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内陆河流域水文过程模拟

文献类型:学位论文

作者陈仁升
学位类别博士
答辩日期2002
授予单位中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
授予地点中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
导师康尔泗
关键词内陆河流域 水文过港 全球变化 生态环境 系统理论模型 概念性水文模型 分布式水文模型 非线性理论 38系统 时空尺度 下垫面 水量平衡
中文摘要水文过程研究一直是国际地球科学领域研究的热点和前沿。目前世界各国在众多国际研究计划和全球气候变化的背景下,各刨良据自己的实际情况展开不同空间尺度和时间尺度的水文过程研究,为维护。改善和恢复人类赖以生存的生态环境服务。中国西北干旱区内陆河流域具有不同于外流河流域的独特的水文循环特征,因而具有不同时空尺度的独特的能水平衡和水量转化特征。内陆河流域水文过程的研究,从微观尺度上主要进行不同下垫面的SVAT和SPAC系统的研究,而在宏观尺度上则主要以流域为研究对象,以子流域。网格为研究单元,分析流域水文、气象因子的变化规律,研究不同生物群落和人类活动对流域生态系统和生态环境的影响,进而结合微观尺度的土壤一植被一气候相工作用研究成果;集成流域的各类水文模型,再与全球大气环流模式相嵌套,从全球变化的角度,定量分析流域各项因子的可能变化,为流域综合管理提供可靠的技术资料。干旱内陆河流域的水资源危机极为突出,生态环境尤其脆弱,生态系统极不稳定,沙漠化面积不断扩大,沙尘暴频频发生且频率加快。因而内陆河流域水文过程的研究更显得有意义。内陆河水文过程的研究,在不同的层面和尺度上贯穿于许多研究领域,如恢复生态学。景观生态学。生态经济学。寒区水文学、干早区水文学、气象气候学、土壤学。农学。非线性动力学等。不同尺度的水文过程研究的观测实验,可以为其它学科的研究服务并可与其它领域的研究相结合,其数值模拟方法和模拟结果也可以应用于其它研究领域。基于对内陆河流域水文过程的认识和现有的观测试验资料,本论文在流域的尺度上,应用和建立了多个水文模型;分属于传统的系统理论模型、概念性集总模型和新近发展起来的分布式水文模型三大类,研究和探讨了各类水文模型在内陆河流域水文过程模拟中的应用,讨论了内陆河流域的若干水文问题,得出了以下结论:1。分析了甘肃河西地区近50。来年、季、月水文、气象因子的变化趋势,得到了河西地区不同时间尺度的水文气象序列变化趋势与地理位置和海拔高程的统计关系。2。利用小波和功率港方法分析了河西地区近50a来水文。气象因子的波动周期,并对比了这两种方法在理论和应用方面的差异。结果表明,小波变换方法更适合于分析水文气象序列的周期分析。河西地区水文、气象序列的周期存在一定的一致性和差异性。河西地区水文气象序列周期主要受海一气相互作用和太阳黑子活动的影响。水文过程周期的产生主要基于气象序列的周期变化。3、利用非线性动力学的若干理论如混5屯、分形等,探讨了黑河干流出山径流的非线性特征。黑河出山径流过程线复合单重或多重威布尔分布,年出山径流过程具有明显的混饨特征。灰色系统模型可以用于分析较长序列的趋势变化,其结果与最小二乘法结果基本一致。4、建立了黑河干流月出山径流的GKNN神经网络模型,并将其置于全球变化的背景下,探讨了未来黑河干流出山径流的可能变化。GRNN神经网络模型是数十种神经网络模型中最适合于西北内陆河流域出山径流模拟的。模型设计的几种输入方法和几个模拟步骤结果均很好。模拟结果表明,黑河未来出山径流会有一定程度的增加。该模型同分布式模型和概念性模型相比,其部分预测结果有一点异常。5、依据灰色系统、小波变换和自回归理论,建立了黑河干流出山径流的时间序列分解模型。这种模型原理为传统的线性时间序列分解模型,模拟和验证误差均在20%以内,但其预测功能受该种模型基本理论的限制,预测结果可信度较低。6、依据非线性数值方法、神经网络等理论,建立了河西走廊和黑河山区月蒸发力的数十个计算模型;并得到这两个地区的修正高桥公式。7、将国际上著名的Topmodel模型DEM分辨率拓宽到1500m*1500m,在国内首次应用到面积达10000km2的西北干旱区内陆河流域上,时间步长也拓宽到日和月,模拟效果较好。8、建立了一个基于常规气象。水文数据和3S成果的以月为步长的分布参数出山径流模型。模型在黑河干流山区流域应用成功。模拟结果表明,植被覆盖可以减少山区流域的实际蒸散发,调节径流产生过程,降低洪峰,增加流域土壤储水量,尤其是森林覆盖,即植被具有水源涵养功能。这为研究西北干旱区的水文一生态一气候相互作用过程提供了一种方法。全球变化情景下的预测结果表明;未来黑河干流山区产流量会增加,冰雪融水和蒸散发也会增加。随着气温的继续升高,山区永久冰雪面积会减少,雪线也会上升。9、建立了一个以日为步长的内陆河山区流域分布式水文模型。该模型在黑河山区流域应用结果表明。短时间尺度的分布式模型对面降水量的计算精度要求很高。在降水观测站点稀少的情况下,目前还需研究短时间尺度的面降水量计算方法。10、对森林生态水文效应进行了定性的探讨。指出应该综合看待森林的生态水文效应;提出了森林生态水文效应的容量问题和平衡转换问题。要研究清楚一个地区的森林生态水文效应;必须从微观机理上进行,进而集成高分辨率的分布式水文模型,从而在区域和更大的尺度上进行综合分析。11、对黑河流域边界进行了界定,重新计算了黑河上游、中游和下游的面积。12、根据水量平衡原理,依据黑河干流中游地区高精度的3S成果、地下水观测资料。水文地质资料及众多的水文、气象站点资料,设计了一个基于GIS网格的黑河干流中游地区分布式水量平衡模型,目的是探讨不同下垫面类型下的水量平衡特征。模型以正义峡水文站实测资料作为控制标准。计算结果表明:1)研究区地下水储量在1990年到1992年总体是增加的,其中1990和1991年地下水储量增加,而1992年则明显减少;2)地下水在洪水季节和冬季可以得到大量补充,而在其它季节则大量消耗;3)蒸散发量以山前森林为最多,草本植被区蒸散发量与其覆盖度成正比;4)研究区降水几乎全部消耗于蒸散发,大约80%的山区地表径流也消耗于蒸散发。5)高植被覆盖区地下水储量呈现增加趋势,而戈壁、沙地等无植被或少植被区以及城镇,地下水储量明显减少;6)在当地气候条件下,天然荒漠植被的生长在很大程度上依赖于降水,降水是天然植被存在类型和分布范围的控制因子。应用上述三大类水文模型对上述水文过程的研究表明,系统理论模型结构简单,能够解决较复杂的非线性系统问题,但该类模型无法探讨系统内部的规律。概念性集总模型具有一定的物理意义,结构清楚。简单,能够很好的模拟一定的水文过程。但是。该类模型参数不能用最优化程序获得,参数调试较费时间。同样该类模型也不能分析水文过程的空间变化。半分布式模型如ToPmodel能够考虑部分水文过程的空间变化,但无法很好的利用到大型和下垫面很复杂的流域,尤其是该模型没有考虑不同的植被覆盖。土地利用和人类活动的影响。分布式水文模型基于严格的物理基础,考虑了不同下垫面的时空变化,能够模拟不同水文过程的变化。但该类模型需要大量的观测数据,因而很难应用到大中型流域。为将其应用到大型流域或地区,可根据工作的需要,设定一定的概念性可调参数,对部分过程进行合理概化,从而达到研究目标的要求。
语种中文
公开日期2013-08-22
页码207
源URL[http://ir.casnw.net/handle/362004/21951]  
专题寒区旱区环境与工程研究所_研究生学位论文_学位论文
推荐引用方式
GB/T 7714
陈仁升. 内陆河流域水文过程模拟[D]. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 2002.

入库方式: OAI收割

来源:寒区旱区环境与工程研究所

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