山坡尺度降雨产流过程宏观本构关系研究

发布时间：2019-08-04 08:52

【摘要】：山坡是流域水文响应的基本单元，山坡降雨产流关系是流域降雨径流模拟的重要前提。基于山坡尺度构建宏观水文本构关系，以期构建尺度协调的流域水文模型，是解决当前物理性水文模型尺度不匹配这一瓶颈的重要思路。论文在系统总结山坡水文响应控制因素基础上，构建了二维山坡水动力学数值模型，基于数值模拟揭示了山坡降雨产流关系的一般特征及发生机理，建立了山坡产流的本构关系方程，提出了山坡向小流域的产流升尺度规律，为尺度协调的流域水文模型构建提供了重要基础。 通过耦合地表水流动的圣维南方程组和变饱和土壤水分运动的Richards方程，建立了适用于山坡水流模拟的二维水动力学数值模型THRM，模型中考虑基岩地形和基岩渗透性，改进了边界条件设置，采用有限差分法，引入了选择算法和并行计算方法，在实验山坡的验证表明模型可以很好地模拟实测壤中流过程。进一步，通过数值试验揭示了边界条件、网格大小、初始含水率等对山坡水动力学计算稳定性和精度的影响规律。 系统筛选出12个能基本完整体现对山坡水文过程影响的地形地貌特性、土壤特性、基岩特性、外界气象强迫特性和初始水分条件等因子及其取值范围，据此利用THRM模型开展大量数值试验，将土壤水分运动由微观网格升尺度到宏观山坡，探索山坡尺度降雨产流关系的宏观特征。结果显示，山坡尺度降雨产流关系普遍存在阈值-线性的两阶段规律，即降雨低于某阈值时不产流，大于该阈值后降雨量与产流量呈现线性关系。进一步，根据数值试验结果分析得到山坡降雨产流的本构关系，包括降雨阈值和山坡产流系数两个量化指标与山坡表征因子和降雨特性之间的统计关系，并揭示了山坡立面形状、基岩地形和土层厚度分布等地形地貌因子对本构关系的定性影响规律，结果得到了文献资料的验证。 在位于华北土石山区的怀柔琉璃河实验流域开展观测实验，系统分析小流域尺度径流成分和响应时间。结果显示，在源头区小流域，，山坡产流响应时间远大于相应河道汇流时间，利用山坡尺度本构关系分别计算小流域内的各个山坡后，通过直接加总即可实现其升尺度应用。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TV121.7

【参考文献】

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本文编号：2522822