【摘要】：隨著高新技術(shù)的發(fā)展和變化環(huán)境下水安全保障戰(zhàn)略需求的提升,分布式水文模型從傳統(tǒng)流域尺度向國家或地區(qū)大尺度擴展越來越重要。通過開展大尺度分布式水文模擬以定量揭示大的空間范圍內(nèi)不同氣候、地形、植被、包氣帶結(jié)構(gòu)等影響下的水文響應(yīng)和水資源效應(yīng),具有重要的理論價值和實踐意義。然而,相較于中、小尺度流域,大尺度區(qū)域一般涉及多種氣候水文分區(qū)和地質(zhì)地貌單元,導(dǎo)致其產(chǎn)流機制表現(xiàn)出顯著的空間差異性,這使得傳統(tǒng)流域水文模型應(yīng)用時受到明顯制約。為此,本研究開展了3方面的工作:首先,充分利用現(xiàn)有觀測系統(tǒng)和模擬技術(shù),在揭示大尺度區(qū)域受不同氣候、下墊面條件影響的產(chǎn)流機制空間差異性的基礎(chǔ)上,從基本計算單元確定、模型輸入、空間參數(shù)化、水/能量循環(huán)過程模擬及輸出4個方面開展大尺度分布式水文模型架構(gòu)設(shè)計,并以此為指導(dǎo)構(gòu)建了全國尺度分布式水文模型WEP-CN(Water and Energy Processes at China National scale);然后,兼顧不同氣候水文分區(qū)、流域上下游以及資料可獲取性,全國范圍內(nèi)共選擇127個水文站點,采用其所在斷面1960～2000年逐月天然徑流數(shù)據(jù)對模型的改進效果和普適性進行了校驗;最后,應(yīng)用WEP-CN模型開展了全國不同氣候地質(zhì)區(qū)21個典型流域1960～2015年水資源演變的對比分析。主要成果如下:(1)研究揭示了大尺度區(qū)域產(chǎn)流機制表現(xiàn)出的空間差異性特征,包括蓄滿和超滲產(chǎn)流并存、寒區(qū)與非寒區(qū)產(chǎn)流并存、山丘區(qū)和平原區(qū)產(chǎn)流并存、土壤和巖石結(jié)構(gòu)產(chǎn)流并存等。基于此,提出了針對大尺度區(qū)域構(gòu)建分布式水文模型的目標定位和功能需求,并以此為指導(dǎo)對國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的若干(半)分布式流域水文模型開展調(diào)研。結(jié)果發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有模型對大尺度區(qū)域產(chǎn)流機制空間差異性刻畫不足,難以滿足水文過程精細化模擬要求。為此,通過綜合比較選擇以基于物理機制的分布式水文模型WEP-L為基礎(chǔ),從單元確定、模型輸入、空間參數(shù)化、水/能量循環(huán)模擬及輸出改進模型,完成大尺度分布式水文模型架構(gòu)設(shè)計及實現(xiàn)方案。(2)全國是一個典型大尺度區(qū)域,水熱植被條件呈現(xiàn)出強烈的時空變化。全國基本氣象站點1960-2015年多年平均氣溫在-5.4～27.8℃之間,由北向南逐漸升高,年際變化普遍呈顯著上升趨勢;全國多年平均降水量654.2mm,沿西北—東南方向逐漸增加,年際變化呈一定的地域性差異;年潛在蒸散發(fā)量主要在400～1400mm之間,其中高值區(qū)主要分布在西北內(nèi)陸,低值區(qū)在東北地區(qū)、西南諸河上游和長江上中游地區(qū),年際變化不同地區(qū)間差異顯著;年均NDVI北方多低于0.6,南方多在0.6～0.8,且隨海拔升高呈垂直分帶特征。此外,根據(jù)水資源二級區(qū)分區(qū)建立氣溫、降水隨高程的回歸關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在海拔高差較大的山區(qū)氣溫與高程具有較強負相關(guān),降水與高程的相關(guān)性較差,相關(guān)系數(shù)有正有負。(3)在針對大尺度區(qū)域進行子流域劃分時,目前普遍使用基于地表徑流漫流模型,通過單一集水面積閾值進行河網(wǎng)提取和子流域劃分的方法在準確描述研究區(qū)的空間范圍、確定流域出水口、提取內(nèi)流區(qū)河網(wǎng)等方面存在一定不足。為此,研究對傳統(tǒng)子流域劃分方法進行改進,提出了一種基于流域出水口自動識別和多閾值虛擬河網(wǎng)融合技術(shù)的子流域劃分方法。該方法主要包括流域出水口的自動識別及確定、最大和最小集水面積閾值確定、多閾值虛擬河網(wǎng)融合和子流域劃分與編碼4部分。相對于傳統(tǒng)子流域劃分方法,該方法具有以下優(yōu)點:①可實現(xiàn)流域出水口的自動識別,高效快速;②初步解決了內(nèi)流區(qū)河網(wǎng)提取失真問題,可準確描述所劃分子流域間的拓撲關(guān)系;③在準確擬合研究區(qū)范圍的同時有效控制了子流域數(shù)量,兼顧了模型模擬的精度和效率需求。以全國為例,相較傳統(tǒng)方法,該方法準確提取了內(nèi)流區(qū)河網(wǎng),在多把控17萬km2國土面積的同時子流域個數(shù)僅增加3406個。(4)為避免計算冗余,對全國部分非產(chǎn)流區(qū)進行了剔除,最終全國范圍內(nèi)共劃分19406個子流域、81687個等高帶。根據(jù)分區(qū)建立的氣溫、降水與高程間的回歸關(guān)系,綜合采用空間三維插值和平面插值算法實現(xiàn)氣象輸入在子流域上的展布;為體現(xiàn)水熱植被空間異質(zhì)性、產(chǎn)流動力條件空間異質(zhì)性和下墊面特征空間異質(zhì)性,研究提出了“氣候帶套水資源三級區(qū)——子流域——等高帶——馬賽克地塊”的多尺度空間參數(shù)化方案;針對膨脹黃土區(qū)、巖溶發(fā)育區(qū)和寒區(qū)包氣帶結(jié)構(gòu)特殊性,改進了原模型“土壤-基巖”包氣帶兩層結(jié)構(gòu),修正了土壤水特性參數(shù)。最終,構(gòu)建并驗證了全國尺度分布式水文模型WEP-CN。校驗結(jié)果表明,大多數(shù)水文站點所在斷面徑流納什效率系數(shù)(NSE值)大于0.7,相對誤差(RE值)在-10%和10%之間。模型改進后應(yīng)用效果有明顯提升,能夠適用于大尺度不同氣候水文分區(qū)、地質(zhì)地貌單元的水文過程模擬。(5)開展了全國不同氣候地質(zhì)區(qū)21個典型流域水資源演變規(guī)律對比分析。流域年降水、氣溫、實際蒸散發(fā)等水熱要素的空間差異與氣候分區(qū)具有良好的一致性。其中,相對于南方濕潤流域,北方降水少且集中,降水年內(nèi)集中度與緯度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。年均實際蒸散發(fā)與年均氣溫變化呈較強一致性,由寒帶向熱帶呈增加趨勢;徑流及其組成變化不僅與氣候特征相關(guān),也受到不同地質(zhì)條件的影響和制約。年徑流量多年變化整體來看,位于北方且受凍土影響流域呈增加趨勢,黃淮海暖溫帶山區(qū)和西南亞熱帶山區(qū)流域減少明顯,青藏高原區(qū)周邊和東南山區(qū)流域變化不大。聚焦中尺度流域,發(fā)現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化影響著其對降水的再分配作用,進而導(dǎo)致徑流組成發(fā)生變化。北方流域河川基流占比較大,凍土的存在起到了增加基流的作用;南方流域以地表徑流為主,西南喀斯特山地表層巖溶帶的調(diào)蓄作用一定程度增加了流域河川基流量。整體看,氣候變化在南方流域多起減少徑流作用,而在北方寒區(qū)則以增加徑流為主。北方流域多呈綠化趨勢,土地利用變化在渭河、海河流域等顯著表現(xiàn)為減少徑流的作用,在南方作用不明顯。
【圖文】：

中國水利水電科學(xué)研究院博士學(xué)位論文ｏｇｉｃａｌ邋Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）’等；第三，國內(nèi)外研究者文模型，通過改變計算單元大小或劃分方式，探索水文模型向大尺為成功的有邋ＳＷＡＴ邋（Ｓｏｉｌ邋ａｎｄ邋Ｗａｔｅｒ邋Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ邋Ｔｏｏｌ）邋［７０］、ＷＥＰ－Ｌｅｒｇｙ邋ｔｒａｎｓｆｅｒ邋Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ邋ｉｎ邋Ｌａｒｇｅ邋ｒｉｖｅｒ邋ｂａｓｉｎｓ）邋［４９］、ＧＢＨＭ邋（Ｇｅｏｍｏｒｐｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ邋Ｍｏｄｅｌ）模型［７１］等。逡逑大尺度水文模擬研究發(fā)展歷程逡逑■逡逑

邐ｍＨＭ模型逡逑ＩＩ邐亞邐Ｅ－ＨＹＰ幽逡逑圖１－邋１大尺度水文模擬研究發(fā)展歷程示意圖逡逑１．２．３子流域劃分研究逡逑根據(jù)研究對象的地理特征，分布式水文模型可分為兩類：一是針對完整流域逡逑的分布式流域水文模擬；二是針對行政區(qū)或人工分區(qū)的區(qū)域分布式水文模擬［７２］。逡逑無論是何種模型類型，分布式水文模型均需將研宄區(qū)離散成許多較小的空間單元，，逡逑并假設(shè)單元內(nèi)部同質(zhì)。目前，基于柵格型數(shù)字高程模型（ＤｉｇｉｔａｌＥｌｅｖａｔｉｏｎＭｏｄｅｌ逡逑ＤＥＭ）的分布水文模型主要通過網(wǎng)格、山坡和子流域３種形式實現(xiàn)對研宄對象逡逑的空間離散［７３］。當研究對象的空間尺度較大時，為兼顧模擬精度和效率，常采用逡逑子流域離散方式，即將研究區(qū)劃分為一定數(shù)量的子流域，以此作為基本模擬單元。逡逑子流域劃分是構(gòu)建流域／區(qū)域分布式水文模型的基礎(chǔ)，關(guān)系到模擬精度的好壞。逡逑因此
【學(xué)位授予單位】：中國水利水電科學(xué)研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P333

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4 楊大文;李

本文編號：2653560