基流是地下含水層向地表徑流補給的部分,是研究地下水-地表水相互作用的主要內(nèi)容之一,是維持流域生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的關(guān)鍵因素,對于促進(jìn)水資源可持續(xù)利用和科學(xué)管理具有重要意義。基流指數(shù)(BFI,基流在徑流中所占的比重)是反映基流對地表徑流貢獻(xiàn)率大小的一個重要指標(biāo)。目前研究基流的方法主要有示蹤法和非示蹤法,由于受不同地下水劃分標(biāo)準(zhǔn)的影響及實驗條件的限制,示蹤法在大尺度流域基流過程中存在不足。非示蹤法具有操作簡單、高效的優(yōu)點被廣泛的用來對大尺度流域基流進(jìn)行分割,但是由于流域水文地質(zhì)復(fù)雜性的影響,需要對其進(jìn)一步優(yōu)化。目前研究中利用示蹤劑方法對非示蹤法的基流分割結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)評價的研究還很缺乏。基流可以反映流域?qū)傩?在大的流域環(huán)境背景下,基流的變化過程受到流域地質(zhì)水文屬性的影響,同一背景下流域的水文過程具有相似性,流域之間水文過程具有相互作用,基流過程應(yīng)該對流域之間的相互關(guān)系進(jìn)行考慮。因此基于基流反映不同流域水文過程及其相互作用是十分重要的,也是非常有效的手段之一,但是對基流進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測是一個較為困難的科學(xué)問題�；诖吮狙芯繉鞣指罘椒ㄟM(jìn)行改進(jìn)和評價,并建立基于流域?qū)傩缘幕黝A(yù)測模型。本研究選取了澳大利亞東部地區(qū)具有代表性的五個流域作為對比研究區(qū),利用已有文獻(xiàn)中化學(xué)示蹤劑基流分割研究結(jié)果為基準(zhǔn),評價了目前國際上常用的四種基流分割方法(英國水文學(xué)研究所UKIH方法,以及Lyne-Hollick方法,Chapman-Maxwell方法和Eckhardt方法等三種數(shù)字濾波方法)。并利用具有物理機(jī)制的自動化基流識別方法(Automatic Baseflow Identification Technique,ABIT)對退水過程進(jìn)行分析,優(yōu)化了基流分割的參數(shù),提高了基流估算的精度和科學(xué)性。同時,引入多層次回歸方法,建立了基于流域?qū)傩缘拇蟪叨然髦笖?shù)預(yù)測模型,并與水文模型(SIMHYD和新安江模型以及傳統(tǒng)線性回歸方法的基流預(yù)測結(jié)果分別進(jìn)行對比分析。水文模型利用三種方法的BFI結(jié)果:校準(zhǔn)和兩種區(qū)域化方案(空間接近法和物理屬性相似性)。傳統(tǒng)線性回歸模型在四個氣候區(qū)(Arid、Tropic、Equiseasonal和Winter rainfall)分別建立基于流域?qū)傩缘木�性回歸模型。在多層次回歸模型中不僅將流域劃分為四個氣候區(qū),而且考慮到流域之間和不同氣候區(qū)之間的相互聯(lián)系。與水文模型和傳統(tǒng)線性回歸模型相比,多層次模型可以顯著提高基流過程的預(yù)測精度。利用渭河流域18個水文站點的日徑流數(shù)據(jù),應(yīng)用優(yōu)化后的方法對渭河流域進(jìn)行基流分割,得到了渭河流域基流指數(shù)分布圖。本研究主要有以下幾個結(jié)論:(1)利用自動化基流識別方法進(jìn)行退水分析可以提高基流分割的精度。本文綜合評估了四個廣泛使用的非示蹤劑基流分割方法。其中Lyne-Hollick和Chapman-Maxwell兩種濾波方法是一參濾波器,Eckhardt包括退水常數(shù)和最大基流指數(shù)兩個參數(shù)。我們使用自動基流識別技術(shù)(ABIT)來估計五個流域的退水常數(shù),結(jié)果從0.943到0.987,明顯高于默認(rèn)值0.925,并使用默認(rèn)的Eckhardt和UKIH方法來估計最大基流指數(shù)。使用ABIT方法的結(jié)果明顯優(yōu)于默認(rèn)參數(shù),絕對偏差平均減少約30%;同時UKIH方法獲得的偏差比使用默認(rèn)Eckhardt方法的模型偏差小15%。使用ABIT方法參數(shù)化的Lyne-Hollick方法兩次濾波可以達(dá)到最佳基流分割效果,之后隨著濾波次數(shù)增加效果有所降低。(2)將多層次回歸模型引入水文學(xué)中,提出了利用該方法進(jìn)行水文預(yù)測的基本框架。SIMHYD和新安江兩個水文模型的校準(zhǔn)和區(qū)域化方法BFI預(yù)測表現(xiàn)相似,Nash-Sutcliffe 效率(NSE)為-8.44～-2.58,偏差(Bias)為 81～146;傳統(tǒng)線性回歸模型的NSE為0.57和Bias為25;與傳統(tǒng)線性模型(NSE:0.49,Bias:25)相比多層次回歸模型(NSE:0.75,Bias:19)模擬效果顯著提高。(3)使用參數(shù)優(yōu)化后的Lyne-Hollick方法對渭河流域進(jìn)行基流分割,可以相對客觀地反映渭河流域地下水對地表水的補給。平均基流指數(shù)為0.38 ±0.10。渭河流域的基流指數(shù)具有明顯的空間分布特征,北部支流的基流貢獻(xiàn)率(0.45±0.13)大于南部地區(qū)(0.30±0.02),在地形單元交界處分布較大。通過上述研究發(fā)現(xiàn),在應(yīng)用數(shù)字濾波方法之前獲取適當(dāng)?shù)膮?shù)至關(guān)重要。參數(shù)化后的基流分割方法在澳大利亞流域和我國渭河流域取得較好的效果。選擇適當(dāng)?shù)牧饔驅(qū)傩?利用多層次回歸模型考慮不同流域背景差異,可以有效地提高大尺度基流指數(shù)預(yù)測精度。
【學(xué)位單位】：西北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：P333
【部分圖文】：

０逡逑其中ｓ是流域所有河道上游線性坐標(biāo)系，Ｚ是河道的總長度，供＝私匕0和逡逑你＝＾７＾，０分別是河道左岸和右岸的地下水出流量（圖２）。逡逑通常情況下流域自然地理條件（例如降水、徑流等）不隨時間而變化，地逡逑下水儲量可能是局部地下水儲量的穩(wěn)定函數(shù)。由此可知流域尺度上的基流不僅逡逑取決于流域的總水量，同時也受制于流域水量在整個流域面上的分布狀態(tài)。然逡逑而總儲水量并不總是均勻分布的，通常情況下會受到降水事件空間分布的影響逡逑［Ｊｏｈｎｓｏｎ邋ｅｔ邋ａｌ”邋２０１７］。基流測并不僅僅是時間上的單一函數(shù)，對于小流域而逡逑言，可以假設(shè)降水在整個流域上是充分均勻分布的，那么基流就可以看作是時逡逑１０逡逑

這個條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于潛在蒸散發(fā)量，這一初始值即使是在高海拔地區(qū)也非常逡逑符合實際［Ｇｕｚｍｄｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１５］。逡逑圖４是典型的潛水含水層剖面，該流動系統(tǒng)通常條件下埋深較淺，與大氣逡逑通過土壤半飽和含水帶相連，水壓力和有效應(yīng)力通常不大，水和固體基本上可逡逑以假設(shè)為是不可壓縮的質(zhì)地，因此如果介質(zhì)會被假設(shè)成各向同性條件，水在該逡逑含水層中的運動理論上遵循Ｒｉｃｈａｒｄ方程，為便于參考，可以改寫成以下形式逡逑［Ｂｒｕｔｓａｅｒｔ，邋２００５］：逡逑ｄ邋ｆ．邋ｄｈ＾＼邋ｄ邋（ｕｄｈ＇］邋ｄ邋ｆ．邋ｄｈ）邋８０逡逑—ｋ—邋＋—邋ｋ—邋＋—邋ｋ—邋＝—邐（２．６）逡逑ｄｘ）邐ｄｙ）邐ｄｚ）邋ｄｔ逡逑Ｇｒｏｕｎｄ邋ｓｕｒｆａｃｅ邐邐邐一＞—逡逑邐邐邐邐－一＂＇邋＇：一．邐邐邐Ｗａｔｅｒ邋ｓｈｒｅｄ逡逑Ｗａｔｅｒ邋ｔａｂｌｅ邋邐邐邐邋＾邐＂＂逡逑Ｉｍｐｅｒｍｅａｂｌｅ邋ｌａｙｅｒ逡逑圖４．非承壓含水層橫斷面示意圖（轉(zhuǎn)自Ｂｒｕｔｓａｅｒｔ邋ａｎｄ邋Ｎｉｅｂｅｒ邋［２００５］）逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋４．邋Ｓｋｅｔｃｈ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃｒｏｓｓ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ａｎ邋ｕｎｃｏｎｆｉｎｅｄ邋ｒｉｐａｒｉａｎ邋ａｑｕｉｆｅｒ（ａｆｌｅｒ邋Ｂｒｕｔｓａｅｒｔ邋ａｎｄ邋Ｎｉｅｂｅｒ逡逑［２００５］）逡逑式中Ｘ為水頭，２為縱坐標(biāo)，Ａ為滲透系數(shù)，０為含水層含水率，邊界條件逡逑規(guī)定大致如下，含水層下面的基巖或者隔水層以及流域的分界處，水流通常平逡逑行于邊界或者與地表平行。若《是垂直于邊界的坐標(biāo)，則況／如＝０。地表穿過逡逑邊界的通量９可以用蒸發(fā)量五或者入滲率／表示

圖５．邋ＵＫＩＨ基流分割方法流程圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋５．邋Ｔｈｅ邋ｃｈａｒｔ邋ｆｌｏｗ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＵＫＩＨ邋ｍｅｔｈｏｄ．逡逑（三）數(shù)字濾波器法（ｄｉｇｉｔａｌ邋ｆｉｌｔｅｒ）逡逑數(shù)字濾波器在對長時間序列基流進(jìn)行分割的研宄中非常有效，由于其具有逡逑，，

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