山区小流域分布式三水源产汇流模型研究

发布时间：2020-11-06 16:54

　　 水文模型的构建和发展是水资源规划和洪水预报的重要课题之一。地理信息系统、遥感、数字高程模型等相关支撑技术的普及使得水文模型迅速发展起来,从集总式水文模型逐渐扩展到分布式水文模型。基于数字高程模型的分布式水文模型能够充分反映流域下垫面分布的空间异质性,因此,其流域水文模拟更接近于真实的物理过程。本文以山坡水文学理论的蓄满产流机制为出发点,展开了对山区流域降雨径流模拟的研究,以此建立分布式三水源产汇流模型。另外,在综合考虑水文气象观测资料易获取性以及流域下垫面水文要素空间异质性的基础上,采用美国古德温河实验性流域上游的子流域作为研究区域,进行模型架构准确性及可行性的验证。主要研究内容及成果如下:首先,针对研究流域进行数字地形分析,以数字高程数据为基础提取流域的地形数字特征,包括流向分析、河网水系的提取以及流域离散化。在流域离散化时采用自然子流域划分结合考虑代表性单元面积、集总模拟单元的方法以及细分阴、阳坡来满足模拟尺度的需要。研究流域的数字化使得离散化坡面单元的数据也同时完成自动匹配,这在很大程度上实现了参数的空间离散化,也为模型的应用提供所需的参数支撑。其次,流域降雨径流模型中的坡面产汇流模式根据连续方程和达西公式,对坡面流径流成分的产流量进行计算。引入圣维南方程组简化的运动波模式,推导出坡面流近似的偏微分方程。对每一单元坡面以不同的二次多项式表达并利用特征线法模拟坡面汇流的过程。从整体来看,每一离散单元坡面分别建立的坡面产汇流模型充分考虑了非饱和侧向壤中流对坡面流形成和发展的影响,对构建物理机制严谨的流域降雨径流模型具有重要意义。再次,河道汇流模式则根据水流特性采用改进后的马斯京根-康吉法进行河道演算,以协调各坡面离散单元水文子过程与主河道的汇合,由此构成完整的分布式三水源产汇流模型。最后为了验证模型适用性,选取研究流域典型的降雨过程进行次洪过程模拟,采用确定性系数、相关系数以及径流量、峰值、峰现时间三者的相对误差来评定模拟精度。本研究的特色之处在于所建模型不但适用于单一坡面的径流分析,且能够应用于一般流域以进行降雨径流过程的模拟;此外,通过公式的详细推导,阐明使用坡面二次多项表达式的限制。总体来说,分布式产汇流模型能够精确模拟流域内部各位置点的径流情形,因此能够为防洪设计提供参考依据。
【学位单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P334.92
【部分图文】：

演算时采用改进后的马斯京根－康吉法（Ｍｕｓｋｉｎｇｕｍ－Ｃｕｎｇｅ?ｍｅｔｈｏｄ），最后将研究流??域与所建分布式水文模型耦合进行模型适用性和可行性的验证。论文总体框架及??研究技术路线详见图１－１，具体分为六个部分，各章节内容如下：??第一章首先阐述选题背景，进而明确研究的方向，对山区流域产汇流机制展??开概述，最后确定论文的研究目标与研究内容。??第二章根据美国农业部国家泥沙实验室对研究区域美国密西西比河支流古??德温河流域的研究报告所提供的流域概况信息，研究分析古德温河流域下垫面条??件及降雨时空分布等情况。??第三章充分了解分布式水文模型的技术支持，包括ＧＩＳ提供空间数据信息分??析的技术，ＲＳ提供获取下垫面数据资料的技术以及ＤＥＭ数据规范化的表达，便??于结合ＧＩＳ技术进行空间数据的存储等方面尚技术手段。本章的研究以对ＤＥＭ资??料进行数字地形分析，提取古德温河流域的数字河网水系展开，并探讨流域离散??化的多种方法。??第四章针对山区小流域“蓄满产流”模式下的分布式三水源产汇流模型的建??模过程深入研究，对流域水文过程作一定的合理概化以及单元产流成分划分，并??利用连续方程和达西公式进行上层土壤未饱和与上层土壤饱和两种情况下的产??流量计算

?积河谷，经过约克纳河（ＹｏｃｏｎａＲｉｖｅｒ），形成了古德温河流域，其位置及其边界??如图２－１所示。??古德温河实验性流域最初在１９７７年建立，是为了用于进行河道侵蚀，泥沙??输运移与流域水文等方面的广泛研究。古德温河流域初步分为１４个嵌套的子流??域，在每个子流域的排水出口处均设置了流量测量水槽。这些测流点的排水范围??从１．６３至２１．３９ｋｍ２不等。图２－２显示了古德温流域河网水系的细致划分，图２－３??是其对应的数字高程图。同时，在流域内外均匀设置了?２９个标准雨量计。每个??测量部位的数据由使用仪器和微机ＶＨＦ无线电遥测系统组成的电子数据采集系??统负责收集，暂时储存，最后传送到国家沉降实验室的中央计算机中。??１３??

图２－２古德温河流域示意图??
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本文编号：2873404