东南沿海晋江西溪流域洪水径流演变与模拟分析

发布时间：2017-10-08 05:23

  本文关键词：东南沿海晋江西溪流域洪水径流演变与模拟分析

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【摘要】：变化环境下的水循环演变规律研究是目前水文水资源学的研究热点和难点。变化环境主要是指气候变化和人类活动引起的下垫面变化。一方面,人类活动导致土地利用／覆被变化(Land Use and Land Cover Change, LUCC)剧烈,研究LUCC对洪峰流量和洪水频率的影响,对流域土地利用管理和生态环境建设具有重要价值。另一方面,气候变化导致暴雨时空分布更加不均匀,揭示暴雨时空特征对洪峰流量和洪水频率的影响,不仅可以加深对水循环机理的认识,同时对流域洪水预警预报、水利工程建设都具有重要意义。本研究以晋江西溪流域为研究区,开展了5个方面的研究。分析了研究区1985-2010年土地利用／覆被变化情况；基于1955-2011年历年最大一场暴雨洪水实测数据,采用累积距平、Mann-Kendall突变检验等时间序列分析方法揭示了研究区洪水径流演变趋势；通过对HEC-HMS模型参数初损率定方法的改进,以及基于植被指数NDVI计算CN (Curve Number)方法的探讨,建立了流域高精度分布式洪水模型；通过土地利用情景和暴雨空间变化情景的建立,分别定量模拟分析了LUCC和暴雨空间变化对洪水过程和洪水频率的影响。研究结果表明：1)1985-2010年,土地利用/覆被变化特征主要表现为园地和建设用地面积的显著增加,以及林地、耕地面积的显著减少。2)1955-2011年研究区历年最大洪峰流量和洪量均呈现减小的趋势,但下降趋势不显著。3)可以用实测可得的起涨流量反映初损率或初损的变化,初损率或初损与起涨流量之间的关系可以用幂函数来拟合。起涨流量越小,表明流域土壤含水量越小,初损或初损率就越大,且随着起涨流量增加,初损或初损率快速减小,逐渐趋于不变。两种初损率定方法均可以得到较高的模拟精度,但通过率定初损率推求初损的方法,部分考虑了下垫面特征要素,使得初损的空间差异得到体现,更符合理论实际。4)NDVI年内变化呈分段变化,6-10月NDVI基本不变为高值区。基于TIMESAT3种重建算法,对晋江西溪流域2002-2010年全流域NDVI平均值进行重建,结果表明SG算法的保真性最好,AG算法和DL算法保真性相当；NDVI年内变化呈分段变化,1-3月NDVI基本不变为低值区,6-10月基本不变为高值区。5)基于植被指数NDVI估算HEC-HMS模型参数CN的方法是可行的。总体上看,基于NDVI计算的CN值与遥感解译土地利用计算的CN值在空间上差异不大。HEC-HMS模型的模拟结果也表明,基于NDVI_CN和解译CN的模拟结果基本一致。初步表明基于植被指数NDVI估算HEC-HMS模型参数CN的方法是可行的,而NDVI的提取较为简便,运用该方法计算CN,可大大提高构建HEC-HMS模型的效率与降低成本。6)1985-2010年的LUCC导致洪峰流量和洪量显著增加,多年平均洪峰流量相应增大,且洪水量级越大,LUCC对洪峰流量的影响也越大；各子流域洪水响应程度存在明显差异。7)若不考虑业已发生的土地利用/覆被变化,而以实际发生洪水进行频率计算,所得结果偏小,不利于工程安全。将1955-2011年洪水频率计算结果,与其他条件不变、只变化土地利用/覆被为2010年情景来模拟洪水响应,进而进行频率分析的结果相比较,得到实际发生的百年一遇洪水,只相当于2010年土地利用条件下的73年一遇。表明若不考虑业已发生的土地利用／覆被变化,而以实际洪水进行频率计算,所得结果已有一定程度偏小,将不利于工程安全。8)暴雨空间变差系数Cv和暴雨中心变化对洪峰流量、洪量和峰现时间都具有显著影响。暴雨空间变差系数Cv越大,洪峰流量与洪量就越大。在相同的Cv下,对于研究区晋江西溪流域而言,暴雨中心位于流域中游时,洪峰流量与洪量最大；暴雨越不均匀,暴雨中心变化对洪峰流量和洪量的影响越显著。相同的DSV等级下,不同暴雨中心位置,晋江西溪流域峰现时差为1小时左右；相同的暴雨中心位置下,暴雨空间分布越不均匀,峰现时间越靠前。9)洪水的计算与预警预报工作有必要考虑暴雨中心变化的影响。其他条件不变,只变化暴雨中心于不利暴雨中心情景(流域中游)时,可使实际发生的百年一遇洪水,只相当于65年一遇,相差较大。因此,从更准确的反映洪水规律出发,洪水的计算与预警预报工作有必要考虑暴雨中心变化的影响。
【关键词】：洪水 暴雨空间变化 土地利用/覆被变化 HEC-HMS模型 晋江西溪流域
【学位授予单位】：福建师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P333.2
【目录】：

• 中文摘要2-4
• Abstract4-7
• 中文文摘7-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 问题的提出14-16
• 1.1.1 研究背景14-15
• 1.1.2 研究意义15-16
• 1.2 国内外相关研究进展16-25
• 1.2.1 土地利用/覆被变化的洪水响应16-17
• 1.2.2 降雨空间变化的洪水响应17-20
• 1.2.3 流域洪水模型20-25
• 1.3 研究内容与技术路线25-28
• 1.3.1 研究内容25-27
• 1.3.2 技术路线27-28
• 第二章 研究区概况与基础数据库28-44
• 2.1 研究区概况28-33
• 2.1.1 地质地貌29
• 2.1.2 植被与土壤29-30
• 2.1.3 气候30
• 2.1.4 河道水系30-32
• 2.1.5 暴雨洪水32-33
• 2.2 流域基础数据库33-44
• 2.2.1 地图投影33-34
• 2.2.2 数字高程模型(DEM)34-35
• 2.2.3 土地利用数据35
• 2.2.4 土壤数据35-38
• 2.2.5 MODIS_NDVI数据38-39
• 2.2.6 水文气象数据39-42
• 2.2.7 数字流域提取42-44
• 第三章 土地利用/覆被变化与暴雨洪水特征分析44-60
• 3.1 土地利用/覆被变化44-48
• 3.1.1 全流域土地利用/覆被变化特征44-47
• 3.1.2 子流域土地利用/覆被变化特征47-48
• 3.2 暴雨时空变化48-54
• 3.2.1 时间序列分析方法48-49
• 3.2.2 暴雨时空特征指标49-50
• 3.2.3 结果与分析50-54
• 3.3 洪水年际变化54-58
• 3.3.1 时序变化54-56
• 3.3.2 频率分析56-58
• 3.4 小结58-60
• 第四章 初损、CN等参数的确定与HEC-HMS模型的建立60-88
• 4.1 HEC-HMS模型的结构与原理60-65
• 4.1.1 降雨数据的空间插值61-62
• 4.1.2 产流模型62-63
• 4.1.3 坡面汇流模型63-64
• 4.1.4 地下径流模型64
• 4.1.5 河道汇流演算模型64-65
• 4.2 基于遥感解译土地利用数据的HEC-HMS模型65-70
• 4.2.1 主要参数65-66
• 4.2.2 初损与起涨流量关系66-67
• 4.2.3 率定与验证结果67-70
• 4.3 初损率定的两种方法比较70-75
• 4.3.1 初损与初损率70
• 4.3.2 初损率定方法70-71
• 4.3.3 结果与讨论71-75
• 4.4 基于植被指数NDVI估算CN的HEC-HMS模型75-87
• 4.4.1 基于TIMESAT 3种时间序列NDVI数据重建方法结果的比较76-80
• 4.4.2 晋江西溪流域NDVI年内变化规律80
• 4.4.3 基于植被指数NDVI估算CN方法80-87
• 4.5 小结87-88
• 第五章 土地利用/覆被变化对洪水过程和洪水频率影响的模拟分析88-100
• 5.1 土地利用/覆被变化的洪水响应88-93
• 5.1.1 全流域土地利用/覆被变化的洪水响应88-91
• 5.1.2 子流域土地利用/覆被变化的洪水响应91-93
• 5.2 土地利用/覆被变化对洪水频率影响的模拟分析93-98
• 5.2.1 不同土地利用情景下模拟洪水的频率特征93-96
• 5.2.2 不同洪水量级的LUCC响应特征96-98
• 5.3 小结98-100
• 第六章 暴雨空间变化对洪水过程和洪水频率影响的模拟分析100-117
• 6.1 研究方法100-104
• 6.1.1 典型暴雨洪水事件101
• 6.1.2 DSV等级法101-103
• 6.1.3 暴雨中心位置情景设置103-104
• 6.2 暴雨空间变化对洪水过程影响的模拟分析104-112
• 6.2.1 暴雨空间变化对洪峰流量的影响104-110
• 6.2.2 暴雨空间变化对洪量的影响110-111
• 6.2.3 暴雨空间变化对峰现时间的影响111-112
• 6.3 暴雨中心变化对洪水频率影响的模拟分析112-116
• 6.4 小结116-117
• 第七章 结论与展望117-121
• 7.1 主要结论117-119
• 7.2 主要创新点与特色119
• 7.3 不足之处与展望119-121
• 参考文献121-137
• 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果137-138
• 致谢138-140
• 个人简历140-144

【参考文献】

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本文编号：992231