本文選題：高寒山區(qū)　切入點(diǎn)：河道徑流　出處：《中國地質(zhì)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：在世界范圍內(nèi),高寒山區(qū)多是大型河流的水源區(qū)。高寒山區(qū)各水文要素對(duì)氣候變化的響應(yīng)非常敏感,并通過徑流過程的變化將這種響應(yīng)傳遞到中、下游,從而對(duì)整個(gè)流域的水量和水質(zhì)產(chǎn)生影響。因此,對(duì)源于高寒山區(qū)的河流,其徑流形成機(jī)制研究十分重要。在北極和亞北極山區(qū),冰川和積雪融水對(duì)河道徑流有著顯著的貢獻(xiàn),但在中低緯度高寒山區(qū),降雨仍是河道徑流的主要來源。因此,降雨轉(zhuǎn)化成河道徑流的過程與機(jī)制是高寒山區(qū)水文學(xué)研究的重要內(nèi)容。我國西北地區(qū)大型內(nèi)陸河跨高寒山區(qū)和干旱區(qū),其特殊的山地-盆地結(jié)構(gòu)決定了山區(qū)是徑流的形成區(qū),而盆地是徑流的耗散區(qū),盆地內(nèi)降水很少。開展高寒山區(qū)河道徑流水分來源的季節(jié)變化特征研究和降雨-徑流的形成機(jī)制研究,對(duì)認(rèn)清內(nèi)陸河流域水資源的形成與轉(zhuǎn)化有著重要意義,是西北地區(qū)合理利用水資源,緩解水資源短缺現(xiàn)狀的科學(xué)基礎(chǔ)。綜合上述背景,本論文選取黑河上游紅泥溝小流域?yàn)榈湫脱芯繀^(qū),基于環(huán)境同位素和反應(yīng)溶質(zhì)示蹤劑,分析紅泥溝河道徑流補(bǔ)給來源的季節(jié)變化特征,并選取夏季典型降雨-徑流事件,定量識(shí)別河道徑流水分來源和流動(dòng)路徑的動(dòng)態(tài)變化。在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建基于物理過程的分布式降雨-徑流模型,以期為高寒山區(qū)徑流形成機(jī)制的分析、氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流過程的影響預(yù)測及流域水資源的科學(xué)管理等提供依據(jù)。論文主要開展了以下四個(gè)方面研究：1.環(huán)境同位素指示的河道徑流水分來源的季節(jié)性變化基于紅泥溝小流域內(nèi)河水、地下水、土壤水(含地下冰)、降雨和融雪水δ18O值的年內(nèi)變化,推斷河道徑流水分來源及其季節(jié)變化為：春季解凍期間(3-5月),凍土融水為河水主要補(bǔ)給來源；在夏季(6-9月),降雨及其轉(zhuǎn)化形成的坡面流和驅(qū)動(dòng)的地下水流為河道徑流主要補(bǔ)給來源；秋初過渡階段(9月底-10月中旬),河水主要源于夏末時(shí)由降雨補(bǔ)給并存儲(chǔ)在流域內(nèi)的地下水：秋季凍結(jié)期間(10月中旬-11月份底),河水主要源于凍土凍結(jié)過程中還未轉(zhuǎn)化為地下冰、仍以液態(tài)形式流動(dòng)的殘留地下水,因液-固相轉(zhuǎn)變過程中同位素分餾,該水源δ180值極低。2.環(huán)境同位素和反應(yīng)示蹤劑指示的降雨-徑流事件的形成過程總體來看,對(duì)于各典型降雨-徑流事件,事件水對(duì)河道徑流的貢獻(xiàn)較小(20%-40%),且僅約10%～18%以地面徑流形式進(jìn)入河道；儲(chǔ)留的前期降雨對(duì)徑流貢獻(xiàn)較大(600%～80%),且經(jīng)歷過地下過程,以地下徑流或回歸流形式進(jìn)入河道。在降雨-徑流事件的不同階段,河道徑流的水分來源和形成機(jī)制存在差異：(1)事件初期,到達(dá)地面的降雨主要用于填補(bǔ)土壤水分虧損,難形成坡面流,事件前水對(duì)河道徑流的貢獻(xiàn)接近100%。(2)事件中后期,降雨在非飽和區(qū)下滲補(bǔ)給地下水,導(dǎo)致潛水面上升,坡腳處的飽和區(qū)面積增大,或地下水與河水間水力梯度增大,地下水向河道的補(bǔ)給量增大,即“事件水驅(qū)趕事件前水進(jìn)入河道”；同時(shí),隨土壤水分虧損得到彌補(bǔ)和地面洼地填滿,開始形成超滲和超蓄產(chǎn)流。因此,該時(shí)段內(nèi)事件水和事件前水對(duì)河道徑流的貢獻(xiàn)量都增加,但事件前水的相對(duì)比例有所下降,而事件水的相對(duì)貢獻(xiàn)增加。(3)降雨結(jié)束后,徑流事件仍持續(xù)一段時(shí)間,但因事件水對(duì)事件前水的驅(qū)替作用下降,故兩者對(duì)河道徑流的貢獻(xiàn)量都下降,但事件前水所占比例逐漸上升。3.黑河上游山區(qū)草原帶小流域產(chǎn)匯流概念模型通過環(huán)境同位素和反應(yīng)示蹤劑對(duì)紅泥溝小流域河道徑流形成過程,特別是夏季降雨-徑流過程的示蹤研究,提出了產(chǎn)匯流概念模型。(1)流域基底為二疊與白堊紀(jì)砂巖、泥巖和泥質(zhì)砂巖,順坡形成良好的隔水底板,地下徑流(地下水和壤中流)的賦存和運(yùn)移被限制在上覆的薄層殘坡積物內(nèi)(約1-4m厚)。自坡頂向下,殘坡積層厚度變大,但顆粒變細(xì),滲透性由強(qiáng)變?nèi)?導(dǎo)致山坡中、上部為接受降雨入滲補(bǔ)給的非飽和區(qū),山坡下部為飽和區(qū),在河流兩岸形成雨季淹水的濕地。(2)降水在山坡中、上部入滲,受淺埋的隔水基巖阻隔,以地下徑流的形式向下部匯集,在坡腳受弱透水層或季節(jié)性凍土層(夏初)阻隔,溢出地表形成坡面流,經(jīng)河岸濕地匯集到河道中。(3)流域內(nèi)兩個(gè)主要儲(chǔ)水單元(山坡中、上部的薄層狀粗顆粒殘坡積物和下部細(xì)顆粒殘坡積物上面的河岸濕地)的容量有限,在冬季時(shí)都處于凍結(jié)狀態(tài),無液態(tài)水釋出,導(dǎo)致河道斷流；春季時(shí)地下冰逐漸消融,釋出的重力水以淺層地下徑流或坡面流形式向河道匯集,河道復(fù)流,但水量有限；在秋季時(shí),河岸濕地中儲(chǔ)存的地表徑流和淺層地下徑流首先凍結(jié),河水以基流補(bǔ)給為主,隨山坡殘坡積物中的地下徑流也逐漸凍結(jié),河道徑流進(jìn)一步減小,直至完全斷流。(4)由于流域儲(chǔ)水能力有限、河岸濕地具有快速輸水能力且流域內(nèi)普遍分布導(dǎo)水能力極強(qiáng)的有機(jī)層,這導(dǎo)致夏季的降雨-徑流過程具有如下特點(diǎn)：水在流域內(nèi)的滯留時(shí)間和流程都較短；徑流對(duì)降雨的響應(yīng)非常迅速和顯著；環(huán)境同位素和反應(yīng)示蹤劑的濃度與徑流量的動(dòng)態(tài)變化具有較好的一致性。4.分布式降雨-徑流模型的構(gòu)建及徑流水分來源模擬在提取研究區(qū)數(shù)字高程模型(DEM)的基礎(chǔ)上,結(jié)合高分辨率激光雷達(dá)DEM點(diǎn)云數(shù)據(jù),利用ArcGIS10軟件生成研究區(qū)的DEM。在ArcGIS水文模塊輔助下對(duì)區(qū)域DEM進(jìn)行水文分析,獲取了紅泥溝小流域邊界范圍及其水系和植被覆蓋情況。進(jìn)而,論文基于已構(gòu)建的產(chǎn)匯流概念模型,以紅泥溝流域的降水、徑流觀測資料為基礎(chǔ),結(jié)合流域空間屬性的調(diào)查結(jié)果,利用MIKE SHE軟件構(gòu)建了研究區(qū)的降雨-徑流模型,并利用次降雨-徑流事件的觀測數(shù)據(jù)和示蹤結(jié)果進(jìn)行模型參數(shù)的率定和模型驗(yàn)證,率定結(jié)果顯示NSE系數(shù)為0.89,相關(guān)性系數(shù)(R2)為0.8594,驗(yàn)證結(jié)果顯示次降雨徑流和月徑流的NES系數(shù)為0.75和0.74,相關(guān)系數(shù)(R2)為0.7563和0.8158,表明模型可對(duì)流域的降雨徑流事件進(jìn)行有效預(yù)測。與此同時(shí),論文對(duì)徑流水分來源進(jìn)行了模擬,發(fā)現(xiàn)月降雨-徑流模擬期內(nèi),地下徑流對(duì)河道徑流的貢獻(xiàn)比例約為80%,而次降雨-徑流事件中地下徑流的貢獻(xiàn)比例約為65%,與同位素分割方法得到的結(jié)果較為一致(相差10%),證明了該模型的有效性。論文特色與創(chuàng)新之處：(1)本研究將環(huán)境同位素和反應(yīng)溶質(zhì)示蹤技術(shù)與基于物理過程的分布式徑流模型相結(jié)合,通過其結(jié)果的對(duì)比和相互驗(yàn)證,以提高降雨徑流形成過程和機(jī)制的研究精度,為常規(guī)物理觀測十分困難的偏遠(yuǎn)高寒山區(qū)的水文過程研究提供了新思路。(2)黑河上游及至整個(gè)青藏高原都廣泛分布以“薄層殘坡積物+河岸濕地”為主要儲(chǔ)水單元的源頭流域。本研究所選擇的紅泥溝小流域是其中的典型代表,對(duì)該流域內(nèi)降雨匯流路徑及其與不同蓄水單元相互作用的研究,以及據(jù)此構(gòu)建的降雨徑流產(chǎn)、匯流概念模型,可為高寒山區(qū)同類小流域水文過程的研究提供參考。
[Abstract]:In this paper , it is very important to study the seasonal variation characteristics of river runoff in high - cold mountain areas , and to select typical rainfall - runoff events in the north of China .
In summer ( June - September ) , the slope flow and driven groundwater flow formed by rainfall and its transformation are the main recharge sources of river runoff .
During the transitional stage of autumn ( end of September - mid - October ) , the river water mainly comes from the recharge of rainfall and the underground water stored in the basin . During the freezing period of autumn ( mid - October - November ) , the river water mainly originates from the residual groundwater flowing in the liquid form , which is very low in the process of liquid - solid phase transition .
In the early stage of the incident , the rainfall is mainly used to fill up the water deficit of the river , it is difficult to form the slope .
This paper puts forward a conceptual model of runoff .
In spring , the underground ice is gradually ablated , and the released gravity water is collected by shallow underground runoff or slope flow to the river channel , and the river is complex , but the water quantity is limited ;
At the time of autumn , the surface runoff and the shallow groundwater runoff stored in the wetland of the river bank are firstly frozen , the river water is supplemented by the base flow , the underground runoff in the slope residual slope is gradually frozen , and the river runoff is further reduced until the complete cut - off . ( 4 ) Because the water storage capacity of the river basin is limited , the river bank wetland has the characteristics of rapid water transmission capacity and the water drainage capacity is very strong in the river basin , which leads to the rainfall - runoff process in summer having the characteristics that the residence time and the flow of the water in the river basin are short ;
The response of runoff to rainfall is very rapid and remarkable ;
The results show that the model can effectively predict the rainfall runoff in the basin . The results show that the model can effectively predict the rainfall runoff in the basin .

【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P333

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本文編號(hào)：1687944