基于水文地貌的暴雨洪水响应关系机理与模拟研究——以青藏高原典型流域为例
文献类型：学位论文
| 作者 | 郭禹含 |
| 答辩日期 | 2022-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 王中根 ; 张永强 |
| 关键词 | 汇流非线性 宽度函数单位线 洪水模拟 青藏高原 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 青藏高原是亚洲的“水塔”，是我国乃至亚洲重要的生态安全屏障。由于地形地貌复杂，降水时空分布不均，极易因强降雨天气而引发洪涝灾害。在全球气候变暖的背景下，青藏高原极端降水事件发生频率增加，洪涝灾害的风险也日益增大。然而，由于地理条件的限制以及地面水文气象观测的稀缺，青藏高原流域暴雨-洪水响应关系及其时空分异的机制尚不明确，突发性洪水的模拟预测还存在着诸多的难题和挑战。 本研究针对青藏高原复杂的水文、气象和地貌条件，从水文地貌的角度系统探索了流域宽度函数的形式及空间分异特征。在此基础上，考虑流域内水流速度及汇流时间的空间变化，进一步剖析了不同降水与不同下垫面条件下的宽度函数单位线（WFIUH）的变化特征，据此评估了流域暴雨-洪水响应关系影响因素及其非线性特征，进而构建了半分布式的流域雨洪过程模型（WFRRM），并在青藏高原典型流域的洪水模拟中进行了结果对比验证与应用，为变化环境下青藏高原洪水过程模拟预测以及洪水淹没区分析提供了新的方法和技术手段。主要结论如下： （1）从水文地貌的角度，提出了基于宽度函数以综合表征流域暴雨-洪水响应关系的地貌制约机制的研究思路，完善了基于DEM的水文分析及宽度函数提取的技术框架，提高了流域地形地貌特征提取的成功率，并进而确定了青藏高原143个流域的宽度函数及其基本函数形式。聚类分析发现，青藏高原流域宽度函数可分为4大类型，且以“峰值居中型”为主。研究还发现，区域内流域宽度函数的累积分布函数可近似为Beta分布，其密度分布函数则可用单一的（单峰型）或混合的（多峰型）Beta概率密度函数加以表达。本研究给出的宽度函数空间分布规律以及宽度函数的概率分布特征，可为水文观测资料稀缺的青藏高原地区水文模拟的参数化提供参考与支持。 （2）完善了基于宽度函数单位线（WFIUH）刻画水文资料稀缺地区暴雨-洪水响应关系的方法和技术框架。基于流体力学基本原理，探讨了流速空间分异性下WFIUH的不同推导方法，给出了适合青藏高原坡面汇流流速计算的适用性公式，揭示了不同下垫面条件（坡度和土地覆被）对流域暴雨-洪水响应函数的影响。研究表明，Darcy-Weisbach及Manning流速公式对于刻画青藏高原流域的暴雨-洪水响应关系有较好的适用性。坡度在流域空间上的分布以及土地覆被的空间结构对洪水峰现时间、洪峰流量以及汇流历时都存在影响，且前者影响更为显著。本研究构建的变动宽度函数单位线技术框架体系，有助于定量分析流域下垫面变化（如坡改梯、土地覆被和土地利用变化等）对流域雨洪的影响。 （3）根据流域汇流非线性理论，深入分析了不同降水条件（如降水强度、降水空间分布等）对流域暴雨-洪水响应关系的影响。提出了变动WFIUH的概念，改进了传统单位线理论在水文模拟中线性与时空不变假设的局限。另外，本研究从水文地貌角度验证了暴雨-洪水响应函数的峰值与降雨强度的幂函数关系（确定性系数0.98），峰现时间与降雨强度的负指数幂函数关系（确定性系数0.8）。并且，进一步发现流域面积与WFIUH峰值和降雨强度非线性关系系数a的有很好的负指数幂关系（确定性系数0.89）。除此之外，经测试发现空间降水产品过度均化导致的降水强度偏差会使WFIUH相比于根据降雨径流实测资料获得的单位线存在较大偏差。 （4）以变动WFIUH为核心，构建了流域暴雨-洪水半分布式模型（WFRRM），并在多个流域上验证了模型的适用性，并发展了基于半分布式水文模拟的洪水淹没范围动态模拟预测方法。研究结果表明，WFRRM模型可较好地模拟研究区的暴雨-洪水过程。特别地，由于模型引入了WFIUH，一方面减少了模型汇流参数，使流域实际汇流过程更接近真实地形，另一方面模型可以更准确地反映不同降水和下垫面条件下的暴雨-洪水过程，对于分析预测未来不同气候和土地利用情景下洪水灾害的可能变化提供了新的途径。此外，WFRRM的洪水过程模拟与空间水文分析的动态结合，在数据要求较少的情况下，可快速地模拟预测洪水的淹没范围的动态变化，在洪水灾害的预警和防控中有较为重要的应用价值。 总体来说，本研究针对青藏高原水文资料稀缺且暴雨-洪水响应关系复杂多变的特点，从水文地貌的角度，改进了传统单位线理论在水文模拟应用中线性假设的局限。发展了基于变动宽度函数单位线定量刻画青藏高原地区流域暴雨-洪水响应关系较为完整的方法和技术体系。构建了具有较强物理基础且能够反映流域暴雨洪水非线性响应特征的雨洪模型，并在青藏高原典型流域洪水过程以及洪水淹没范围模拟中进行了较为全面的验证。在现有研究基础上，未来的研究将在更广的范围内验证模型的适用性，以推动青藏高原暴雨-洪水模拟技术的发展和完善，为变化环境下区域洪水灾害的预警与防控提供坚实的理论、方法和技术支撑。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 166 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/186953]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 郭禹含. 基于水文地貌的暴雨洪水响应关系机理与模拟研究——以青藏高原典型流域为例[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。