本文關(guān)鍵詞：江漢—洞庭平原流域水文模型與地下水?dāng)?shù)值模型耦合模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《中國(guó)地質(zhì)大學(xué)》 2015年

江漢—洞庭平原流域水文模型與地下水?dāng)?shù)值模型耦合模擬研究

王軍霞  

【摘要】：江漢-洞庭平原地表水分布廣泛,地下水埋深淺,地表水-地下水之間水力聯(lián)系密切。區(qū)內(nèi)有長(zhǎng)江、漢江、湘資沅澧等縱橫交錯(cuò)的河流水系,有洞庭湖、洪湖等330個(gè)左右大小不等的湖泊,有包括三峽大壩、南水北調(diào)中線工程和引江濟(jì)漢等大型水利工程,加上工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活用水,使得該地區(qū)地表水與地下水的交換頻繁、地表水污染和地下水污染嚴(yán)重并相互影響、湖泊生態(tài)環(huán)境受到破壞等一系列環(huán)境問(wèn)題。因此,正確構(gòu)建區(qū)域地表水-地下水耦合數(shù)值模型,定量評(píng)價(jià)地表水-地下水之間的相互轉(zhuǎn)換,為水資源的合理利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支持。本文首先針對(duì)分布式流域水文模型和地下水?dāng)?shù)值模型的一般規(guī)律,結(jié)合江漢-洞庭平原區(qū)域特點(diǎn),分析了分布式流域水文模型和地下水?dāng)?shù)值模型在江漢-洞庭平原地表水-地下水循環(huán)及資源評(píng)價(jià)中的局限性。在此基礎(chǔ)上,研究了分布式流域水文模型與地下水?dāng)?shù)值模型的耦合方法,將研究區(qū)氣象、基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)等基礎(chǔ)資料和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入所建模型,通過(guò)地表實(shí)測(cè)徑流量和長(zhǎng)觀孔地下水位對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別驗(yàn)證。最后對(duì)研究區(qū)水資源進(jìn)行評(píng)價(jià),通過(guò)設(shè)置不同氣候和不同土地利用情景,對(duì)江漢-洞庭平原地表徑流和地下水資源變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)。主要取得以下成果認(rèn)識(shí)：(1)基于SWAT模型和地下水?dāng)?shù)值模型構(gòu)建了分布式流域水文模型與地下水?dāng)?shù)值模型的耦合模型。將地表水模型的水文響應(yīng)單元和地下水模型的網(wǎng)格單元進(jìn)行對(duì)應(yīng),通過(guò)這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系可以將地表水模擬計(jì)算的地下水入滲補(bǔ)給量、蒸發(fā)量、河流和地下水的交換量等水文要素對(duì)應(yīng)傳遞給地下水相應(yīng)的計(jì)算單元。鑒于水文響應(yīng)單元的劃分原則,對(duì)于同一個(gè)水文響應(yīng)單元可能對(duì)應(yīng)不同的水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū),本文提出采用水文地質(zhì)參數(shù)加權(quán)平均方法把水文響應(yīng)單元上的降雨入滲、蒸發(fā)排泄等物理量對(duì)應(yīng)到地下水?dāng)?shù)值模型網(wǎng)格上,從而改變過(guò)去平均分配處理方法的不足。以SWAT模型和MODFLOW模型的源代碼為基礎(chǔ),用FORTRAN90語(yǔ)言編寫(xiě)了耦合模型的程序,實(shí)現(xiàn)了地表水模型與地下水?dāng)?shù)值模型計(jì)算過(guò)程的完全耦合,從而克服了過(guò)去利用GIS對(duì)中間結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換的麻煩。(2)采用耦合數(shù)值模型及軟件,構(gòu)建了江漢-洞庭平原分布式流域水文模型與地下水?dāng)?shù)值模型的耦合模型。利用GIS、RS技術(shù)提取流域內(nèi)水文氣象、地形、土壤、土地利用等模型所需的參數(shù),采用50km2作為子流域面積閾值,將流域分為105個(gè)子流域,676個(gè)水文響應(yīng)單元。以流域內(nèi)多個(gè)站點(diǎn)的降雨、氣溫日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為輸入,對(duì)流域2010.1.1-2013.12.31的日徑流量進(jìn)行模擬,并對(duì)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,確定需要率定的參數(shù)。以202號(hào)子流域所在主河道的水文站2011.7-2013.8年出口流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為參考對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別和驗(yàn)證,結(jié)果表明,各個(gè)站點(diǎn)驗(yàn)證期的模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)均大于0.65,模型確定性(納什)系數(shù)均大于0.5,模擬效果比較理想。(3)利用所建耦合數(shù)值模型,對(duì)江漢-洞庭平原水資源進(jìn)行了評(píng)價(jià)。運(yùn)用識(shí)別和驗(yàn)證后的模型模擬研究流域2010-2013年的水文過(guò)程,輸出月平均徑流成分,并分析了江漢-洞庭平原的各徑流成分比重。結(jié)果表明,地表徑流與基流所占比例相當(dāng),側(cè)向流量(壤中流)所占比重十分微小。從年徑流成分來(lái)說(shuō),基流成分比較穩(wěn)定,全年波動(dòng)不大,只在豐水期有緩和的起伏,在枯水期基流占總徑流的絕大部分。利用耦合模型模擬了研究區(qū)2010-2013年水文過(guò)程,得到這4年的月平均水量平衡分析結(jié)果：月平均降雨量為99.32 mm；地表徑流量為26.88 mm,占降雨量的27.06%；土壤對(duì)地下水補(bǔ)給量為14.91 mm,占降雨量的15.01%；側(cè)向流量為0.20 mm,占降雨量的0.21%；實(shí)際蒸散發(fā)量為55.53 mm,占降雨量的55.91%；土壤水存儲(chǔ)量變化量為1.79 mm,占降雨量的1.81%。蒸散發(fā)是研究區(qū)水量的主要輸出項(xiàng),其次為地表徑流。對(duì)地下水系統(tǒng)而言,從長(zhǎng)觀孔水位過(guò)程擬合來(lái)看,大多數(shù)觀測(cè)井的水位計(jì)算值和實(shí)測(cè)值擬合較好,模擬結(jié)果不理想的少數(shù)觀測(cè)孔,主要因?yàn)檫@些觀測(cè)孔本身就是開(kāi)采井或靠近開(kāi)采井造成的。從水均衡表中可以看出,模型識(shí)別與驗(yàn)證階段各時(shí)期的總流入量和流出量基本相等,符合水均衡要求,各均衡項(xiàng)模擬值與計(jì)算值相對(duì)誤差不超過(guò)6%,說(shuō)明所建模型比較合理。進(jìn)一步分析2013年的水均衡得知,研究區(qū)模擬期內(nèi)的地下水系統(tǒng)補(bǔ)給量中,降雨入滲量最大,占到總補(bǔ)給量的85.67%,其次是地表水體的滲漏補(bǔ)給,所占比例為13.9%,有少量的側(cè)向補(bǔ)給。而地下水的排泄主要是蒸發(fā)排泄和河湖排泄,二者所占比例分別為44.98%和38.69%,人工開(kāi)采占14.59%。這進(jìn)一步說(shuō)明研究區(qū)河流、湖泊等地表水體和地下水聯(lián)系密切、交換頻繁。所建模型也基本反映了研究區(qū)內(nèi)地表水和地下水的聯(lián)系、地下水的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì),能夠反應(yīng)研究區(qū)實(shí)際地表水-地下水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能特征。(4)利用建立的耦合數(shù)值模型,對(duì)不同氣候和不同土地利用條件下江漢-洞庭平原河道徑流量的變化規(guī)律進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè),得到了不同降雨保障率下的地下水均衡結(jié)果。根據(jù)近30年的降雨數(shù)據(jù),取發(fā)生頻率為90%、70%和50%三個(gè)情形的降雨值,保持其它參數(shù)不變,對(duì)江漢-洞庭平原區(qū)域水文過(guò)程進(jìn)行了模擬,得到月平均水量平衡分析結(jié)果及月平均河道總徑流量平衡結(jié)果。利用ENVI軟件處理2013年解譯得到的土地利用數(shù)據(jù),通過(guò)更改部分區(qū)域的分類(lèi)結(jié)果設(shè)置了兩種土地利用模擬情景。以2010-2013年的氣溫和降水為基礎(chǔ),對(duì)9種不同的氣溫和降水組合進(jìn)行徑流量的模擬,得出各年平均河道總徑流量、平均河道總徑流變化量及變化率。從模擬結(jié)果可以看出研究區(qū)的徑流量與氣溫、降水的關(guān)系十分密切。降水量對(duì)流域徑流量的影響比氣溫的影響大。具體來(lái)講,降水量與徑流量呈正相關(guān)關(guān)系,而氣溫與徑流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。究其原因應(yīng)該是降水量的增加相對(duì)增加了地表產(chǎn)流量,從而使徑流量增加；氣溫的增加使流域內(nèi)蒸發(fā)量增加,從而相對(duì)減少了徑流量。論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是：(1)結(jié)合江漢-洞庭平原地表水-地下水循環(huán)特征,指出了SWAT模型和地下水?dāng)?shù)值模型在該地區(qū)應(yīng)用的局限性。進(jìn)一步提出了將地表水文響應(yīng)單元的降雨入滲、蒸發(fā)排泄等信息加權(quán)平均到地下水?dāng)?shù)值模型網(wǎng)格中的方法。建立了基于SWAT模型和地下水?dāng)?shù)值模型的耦合數(shù)學(xué)模型,并基于SWAT模型源代碼和數(shù)值模型源代碼,采用FORTRAN90編寫(xiě)了相應(yīng)的程序。(2)構(gòu)建了江漢-洞庭平原分布式流域水文模型與地下水?dāng)?shù)值模型的耦合模型,為該地區(qū)地表水-地下水聯(lián)合調(diào)配和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：P641;P333
【目錄】：

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中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

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4 柳易林;洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估與生態(tài)功能區(qū)劃[D];湖南師范大學(xué);2005年

5 張振全;洞庭湖區(qū)洪水模擬模型應(yīng)用研究[D];武漢大學(xué);2005年

6 邵惠芳;水文時(shí)空變異性分析方法及其在降水分析中的應(yīng)用[D];清華大學(xué);2005年

7 孟憲萌;濟(jì)寧市地表河流與地下水流耦合模擬與預(yù)測(cè)模型[D];河海大學(xué);2007年

8 賀維;SWAT模型在晉西黃土區(qū)小流域中的應(yīng)用研究[D];北京林業(yè)大學(xué);2007年

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10 黃莉;監(jiān)利河段水沙變化及其對(duì)該河段河床橫斷面形態(tài)影響機(jī)理研究[D];長(zhǎng)江科學(xué)院;2008年

【相似文獻(xiàn)】

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7 趙霞;陳建生;;黑河流域地表水與地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系的幾點(diǎn)質(zhì)疑[A];第八屆全國(guó)同位素地質(zhì)年代學(xué)、同位素地球化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)資料集[C];2005年

8 邱玉洲;董金梅;岳瀟靜;劉建華;李青霞;;膠東地區(qū)地下水地表水聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度初步探討[A];山東水利科技論壇2006[C];2006年

9 鄺白莜;劉如春;;地質(zhì)專(zhuān)家楊鵬儒提出廣州地下水呈過(guò)剩狀態(tài)導(dǎo)致水位上升地質(zhì)變化危及城市安全[A];廣州市老工程師協(xié)會(huì)論文集（第四輯）[C];2008年

10 胡娟;丁國(guó)梁;;淺析阜康市地下水埋藏分布及水位動(dòng)態(tài)[A];中國(guó)水文科技新發(fā)展——2012中國(guó)水文學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集[C];2012年

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2 記者　趙維光 實(shí)習(xí)生 馮靖;[N];文匯報(bào);2006年

3 記者 李競(jìng)立　和光亞;[N];云南日?qǐng)?bào);2009年

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5 記者 李鐵兵;[N];河北經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào);2014年

6 編譯 王悠然;[N];中國(guó)社會(huì)科學(xué)報(bào);2014年

7 朝輝 曉荻 馮建;[N];衡水日?qǐng)?bào);2014年

8 記者 謝宏;[N];大眾科技報(bào);2005年

9 本報(bào)記者　于猛;[N];人民日?qǐng)?bào);2005年

10 謝飛君;[N];中國(guó)建設(shè)報(bào);2004年

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1 王軍霞;江漢—洞庭平原流域水文模型與地下水?dāng)?shù)值模型耦合模擬研究[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué);2015年

2 李英;寧南固原巖鹽礦區(qū)地下水化學(xué)演化及循環(huán)規(guī)律研究[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京);2015年

3 方樟;松原市龍坑水源地水量水質(zhì)演化特征及預(yù)測(cè)研究[D];吉林大學(xué);2011年

4 任軍;南水北調(diào)中線總干渠兩側(cè)地下水風(fēng)險(xiǎn)源特征分析及保護(hù)[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）;2013年

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9 陶建華;沙潁河流域地表水與地下水耦合模擬研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2012年

10 付強(qiáng);河流污染對(duì)地下水的影響實(shí)驗(yàn)與模擬研究[D];長(zhǎng)安大學(xué);2012年

  本文關(guān)鍵詞：江漢—洞庭平原流域水文模型與地下水?dāng)?shù)值模型耦合模擬研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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