面向南方丘陵区的流域汇流网络建模方法研究

论文摘要

流域汇流网络是流域过程模型的重要输入。受区域特殊自然条件及人为因素影响,不同区域的流域汇流网络往往具有不同特点,要对其进行合理刻画必须充分考虑区域特点。南方丘陵区具有结构独特且受人为活动影响强烈的汇流网络,主要体现在流域中存在水稻梯田和水塘等特殊地物和灌溉排水等农业管理活动。现有方法缺乏对该类汇流网络特殊结构及其所受人为影响的表达机制,难以对其进行合理建模,不能满足流域过程模拟(尤其是小流域精细模拟)与辅助决策的需求。针对上述问题,首先,本文提出基于流域结构特征的空间离散化方法,以不规则多边形并辅以点、线要素,对流域进行分区离散化,即:首先根据土地利用图进行分区,然后针对不同类型地物的特点采用不同空间单元进行空间离散化。然后,基于空间离散化结果确定空间单元之间的流向关系,即:首先确定同类地物类型内部的流向,然后根据地物对水流的影响机制确定不同地物类型边界处的流向,最后对整个汇流网络中存在的回路进行处理,使得每一个单元都能通过一条流路流到河流或流域外部。最后,为验证所构建的汇流网络,将其与分布式水文模型 SEIMS(Spatially Explicit Integrated Modeling System)进行耦合,并在模型中实现灌溉排水过程的表达,从而实现全分布式流域过程模拟。选择南方丘陵区典型小流域——中田舍流域为研究区,进行流域汇流网络构建和分布式水文模拟,并与原模型进行对比,得到的主要结论如下:(1)与基于栅格的汇流网络相比,本文方法所构建汇流网络在地物几何形状和流向关系上都更符合实际情况。例如,水田或水塘通常形状不规则且单元内部高程一致,与栅格单元相比,采用多边形的离散方式能更准确、灵活地表达其形状和高程信息;同时,将水塘作为一个独立实体(而非多个栅格单元的组合),可更有效地表达其入流和出流关系。(2)改进了 SEIMS分布式水文模型,使其支持本文所构建的流域汇流网络,并在研究区进行分布式水文模拟,得到了良好的模拟效果:在流域出口逐日流量模拟中,验证期(2015年、2016年)的纳什系数(NSE)为0.60,决定系数(R2)为0.65,原栅格版本结果的NSE为0.43,R2为0.51,相比之下改进后的SEIMS模型模拟精度有一定提高。(3)改进后的模型能更好地表达空间单元之间的流向关系,包括坡面汇流过程水塘作用的表达(上游单元来水先流入水塘,当水塘水量超出最大容量再流到下游水塘或河道)、因灌溉排水而引起的水田与水塘、河流之间的流向关系(灌溉时水田从就近的水塘或者河流取水,排水时将水田中的水排到下游水塘或河流)等。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 相关研究进展
•     1.2.1 空间离散化研究现状
•     1.2.2 单元间流向关系确定研究现状
•     1.2.3 现有研究存在的问题
•   1.3 科学问题
•   1.4 研究目标
•   1.5 研究思路
•   1.6 研究内容与技术路线
•     1.6.1 适合南方丘陵区的流域空间离散化
•     1.6.2 考虑地物特点的空间单元间流向关系的确定
•     1.6.3 适合南方丘陵区的分布式水文模型构建
•     1.6.4 应用评价
•     1.6.5 技术路线
•   1.7 论文组织
• 第二章 基于流域结构特征的空间离散化
•   2.1 南方丘陵区流域结构特征分析
•   2.2 水田、水塘的离散化
•   2.3 道路的离散化
•   2.4 林地、草地、河滩、建筑用地的离散化
•   2.5 河道、沟渠的离散化
•   2.6 空间离散单元的存储
•   2.7 本章小结
• 第三章 离散单元间流向关系确定
•   3.1 同类地物内部的流向确定
•     3.1.1 水田地块内部的流向确定
•     3.1.2 道路内部的流向确定
•     3.1.3 林地、草地、建筑用地等内部的流向确定
•   3.2 不同类型地物边界的流向
•     3.2.1 水田的入流和出流
•     3.2.2 水塘的入流和出流
•   3.3 回路的处理
•     3.3.1 不含有水田的回路
•     3.3.2 含有水田的回路
•   3.4 本章小结
• 第四章 适合南方丘陵区的分布式水文模型构建
•   4.1 模型的选择
•     4.1.1 SEIMS模型原理
•     4.1.2 SEIMS模型运行流程
•   4.2 模型对不规则多边形的支持
•     4.2.1 支持不规则地块单元的数据结构
•     4.2.2 基于不规则地块单元的模型参数提取
•   4.3 灌溉排水活动的表达
•     4.3.1 坡面汇流水塘的处理
•     4.3.2 灌溉排水过程的表达
•   4.4 本章小结
• 第五章 案例研究
•   5.1 研究区概况
•     5.1.1 研究区简介
•     5.1.2 数据收集
•   5.2 汇流网络建模结果与对比
•     5.2.1 空间离散化结果
•     5.2.2 流向关系结果
•     5.2.3 几种地物的典型流路
•     5.2.4 与基于栅格的流向对比
•   5.3 分布式模拟与评价
•     5.3.1 模型的运行与率定
•     5.3.2 模拟结果的对比
•     5.3.3 模拟结果的分析讨论
•   5.4 灌溉排水的模拟
•     5.4.1 水田水深分析
•     5.4.2 水塘水深分析
•   5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 主要结论
•   6.2 问题与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间的主要科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘章聪

导师: 朱阿兴

关键词: 流域汇流网络,南方丘陵区,水稻梯田,灌溉排水

来源: 南京师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 南京师范大学

分类号: P333

DOI: 10.27245/d.cnki.gnjsu.2019.000106

总页数: 85

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