本文關(guān)鍵詞：非飽和—飽和帶水流時(shí)空變異性研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：水文系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng),系統(tǒng)中水文變量的時(shí)空變異性是水文學(xué)的重要研究內(nèi)容。研究水文變量的變異特征、相互關(guān)系及影響因素有助于加深對(duì)流域各水文過程乃至整個(gè)水文循環(huán)的認(rèn)識(shí),深刻理解其對(duì)流域水環(huán)境與水生態(tài)的影響。以往的研究多集中于水文循環(huán)中的某些水文變量,如降水、河流徑流、近地表土壤含水率或地下水位等,或是研究某幾個(gè)有限變量,如降水和河流徑流、降水和地下水位等,未能對(duì)流域水循環(huán)中的諸多重要變量進(jìn)行完整刻畫,對(duì)各變量之間的相互關(guān)系及演化過程亦很少涉及。例如,降水滲入土壤,在包氣帶中向下運(yùn)動(dòng)至潛水面并在含水層中進(jìn)一步向下運(yùn)動(dòng)的過程中,水流的時(shí)間相關(guān)性如何變化?地表入滲、地下水補(bǔ)給以及地下水向河流的基流排泄是怎樣的時(shí)間隨機(jī)過程?這些都是目前水文學(xué)關(guān)注、正在研究的科學(xué)前沿問題。針對(duì)這些問題,本文開展了以下研究。首先,基于對(duì)非飽和.飽和系統(tǒng)(USS)水流的矩方程進(jìn)行數(shù)值求解和蒙特卡洛模擬,研究水流在系統(tǒng)垂向上的時(shí)空變化特征,對(duì)壓力水頭(ψ)和流量(q)的時(shí)間序列、方差、自協(xié)方差/自相關(guān)函數(shù)和功率譜進(jìn)行了分析。系統(tǒng)頂部(即地表面)接受降水入滲,水流經(jīng)非飽和帶到達(dá)飽和帶,最終通過左下部的定水頭邊界(如河流或湖泊)向外排泄。結(jié)果表明：在均質(zhì)系統(tǒng)、白噪聲入滲條件下,USS中水流的波動(dòng)為時(shí)空非平穩(wěn)。時(shí)間上的非平穩(wěn)由確定性的初始條件引起,空間上的非平穩(wěn)由系統(tǒng)的阻尼作用和邊界條件引起。水流的自相關(guān)性隨時(shí)空變化：時(shí)間越長,滲透深度越大,ψ口q的自相關(guān)性越好。USS是一個(gè)低通濾波器,對(duì)水流波動(dòng)具有阻尼作用且阻尼作用隨深度增加而減弱。介質(zhì)非均質(zhì)性加劇了系統(tǒng)中水流的波動(dòng),是水流波動(dòng)的主要來源,非均質(zhì)性減弱水流波動(dòng)的短期相關(guān)性。其次,對(duì)不同參數(shù)的短期相關(guān)入滲和分形入滲、不同飽和滲透系數(shù)以及不同初始條件下均質(zhì)USS中水流的時(shí)空變化進(jìn)行了研究。短期相關(guān)入滲的相關(guān)尺度(λ1)不改變?chǔ)?t)方差函數(shù)的基本構(gòu)成階段(即平穩(wěn)性的構(gòu)成階段),僅改變各階段的長短,尤其是非平穩(wěn)階段的長度；λI不改變系統(tǒng)阻尼作用的基本形式,僅改變其強(qiáng)度；λI不改變?chǔ)?t)的相關(guān)性結(jié)構(gòu),僅影響功率譜不同頻段的長短及相關(guān)性大小。分形入滲的相關(guān)性強(qiáng)度(β)可改變?chǔ)?t)的平穩(wěn)性：隨β增大,ψ(t)的非平穩(wěn)階段逐漸增長,最終演變?yōu)榉瞧椒�(wěn)過程；β可改變系統(tǒng)阻尼作用的形式；β可改變?chǔ)?t)的相關(guān)性結(jié)構(gòu),隨著β增大,ψ(t)由短期相關(guān)逐漸演變?yōu)殚L期相關(guān),即時(shí)間分形。系統(tǒng)飽和滲透系數(shù)(Ks)不改變?chǔ)?t)平穩(wěn)性的基本構(gòu)成階段,只改變各階段的長短；Ks不改變系統(tǒng)阻尼作用的基本形式,只改變其強(qiáng)度；Ks對(duì)ψ(t)的相關(guān)性結(jié)構(gòu)有顯著影響但不能根本改變；且這些影響與短期相關(guān)入滲造成的影響有所不同,Ks對(duì)ψ(t)的短期相關(guān)性有顯著影響,而入滲形式對(duì)長期波動(dòng)的影響更為顯著。初始條件的影響時(shí)間有限,不改變?chǔ)?t)的相關(guān)性結(jié)構(gòu)。最后,基于內(nèi)華達(dá)山脈北部Sagehen Creek流域的地表水-地下水耦合模型,對(duì)該流域的降水(P)、(地表)入滲(I)、(實(shí)際)蒸散發(fā)(ET)、(地下水)補(bǔ)給(R)、(河流)基流(BF)、河流徑流(SF)以及地下水位(GL)和土壤含水率(SM)的時(shí)空變化進(jìn)行了研究。時(shí)間序列和譜分析的結(jié)果顯示：流域尺度的P、I、ET、R、BF和SF及水文響應(yīng)單元尺度的P、I、ET和R均為時(shí)間分形；GL亦是時(shí)間分形；但是ET、R、BF和GL的譜在低頻處存在折點(diǎn)。SM的譜存在明顯的折點(diǎn),在高頻處有單一的時(shí)間尺度性,在低頻處趨向白噪聲。ET、R、BF和SM的折點(diǎn)是由非飽和帶對(duì)水流不同頻段阻尼作用的強(qiáng)度不能保持冪律一致、在低頻處極為微弱造成的,GL的折點(diǎn)則主要由河流的邊界效應(yīng)引起。水文系統(tǒng)對(duì)所有的水文變量均是低通濾波器,除土壤含水率外也是分形濾波器,對(duì)水文變量的時(shí)間波動(dòng)具有阻尼作用：水文變量在流域水循環(huán)中越深入,其時(shí)間相關(guān)性越大,順序?yàn)镻ISFETRBF以及SMGL.SF的組成包括了降水、地表徑流、壤中流和基流等,其相關(guān)性是這些過程的綜合反映。植被層和地面的阻尼作用最弱,非飽和帶的阻尼作用最為強(qiáng)烈。該流域P和I是分?jǐn)?shù)高斯噪聲；ET、R、BF和SF是分?jǐn)?shù)布朗運(yùn)動(dòng)；GL主要是二階分?jǐn)?shù)布朗運(yùn)動(dòng)。GL的時(shí)間相關(guān)性在遠(yuǎn)離河流的區(qū)域基本一致,但由于河流邊界效應(yīng)的影響,相關(guān)性向河逐漸減小。水文系統(tǒng)中響應(yīng)信號(hào)(如地下水位、河水位)的相關(guān)性大于輸入信號(hào)(如地下水補(bǔ)給、河流徑流量)的相關(guān)性。
【關(guān)鍵詞】：非飽和-飽和系統(tǒng) 時(shí)空變異性 時(shí)間尺度性 數(shù)值矩方法 譜分析
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P333
【目錄】：

• 摘要6-9
• Abstract9-15
• 第一章 緒論15-35
• 1.1 研究背景15-17
• 1.2 相關(guān)概念17-19
• 1.3 研究方法19-23
• 1.4 研究現(xiàn)狀23-30
• 1.4.1 水文變量時(shí)間相關(guān)性研究現(xiàn)狀23-29
• 1.4.2 水文變量時(shí)間相關(guān)性應(yīng)用現(xiàn)狀29-30
• 1.5 存在問題30-31
• 1.6 研究內(nèi)容31-32
• 1.7 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)32-35
• 第二章 均質(zhì)非飽和-飽和系統(tǒng)中水流時(shí)空變異性35-61
• 2.1 概念模型35-36
• 2.2 數(shù)學(xué)模型36-38
• 2.3 矩方程推導(dǎo)38-45
• 2.4 參數(shù)設(shè)置和方程求解45-47
• 2.5 蒙特卡洛模擬47
• 2.6 結(jié)果與討論47-58
• 2.6.1 時(shí)間序列47-49
• 2.6.2 方差函數(shù)49-50
• 2.6.3 自相關(guān)函數(shù)50-57
• 2.6.4 功率譜密度函數(shù)57-58
• 2.7 小結(jié)58-61
• 第三章 非均質(zhì)非飽和-飽和系統(tǒng)中水流時(shí)空變異性61-79
• 3.1 矩方程62-69
• 3.2 方程求解和蒙特卡洛模擬69-71
• 3.3 結(jié)果與討論71-76
• 3.3.1 時(shí)間序列71
• 3.3.2 方差函數(shù)71-73
• 3.3.3 自協(xié)方差函數(shù)73-75
• 3.3.4 功率譜密度函數(shù)75-76
• 3.4 小結(jié)76-79
• 第四章 入滲形式、滲透性和初始條件對(duì)水流時(shí)空變異性的影響79-115
• 4.1 入滲形式80-100
• 4.1.1 指數(shù)型協(xié)方差的平穩(wěn)高斯過程80-91
• 4.1.2 分?jǐn)?shù)高斯噪聲和分?jǐn)?shù)布朗運(yùn)動(dòng)入滲91-100
• 4.2 滲透性100-106
• 4.2.1 時(shí)間序列100-101
• 4.2.2 方差函數(shù)101-103
• 4.2.3 自相關(guān)函數(shù)103
• 4.2.4 功率譜密度函數(shù)103-104
• 4.2.5 小結(jié)104-106
• 4.3 隨機(jī)初始條件106-113
• 4.3.1 隨機(jī)初始條件的準(zhǔn)備106-109
• 4.3.2 時(shí)間序列109
• 4.3.3 方差函數(shù)109-111
• 4.3.4 功率譜密度函數(shù)111-112
• 4.3.5 小結(jié)112-113
• 4.4 小結(jié)113-115
• 第五章 典型流域各水文變量時(shí)空變異性115-135
• 5.1 研究區(qū)概況117
• 5.2 GSFLOW模型簡介117-119
• 5.3 數(shù)據(jù)和方法119-122
• 5.4 結(jié)果與討論122-134
• 5.4.1 流域各水文變量的時(shí)間變化和時(shí)間尺度性結(jié)構(gòu)122-125
• 5.4.2 HRU各水文變量時(shí)空變化和時(shí)間尺度性結(jié)構(gòu)125-127
• 5.4.3 土壤含水率的時(shí)空變化和時(shí)間尺度性結(jié)構(gòu)127-128
• 5.4.4 地下水位的時(shí)空變化和時(shí)間尺度性結(jié)構(gòu)128-133
• 5.4.5 地表徑流的時(shí)空變化和時(shí)間尺度性結(jié)構(gòu)133-134
• 5.5 小結(jié)134-135
• 第六章 結(jié)論與展望135-137
• 6.1 結(jié)論135-136
• 6.2 研究展望136-137
• 參考文獻(xiàn)137-149
• 附錄Ⅰ149-152
• 附錄Ⅱ152-161
• 致謝161-163
• 作者簡介163-165

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本文編號(hào)：387672