洞庭平原流域水文模型与地下水数值模型耦合模拟研究

发布时间：2016-10-27 11:36

  本文关键词：江汉—洞庭平原流域水文模型与地下水数值模型耦合模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

《中国地质大学》 2015年

江汉—洞庭平原流域水文模型与地下水数值模型耦合模拟研究

王军霞  

【摘要】：江汉-洞庭平原地表水分布广泛,地下水埋深浅,地表水-地下水之间水力联系密切。区内有长江、汉江、湘资沅澧等纵横交错的河流水系,有洞庭湖、洪湖等330个左右大小不等的湖泊,有包括三峡大坝、南水北调中线工程和引江济汉等大型水利工程,加上工农业生产和人民生活用水,使得该地区地表水与地下水的交换频繁、地表水污染和地下水污染严重并相互影响、湖泊生态环境受到破坏等一系列环境问题。因此,正确构建区域地表水-地下水耦合数值模型,定量评价地表水-地下水之间的相互转换,为水资源的合理利用和生态环境保护提供技术支持。本文首先针对分布式流域水文模型和地下水数值模型的一般规律,结合江汉-洞庭平原区域特点,分析了分布式流域水文模型和地下水数值模型在江汉-洞庭平原地表水-地下水循环及资源评价中的局限性。在此基础上,研究了分布式流域水文模型与地下水数值模型的耦合方法,将研究区气象、基础地质、水文地质等基础资料和监测数据输入所建模型,通过地表实测径流量和长观孔地下水位对模型进行识别验证。最后对研究区水资源进行评价,通过设置不同气候和不同土地利用情景,对江汉-洞庭平原地表径流和地下水资源变化进行了预测。主要取得以下成果认识：(1)基于SWAT模型和地下水数值模型构建了分布式流域水文模型与地下水数值模型的耦合模型。将地表水模型的水文响应单元和地下水模型的网格单元进行对应,通过这个对应关系可以将地表水模拟计算的地下水入渗补给量、蒸发量、河流和地下水的交换量等水文要素对应传递给地下水相应的计算单元。鉴于水文响应单元的划分原则,对于同一个水文响应单元可能对应不同的水文地质参数分区,本文提出采用水文地质参数加权平均方法把水文响应单元上的降雨入渗、蒸发排泄等物理量对应到地下水数值模型网格上,从而改变过去平均分配处理方法的不足。以SWAT模型和MODFLOW模型的源代码为基础,用FORTRAN90语言编写了耦合模型的程序,实现了地表水模型与地下水数值模型计算过程的完全耦合,从而克服了过去利用GIS对中间结果进行转换的麻烦。(2)采用耦合数值模型及软件,构建了江汉-洞庭平原分布式流域水文模型与地下水数值模型的耦合模型。利用GIS、RS技术提取流域内水文气象、地形、土壤、土地利用等模型所需的参数,采用50km2作为子流域面积阈值,将流域分为105个子流域,676个水文响应单元。以流域内多个站点的降雨、气温日监测数据作为输入,对流域2010.1.1-2013.12.31的日径流量进行模拟,并对参数进行敏感性分析,确定需要率定的参数。以202号子流域所在主河道的水文站2011.7-2013.8年出口流量实测数据作为参考对模型进行识别和验证,结果表明,各个站点验证期的模拟值与实测值的相关系数均大于0.65,模型确定性(纳什)系数均大于0.5,模拟效果比较理想。(3)利用所建耦合数值模型,对江汉-洞庭平原水资源进行了评价。运用识别和验证后的模型模拟研究流域2010-2013年的水文过程,输出月平均径流成分,并分析了江汉-洞庭平原的各径流成分比重。结果表明,地表径流与基流所占比例相当,侧向流量(壤中流)所占比重十分微小。从年径流成分来说,基流成分比较稳定,全年波动不大,只在丰水期有缓和的起伏,在枯水期基流占总径流的绝大部分。利用耦合模型模拟了研究区2010-2013年水文过程,得到这4年的月平均水量平衡分析结果：月平均降雨量为99.32 mm；地表径流量为26.88 mm,占降雨量的27.06%；土壤对地下水补给量为14.91 mm,占降雨量的15.01%；侧向流量为0.20 mm,占降雨量的0.21%；实际蒸散发量为55.53 mm,占降雨量的55.91%；土壤水存储量变化量为1.79 mm,占降雨量的1.81%。蒸散发是研究区水量的主要输出项,其次为地表径流。对地下水系统而言,从长观孔水位过程拟合来看,大多数观测井的水位计算值和实测值拟合较好,模拟结果不理想的少数观测孔,主要因为这些观测孔本身就是开采井或靠近开采井造成的。从水均衡表中可以看出,模型识别与验证阶段各时期的总流入量和流出量基本相等,符合水均衡要求,各均衡项模拟值与计算值相对误差不超过6%,说明所建模型比较合理。进一步分析2013年的水均衡得知,研究区模拟期内的地下水系统补给量中,降雨入渗量最大,占到总补给量的85.67%,其次是地表水体的渗漏补给,所占比例为13.9%,有少量的侧向补给。而地下水的排泄主要是蒸发排泄和河湖排泄,二者所占比例分别为44.98%和38.69%,人工开采占14.59%。这进一步说明研究区河流、湖泊等地表水体和地下水联系密切、交换频繁。所建模型也基本反映了研究区内地表水和地下水的联系、地下水的运动特点及动态变化趋势,能够反应研究区实际地表水-地下水系统的结构与功能特征。(4)利用建立的耦合数值模型,对不同气候和不同土地利用条件下江汉-洞庭平原河道径流量的变化规律进行了模拟预测,得到了不同降雨保障率下的地下水均衡结果。根据近30年的降雨数据,取发生频率为90%、70%和50%三个情形的降雨值,保持其它参数不变,对江汉-洞庭平原区域水文过程进行了模拟,得到月平均水量平衡分析结果及月平均河道总径流量平衡结果。利用ENVI软件处理2013年解译得到的土地利用数据,通过更改部分区域的分类结果设置了两种土地利用模拟情景。以2010-2013年的气温和降水为基础,对9种不同的气温和降水组合进行径流量的模拟,得出各年平均河道总径流量、平均河道总径流变化量及变化率。从模拟结果可以看出研究区的径流量与气温、降水的关系十分密切。降水量对流域径流量的影响比气温的影响大。具体来讲,降水量与径流量呈正相关关系,而气温与径流量呈负相关关系。究其原因应该是降水量的增加相对增加了地表产流量,从而使径流量增加；气温的增加使流域内蒸发量增加,从而相对减少了径流量。论文主要创新点是：(1)结合江汉-洞庭平原地表水-地下水循环特征,指出了SWAT模型和地下水数值模型在该地区应用的局限性。进一步提出了将地表水文响应单元的降雨入渗、蒸发排泄等信息加权平均到地下水数值模型网格中的方法。建立了基于SWAT模型和地下水数值模型的耦合数学模型,并基于SWAT模型源代码和数值模型源代码,采用FORTRAN90编写了相应的程序。(2)构建了江汉-洞庭平原分布式流域水文模型与地下水数值模型的耦合模型,为该地区地表水-地下水联合调配和生态环境保护提供技术支持。

【关键词】：
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P641;P333
【目录】：

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  本文关键词：江汉—洞庭平原流域水文模型与地下水数值模型耦合模拟研究，，由笔耕文化传播整理发布。

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