平原河网区分布式水文建模与水文模拟研究

发布时间：2020-09-22 19:27

　　平原河网区是我国长江中下游和珠江三角洲等地区普遍存在的一种具有独特水文与地貌特征的区域。工农业的高度开发、人地关系的高度紧张以及水文特征的特殊性使得这些地区深受水环境问题困扰。分布式流域水文模型是对区域水资源管理与水污染控制进行定量评价的有效工具,但平原河网区具备的大面积平坦地形、密集交织的河网、大量的湖泊与水库和成片的圩区等特点使得传统的分布式流域水文模型与建模方法在平原河网区的应用受到很大限制。建立适用于平原河网区的分布式流域水文模型,提出适用于平原河网区的分布式流域水文建模方法,对平原河网区水资源评价与水环境问题的应对具有重要意义。本文选择太湖流域湖西区为研究区,以平原河网区水文与地貌特征的GIS分析与表达、分布式流域水文模拟开展等视角,对平原河网区分布式流域水文建模过程中存在的流域集水单元划分、圩区水文过程计算、交叉/环状河道演算三个瓶颈问题进行了研究,结果与结论如下:(1)提出了一种基于数字河湖网络的平原河网区流域结构划分的新方法。该方法通过构建平原河网区水文空间要素数据模型和数据结构,搭建起包含平原河网区真实河网、湖泊、水库和圩区等要素及它们之间水文拓扑关系的数字河湖网络框架,通过矢量河网流向定义、多流向栅格编码、坡面栅格流向修正等一系列算法,结合DEM实现平原河网区的集水单元划分。该方法实现了对平原河网区交叉/环状河网结构、多出入口湖泊与水库、多排灌站圩区的完整表达,可划分出湖泊、水库、圩区和坡面四种集水单元类型,并建立河段、河流节点、集水单元之间的上下游拓扑关系。在湖西区的应用表明,该方法由于不需再从DEM中提取河网,而是直接采用真实的河湖网络进行流域集水单元的划分,其结果能完整保留平原河网区复杂的水网结构与流向拓扑,并能合理勾画出流域内的湖泊、水库、圩区和坡面集水单元。相对于传统D8法和“StreamBurning”法具有很大优势,解决了 D8法内在局限性导致的生成伪河网和集水单元划分不合理的问题,避免了设定汇流累积阈值不确定性导致河流源头不准确的问题。(2)针对平原河网区的圩区水文过程构建了圩区排涝与灌溉模型,并将其集成在被广泛应用的分布式流域水文模型(SWAT模型)中,对SWAT模型进行了改进和完善(SWATpld模型)。SWATpld模型通过计算圩区内河过量的积水来模拟圩区的排涝过程,通过结合圩区稻田各阶段的需水量与灌溉措施来模拟圩区的引水灌溉过程。SWATpld模型在溧阳流域的应用结果表明:1)能够模拟出圩堤对自然出流的隔离效应,阻止了圩内外自然的水量交换;2)提供了一种方法能够对牙区人为的排涝措施进行模拟,自动估算圩区的排涝量;3)考虑了稻田灌溉措施中水层深度的建立,结合稻田需水量的计算,模拟从圩区外河引水至圩内灌溉的过程。圩区排涝与灌溉模型的构建及其与分布式流域水文模型的集成提高了现有分布式流域水文模型在平原河网区的适用性,解决了现有模型无法考虑圩区水文过程的问题。(3)基于平原河网区的集水单元划分和圩区排涝与灌溉过程模拟,耦合了本研究开发的SWATpld模型和河道水动力HEC-RAS模型,进行了平原河网区坡面/圩区水文过程与交叉/环状河网水动力过程的联合模拟实验。SWATpld和HEC-RAS耦合模型通过将流域平坦区具有完整拓扑结构的干流河网单独提取进行河网水动力建模,将SWATpld模型模拟的坡面子流域产流量、圩区排涝与灌溉水量和较小的支流河道汇流量作为HEC-RAS干流河网水动力计算的边界条件输入,模拟得到整个流域枝状与交叉/环状结构完整河网的水文过程。耦合模型在溧阳流域的应用结果表明,其对于被概化打断河段直接影响的下游径流过程的模拟精度相对原SWAT模型和SWATpld模型都有很大的提高,能够十分准确地模拟出河道的径流峰值,对于流域其它河道径流的时间变化趋势也有明显的改善,使流域河网中的水量分配更为合理。SWATpld模型和HEC-RAS模型的水文—水动力耦合,应用了本研究提出的平原河网区流域集水单元划分方法和圩区排涝与灌溉模型,既解决了平原河网区分布式水文建模过程被迫打断交叉/环状河段、破坏河网拓扑结构、导致部分河段流量模拟出现严重偏差的问题,也解决了河网水动力模型的外部与内部边界条件定义的问题。
【学位单位】：南京师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P333
【部分图文】：

湖西,流域,太湖流域,子流域

逦１２０邋４５＂＾逡逑图２．１太湖流域湖西区概况图逡逑溧阳流域属于湖西区的西南部分的一个子流域（图２．２）。地处江苏省南缘、逡逑江浙结合部天目山余脉的北麓，坐标范围为：３Ｐ８Ｗ？３１°４０”，１１９°８汜？１１９°３５＇Ｅ，逡逑包括溧阳市大部分地区，江苏省宜兴市、安徽省郎溪县和广德县部分地区，流域逡逑面积约为１４４５ｋｍ２。逡逑溧阳流域是一个非闭合的流域，除南边的宜溧山地和西边的茅山山地外，其逡逑余两侧均为开阔的平原区。流域北侧以丹金溧漕河别桥水文站为界，西南角以胥逡逑河落蓬湾桥水文站和梅渚河姚巷桥水文站为界，东侧以中河山前桥水文站和宜溧逡逑１３逡逑

圩区,西川,流域概况,南京师范大学

逦１１９邋４０＇Ｅ逡逑图２．２溧阳流域概况图逡逑上下西川圩位于溧阳流域北部的平坦区（图２．２），是南京师范大学太湖流域逡逑（溧阳）水环境实验站的圩区实验区，也是本研宄选择的实验观测圩，其基本属逡逑性与排灌记录数据用于本文第４章圩区排涝与灌溉模型的建模与验证。逡逑上下西川圩地处江苏省溧阳市别桥镇和竹箦镇交界处，坐标为：３１邋°３ｌｆ２５＂Ｎ，逡逑１１９°２４＇３２〃Ｅ，包括杨家湾村、牌楼村、西潘村和清水塘村４个自然村，面积约逡逑４．７ｋｍ２。圩内水田面积占６８％，水面面积占１１％，其余２１％为旱地、居民地、道逡逑路等。圩内地势平坦，地面高程在３．９￣４．２ｍ之间。逡逑上下西川圩是一个四周筑堤的封闭圩区，圩堤北侧邻接北河，西侧邻接竹箦逡逑河，东侧邻接扁担河，南侧邻接牌楼河，堤防周长９９２３ｍ，堤顶高程６．８－７．５ｍ，逡逑堤顶宽为２．５－５ｍ。圩堤上修筑的排灌站有４座（图２．３）

西川,排灌站,圩堤,分布图

逦１１９邋？０＇Ｆ逦１１９邋４０＇Ｅ逡逑图２．２溧阳流域概况图逡逑上下西川圩位于溧阳流域北部的平坦区（图２．２），是南京师范大学太湖流域逡逑（溧阳）水环境实验站的圩区实验区，也是本研宄选择的实验观测圩，其基本属逡逑性与排灌记录数据用于本文第４章圩区排涝与灌溉模型的建模与验证。逡逑上下西川圩地处江苏省溧阳市别桥镇和竹箦镇交界处，坐标为：３１邋°３ｌｆ２５＂Ｎ，逡逑１１９°２４＇３２〃Ｅ，包括杨家湾村、牌楼村、西潘村和清水塘村４个自然村，面积约逡逑４．７ｋｍ２。圩内水田面积占６８％，水面面积占１１％，其余２１％为旱地、居民地、道逡逑路等。圩内地势平坦，地面高程在３．９￣４．２ｍ之间。逡逑上下西川圩是一个四周筑堤的封闭圩区，圩堤北侧邻接北河，西侧邻接竹箦逡逑河

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