考虑产流机制空间差异的全国尺度分布式水文模型构建及应用

论文摘要

随着高新技术的发展和变化环境下水安全保障战略需求的提升,分布式水文模型从传统流域尺度向国家或地区大尺度扩展越来越重要。通过开展大尺度分布式水文模拟以定量揭示大的空间范围内不同气候、地形、植被、包气带结构等影响下的水文响应和水资源效应,具有重要的理论价值和实践意义。然而,相较于中、小尺度流域,大尺度区域一般涉及多种气候水文分区和地质地貌单元,导致其产流机制表现出显著的空间差异性,这使得传统流域水文模型应用时受到明显制约。为此,本研究开展了3方面的工作:首先,充分利用现有观测系统和模拟技术,在揭示大尺度区域受不同气候、下垫面条件影响的产流机制空间差异性的基础上,从基本计算单元确定、模型输入、空间参数化、水/能量循环过程模拟及输出4个方面开展大尺度分布式水文模型架构设计,并以此为指导构建了全国尺度分布式水文模型WEP-CN（Water and Energy Processes at China National scale）;然后,兼顾不同气候水文分区、流域上下游以及资料可获取性,全国范围内共选择127个水文站点,采用其所在断面1960～2000年逐月天然径流数据对模型的改进效果和普适性进行了校验;最后,应用WEP-CN模型开展了全国不同气候地质区21个典型流域1960～2015年水资源演变的对比分析。主要成果如下:（1）研究揭示了大尺度区域产流机制表现出的空间差异性特征,包括蓄满和超渗产流并存、寒区与非寒区产流并存、山丘区和平原区产流并存、土壤和岩石结构产流并存等。基于此,提出了针对大尺度区域构建分布式水文模型的目标定位和功能需求,并以此为指导对国内外应用广泛的若干（半）分布式流域水文模型开展调研。结果发现,现有模型对大尺度区域产流机制空间差异性刻画不足,难以满足水文过程精细化模拟要求。为此,通过综合比较选择以基于物理机制的分布式水文模型WEP-L为基础,从单元确定、模型输入、空间参数化、水/能量循环模拟及输出改进模型,完成大尺度分布式水文模型架构设计及实现方案。（2）全国是一个典型大尺度区域,水热植被条件呈现出强烈的时空变化。全国基本气象站点1960-2015年多年平均气温在-5.4～27.8℃之间,由北向南逐渐升高,年际变化普遍呈显著上升趋势;全国多年平均降水量654.2mm,沿西北—东南方向逐渐增加,年际变化呈一定的地域性差异;年潜在蒸散发量主要在400～1400mm之间,其中高值区主要分布在西北内陆,低值区在东北地区、西南诸河上游和长江上中游地区,年际变化不同地区间差异显著;年均NDVI北方多低于0.6,南方多在0.6～0.8,且随海拔升高呈垂直分带特征。此外,根据水资源二级区分区建立气温、降水随高程的回归关系,发现在海拔高差较大的山区气温与高程具有较强负相关,降水与高程的相关性较差,相关系数有正有负。（3）在针对大尺度区域进行子流域划分时,目前普遍使用基于地表径流漫流模型,通过单一集水面积阈值进行河网提取和子流域划分的方法在准确描述研究区的空间范围、确定流域出水口、提取内流区河网等方面存在一定不足。为此,研究对传统子流域划分方法进行改进,提出了一种基于流域出水口自动识别和多阈值虚拟河网融合技术的子流域划分方法。该方法主要包括流域出水口的自动识别及确定、最大和最小集水面积阈值确定、多阈值虚拟河网融合和子流域划分与编码4部分。相对于传统子流域划分方法,该方法具有以下优点:①可实现流域出水口的自动识别,高效快速;②初步解决了内流区河网提取失真问题,可准确描述所划分子流域间的拓扑关系;③在准确拟合研究区范围的同时有效控制了子流域数量,兼顾了模型模拟的精度和效率需求。以全国为例,相较传统方法,该方法准确提取了内流区河网,在多把控17万km2国土面积的同时子流域个数仅增加3406个。（4）为避免计算冗余,对全国部分非产流区进行了剔除,最终全国范围内共划分19406个子流域、81687个等高带。根据分区建立的气温、降水与高程间的回归关系,综合采用空间三维插值和平面插值算法实现气象输入在子流域上的展布;为体现水热植被空间异质性、产流动力条件空间异质性和下垫面特征空间异质性,研究提出了“气候带套水资源三级区——子流域——等高带——马赛克地块”的多尺度空间参数化方案;针对膨胀黄土区、岩溶发育区和寒区包气带结构特殊性,改进了原模型“土壤-基岩”包气带两层结构,修正了土壤水特性参数。最终,构建并验证了全国尺度分布式水文模型WEP-CN。校验结果表明,大多数水文站点所在断面径流纳什效率系数（NSE值）大于0.7,相对误差（RE值）在-10%和10%之间。模型改进后应用效果有明显提升,能够适用于大尺度不同气候水文分区、地质地貌单元的水文过程模拟。（5）开展了全国不同气候地质区21个典型流域水资源演变规律对比分析。流域年降水、气温、实际蒸散发等水热要素的空间差异与气候分区具有良好的一致性。其中,相对于南方湿润流域,北方降水少且集中,降水年内集中度与纬度呈显著正相关关系。年均实际蒸散发与年均气温变化呈较强一致性,由寒带向热带呈增加趋势;径流及其组成变化不仅与气候特征相关,也受到不同地质条件的影响和制约。年径流量多年变化整体来看,位于北方且受冻土影响流域呈增加趋势,黄淮海暖温带山区和西南亚热带山区流域减少明显,青藏高原区周边和东南山区流域变化不大。聚焦中尺度流域,发现地质结构的变化影响着其对降水的再分配作用,进而导致径流组成发生变化。北方流域河川基流占比较大,冻土的存在起到了增加基流的作用;南方流域以地表径流为主,西南喀斯特山地表层岩溶带的调蓄作用一定程度增加了流域河川基流量。整体看,气候变化在南方流域多起减少径流作用,而在北方寒区则以增加径流为主。北方流域多呈绿化趋势,土地利用变化在渭河、海河流域等显著表现为减少径流的作用,在南方作用不明显。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究背景、目的及意义

1.2 国内外相关研究进展

1.3 研究内容、技术路线及关键科学问题

第二章大尺度分布式水文模型设计

2.1 大尺度区域复杂产流机制

2.2 模型定位与选择

2.3 模型架构设计

2.4 模型计算基本原理

2.5 模型构建实现方案

2.6 小结

第三章研究区概况及气象水文植被特征分析

3.1 研究区概况

3.2 数据资料与研究方法

3.3 气温降水变化特征分析

3.4 潜在蒸散发变化特征分析

3.5 植被覆盖变化特征分析

3.6 小结

第四章面向大尺度复杂地形区的子流域划分方法改进

4.1 现有子流域划分方法及流程

4.2 大尺度复杂地形区的子流域划分存在的难点

4.3 子流域划分方法改进

4.4 方法改进效果分析

4.5 小结

第五章考虑产流机制差异的WEP-CN模型构建与校验

5.1 模型基础数据与单元划分

5.2 考虑产流受高程影响的气象数据展布

5.3 描述产流差异的多尺度空间参数化方案

5.4 考虑包气带结构差异的土壤水特性参数修正

5.5 WEP-CN模型校验

5.6 小结

第六章不同气候地质区典型流域水资源演变对比分析

6.1 典型流域选择

6.2 水循环演变对比分析

6.3 天然河川径流演变对比分析

6.4 径流演变归因分析

6.5 小结

第七章结论与展望

7.1 主要结论

7.2 创新点

7.3 研究不足与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文

攻读博士学位期间申请专利

攻读博士学位期间参加项目

攻读博士学位期间获得奖励

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘欢

导师: 贾仰文,牛存稳

关键词: 万级大尺度,产流机制,分布式流域水文模型,子流域划分,空间参数化

来源: 中国水利水电科学研究院

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 中国水利水电科学研究院

分类号: P333

总页数: 156

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考虑产流机制空间差异的全国尺度分布式水文模型构建及应用

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