区 流域水土保持综合治理力度大 因而人类 活动的影响主要体现在水土保持工程的影响上 流域治理工作始于1 9 5 9 年 治 第三章人类活动影响下的分布式流域产汇流模拟 理措旋以治沟为主 治坡为辅 工程设施为主 生物措施为辅 表3 31 9 5 9 年岔巴沟流域曹坪站以上水保工程数量表 注 曹坪舞料是按其它地区调歪贤料与曲积的比僵推求 治沟措施以修建小型淤地坝为主 岔巴沟流域自5 0 年代就开始建坝淤地 至1 9 7 0 年前建有库坝1 3 9 座 坝高多在1 0 m 以下 库容多在5 0 万立方r f l 以下 拦蓄能力一般在较大洪水后失去 1 9 7 0 年北方农业会议后 大规模农田基本建 设蓬勃发展 截至1 9 7 8 年底全流域共建坝库4 4 8 座 总库容达2 5 4 8 万立方m 在全流域范围内 骨干坝与一般坝结合 大坝和小坝结合 基本是小沟有小坝 大沟有