發(fā)布時間：2020-09-22 19:27

　　 平原河網(wǎng)區(qū)是我國長江中下游和珠江三角洲等地區(qū)普遍存在的一種具有獨特水文與地貌特征的區(qū)域。工農(nóng)業(yè)的高度開發(fā)、人地關(guān)系的高度緊張以及水文特征的特殊性使得這些地區(qū)深受水環(huán)境問題困擾。分布式流域水文模型是對區(qū)域水資源管理與水污染控制進行定量評價的有效工具,但平原河網(wǎng)區(qū)具備的大面積平坦地形、密集交織的河網(wǎng)、大量的湖泊與水庫和成片的圩區(qū)等特點使得傳統(tǒng)的分布式流域水文模型與建模方法在平原河網(wǎng)區(qū)的應(yīng)用受到很大限制。建立適用于平原河網(wǎng)區(qū)的分布式流域水文模型,提出適用于平原河網(wǎng)區(qū)的分布式流域水文建模方法,對平原河網(wǎng)區(qū)水資源評價與水環(huán)境問題的應(yīng)對具有重要意義。本文選擇太湖流域湖西區(qū)為研究區(qū),以平原河網(wǎng)區(qū)水文與地貌特征的GIS分析與表達、分布式流域水文模擬開展等視角,對平原河網(wǎng)區(qū)分布式流域水文建模過程中存在的流域集水單元劃分、圩區(qū)水文過程計算、交叉/環(huán)狀河道演算三個瓶頸問題進行了研究,結(jié)果與結(jié)論如下:(1)提出了一種基于數(shù)字河湖網(wǎng)絡(luò)的平原河網(wǎng)區(qū)流域結(jié)構(gòu)劃分的新方法。該方法通過構(gòu)建平原河網(wǎng)區(qū)水文空間要素數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),搭建起包含平原河網(wǎng)區(qū)真實河網(wǎng)、湖泊、水庫和圩區(qū)等要素及它們之間水文拓撲關(guān)系的數(shù)字河湖網(wǎng)絡(luò)框架,通過矢量河網(wǎng)流向定義、多流向柵格編碼、坡面柵格流向修正等一系列算法,結(jié)合DEM實現(xiàn)平原河網(wǎng)區(qū)的集水單元劃分。該方法實現(xiàn)了對平原河網(wǎng)區(qū)交叉/環(huán)狀河網(wǎng)結(jié)構(gòu)、多出入口湖泊與水庫、多排灌站圩區(qū)的完整表達,可劃分出湖泊、水庫、圩區(qū)和坡面四種集水單元類型,并建立河段、河流節(jié)點、集水單元之間的上下游拓撲關(guān)系。在湖西區(qū)的應(yīng)用表明,該方法由于不需再從DEM中提取河網(wǎng),而是直接采用真實的河湖網(wǎng)絡(luò)進行流域集水單元的劃分,其結(jié)果能完整保留平原河網(wǎng)區(qū)復(fù)雜的水網(wǎng)結(jié)構(gòu)與流向拓撲,并能合理勾畫出流域內(nèi)的湖泊、水庫、圩區(qū)和坡面集水單元。相對于傳統(tǒng)D8法和“StreamBurning”法具有很大優(yōu)勢,解決了 D8法內(nèi)在局限性導(dǎo)致的生成偽河網(wǎng)和集水單元劃分不合理的問題,避免了設(shè)定匯流累積閾值不確定性導(dǎo)致河流源頭不準確的問題。(2)針對平原河網(wǎng)區(qū)的圩區(qū)水文過程構(gòu)建了圩區(qū)排澇與灌溉模型,并將其集成在被廣泛應(yīng)用的分布式流域水文模型(SWAT模型)中,對SWAT模型進行了改進和完善(SWATpld模型)。SWATpld模型通過計算圩區(qū)內(nèi)河過量的積水來模擬圩區(qū)的排澇過程,通過結(jié)合圩區(qū)稻田各階段的需水量與灌溉措施來模擬圩區(qū)的引水灌溉過程。SWATpld模型在溧陽流域的應(yīng)用結(jié)果表明:1)能夠模擬出圩堤對自然出流的隔離效應(yīng),阻止了圩內(nèi)外自然的水量交換;2)提供了一種方法能夠?qū)ρ绤^(qū)人為的排澇措施進行模擬,自動估算圩區(qū)的排澇量;3)考慮了稻田灌溉措施中水層深度的建立,結(jié)合稻田需水量的計算,模擬從圩區(qū)外河引水至圩內(nèi)灌溉的過程。圩區(qū)排澇與灌溉模型的構(gòu)建及其與分布式流域水文模型的集成提高了現(xiàn)有分布式流域水文模型在平原河網(wǎng)區(qū)的適用性,解決了現(xiàn)有模型無法考慮圩區(qū)水文過程的問題。(3)基于平原河網(wǎng)區(qū)的集水單元劃分和圩區(qū)排澇與灌溉過程模擬,耦合了本研究開發(fā)的SWATpld模型和河道水動力HEC-RAS模型,進行了平原河網(wǎng)區(qū)坡面/圩區(qū)水文過程與交叉/環(huán)狀河網(wǎng)水動力過程的聯(lián)合模擬實驗。SWATpld和HEC-RAS耦合模型通過將流域平坦區(qū)具有完整拓撲結(jié)構(gòu)的干流河網(wǎng)單獨提取進行河網(wǎng)水動力建模,將SWATpld模型模擬的坡面子流域產(chǎn)流量、圩區(qū)排澇與灌溉水量和較小的支流河道匯流量作為HEC-RAS干流河網(wǎng)水動力計算的邊界條件輸入,模擬得到整個流域枝狀與交叉/環(huán)狀結(jié)構(gòu)完整河網(wǎng)的水文過程。耦合模型在溧陽流域的應(yīng)用結(jié)果表明,其對于被概化打斷河段直接影響的下游徑流過程的模擬精度相對原SWAT模型和SWATpld模型都有很大的提高,能夠十分準確地模擬出河道的徑流峰值,對于流域其它河道徑流的時間變化趨勢也有明顯的改善,使流域河網(wǎng)中的水量分配更為合理。SWATpld模型和HEC-RAS模型的水文—水動力耦合,應(yīng)用了本研究提出的平原河網(wǎng)區(qū)流域集水單元劃分方法和圩區(qū)排澇與灌溉模型,既解決了平原河網(wǎng)區(qū)分布式水文建模過程被迫打斷交叉/環(huán)狀河段、破壞河網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、導(dǎo)致部分河段流量模擬出現(xiàn)嚴重偏差的問題,也解決了河網(wǎng)水動力模型的外部與內(nèi)部邊界條件定義的問題。
【學(xué)位單位】：南京師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：P333
【部分圖文】：

邐１２０邋４５＂＾逡逑圖２．１太湖流域湖西區(qū)概況圖逡逑溧陽流域?qū)儆诤鲄^(qū)的西南部分的一個子流域（圖２．２）。地處江蘇省南緣、逡逑江浙結(jié)合部天目山余脈的北麓，坐標范圍為：３Ｐ８Ｗ？３１°４０”，１１９°８汜？１１９°３５＇Ｅ，逡逑包括溧陽市大部分地區(qū)，江蘇省宜興市、安徽省郎溪縣和廣德縣部分地區(qū)，流域逡逑面積約為１４４５ｋｍ２。逡逑溧陽流域是一個非閉合的流域，除南邊的宜溧山地和西邊的茅山山地外，其逡逑余兩側(cè)均為開闊的平原區(qū)。流域北側(cè)以丹金溧漕河別橋水文站為界，西南角以胥逡逑河落蓬灣橋水文站和梅渚河姚巷橋水文站為界，東側(cè)以中河山前橋水文站和宜溧逡逑１３逡逑

邐１１９邋４０＇Ｅ逡逑圖２．２溧陽流域概況圖逡逑上下西川圩位于溧陽流域北部的平坦區(qū)（圖２．２），是南京師范大學(xué)太湖流域逡逑（溧陽）水環(huán)境實驗站的圩區(qū)實驗區(qū)，也是本研宄選擇的實驗觀測圩，其基本屬逡逑性與排灌記錄數(shù)據(jù)用于本文第４章圩區(qū)排澇與灌溉模型的建模與驗證。逡逑上下西川圩地處江蘇省溧陽市別橋鎮(zhèn)和竹簀鎮(zhèn)交界處，坐標為：３１邋°３ｌｆ２５＂Ｎ，逡逑１１９°２４＇３２〃Ｅ，包括楊家灣村、牌樓村、西潘村和清水塘村４個自然村，面積約逡逑４．７ｋｍ２。圩內(nèi)水田面積占６８％，水面面積占１１％，其余２１％為旱地、居民地、道逡逑路等。圩內(nèi)地勢平坦，地面高程在３．９￣４．２ｍ之間。逡逑上下西川圩是一個四周筑堤的封閉圩區(qū)，圩堤北側(cè)鄰接北河，西側(cè)鄰接竹簀逡逑河，東側(cè)鄰接扁擔(dān)河，南側(cè)鄰接牌樓河，堤防周長９９２３ｍ，堤頂高程６．８－７．５ｍ，逡逑堤頂寬為２．５－５ｍ。圩堤上修筑的排灌站有４座（圖２．３）

邐１１９邋？０＇Ｆ邐１１９邋４０＇Ｅ逡逑圖２．２溧陽流域概況圖逡逑上下西川圩位于溧陽流域北部的平坦區(qū)（圖２．２），是南京師范大學(xué)太湖流域逡逑（溧陽）水環(huán)境實驗站的圩區(qū)實驗區(qū)，也是本研宄選擇的實驗觀測圩，其基本屬逡逑性與排灌記錄數(shù)據(jù)用于本文第４章圩區(qū)排澇與灌溉模型的建模與驗證。逡逑上下西川圩地處江蘇省溧陽市別橋鎮(zhèn)和竹簀鎮(zhèn)交界處，坐標為：３１邋°３ｌｆ２５＂Ｎ，逡逑１１９°２４＇３２〃Ｅ，包括楊家灣村、牌樓村、西潘村和清水塘村４個自然村，面積約逡逑４．７ｋｍ２。圩內(nèi)水田面積占６８％，水面面積占１１％，其余２１％為旱地、居民地、道逡逑路等。圩內(nèi)地勢平坦，地面高程在３．９￣４．２ｍ之間。逡逑上下西川圩是一個四周筑堤的封閉圩區(qū)，圩堤北側(cè)鄰接北河，西側(cè)鄰接竹簀逡逑河

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