【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)內有長江、漢江、湘資沅澧等縱橫交錯的河流水系,有洞庭湖、洪湖等330個左右大小不等的湖泊,有包括三峽大壩、南水北調中線工程和引江濟漢等大型水利工程,加上工農業(yè)生產和人民生活用水,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)境問題。因此,正確構建區(qū)域地表水-地下水耦合數(shù)值模型,定量評價地表水-地下水之間的相互轉換,為水資源的合理利用和生態(tài)環(huán)境保護提供技術支持。本文首先針對分布式流域水文模型和地下水數(shù)值模型的一般規(guī)律,結合江漢-洞庭平原區(qū)域特點,分析了分布式流域水文模型和地下水數(shù)值模型在江漢-洞庭平原地表水-地下水循環(huán)及資源評價中的局限性。在此基礎上,研究了分布式流域水文模型與地下水數(shù)值模型的耦合方法,將研究區(qū)氣象、基礎地質、水文地質等基礎資料和監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入所建模型,通過地表實測徑流量和長觀孔地下水位對模型進行識別驗證。最后對研究區(qū)水資源進行評價,通過設置不同氣候和不同土地利用情景,對江漢-洞庭平原地表徑流和地下水資源變化進行了預測。主要取得以下成果認識：(1)基于SWAT模型和地下水數(shù)值模型構建了分布式流域水文模型與地下水數(shù)值模型的耦合模型。將地表水模型的水文響應單元和地下水模型的網(wǎng)格單元進行對應,通過這個對應關系可以將地表水模擬計算的地下水入滲補給量、蒸發(fā)量、河流和地下水的交換量等水文要素對應傳遞給地下水相應的計算單元。鑒于水文響應單元的劃分原則,對于同一個水文響應單元可能對應不同的水文地質參數(shù)分區(qū),本文提出采用水文地質參數(shù)加權平均方法把水文響應單元上的降雨入滲、蒸發(fā)排泄等物理量對應到地下水數(shù)值模型網(wǎng)格上,從而改變過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,用FORTRAN90語言編寫了耦合模型的程序,實現(xiàn)了地表水模型與地下水數(shù)值模型計算過程的完全耦合,從而克服了過去利用GIS對中間結果進行轉換的麻煩。(2)采用耦合數(shù)值模型及軟件,構建了江漢-洞庭平原分布式流域水文模型與地下水數(shù)值模型的耦合模型。利用GIS、RS技術提取流域內水文氣象、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個子流域,676個水文響應單元。以流域內多個站點的降雨、氣溫日監(jiān)測數(shù)據(jù)作為輸入,對流域2010.1.1-2013.12.31的日徑流量進行模擬,并對參數(shù)進行敏感性分析,確定需要率定的參數(shù)。以202號子流域所在主河道的水文站2011.7-2013.8年出口流量實測數(shù)據(jù)作為參考對模型進行識別和驗證,結果表明,各個站點驗證期的模擬值與實測值的相關系數(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,對江漢-洞庭平原水資源進行了評價。運用識別和驗證后的模型模擬研究流域2010-2013年的水文過程,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。結果表明,地表徑流與基流所占比例相當,側向流量(壤中流)所占比重十分微小。從年徑流成分來說,基流成分比較穩(wěn)定,全年波動不大,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年水文過程,得到這4年的月平均水量平衡分析結果：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%；土壤對地下水補給量為14.91 mm,占降雨量的15.01%；側向流量為0.20 mm,占降雨量的0.21%；實際蒸散發(fā)量為55.53 mm,占降雨量的55.91%；土壤水存儲量變化量為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,其次為地表徑流。對地下水系統(tǒng)而言,從長觀孔水位過程擬合來看,大多數(shù)觀測井的水位計算值和實測值擬合較好,模擬結果不理想的少數(shù)觀測孔,主要因為這些觀測孔本身就是開采井或靠近開采井造成的。從水均衡表中可以看出,模型識別與驗證階段各時期的總流入量和流出量基本相等,符合水均衡要求,各均衡項模擬值與計算值相對誤差不超過6%,說明所建模型比較合理。進一步分析2013年的水均衡得知,研究區(qū)模擬期內的地下水系統(tǒng)補給量中,降雨入滲量最大,占到總補給量的85.67%,其次是地表水體的滲漏補給,所占比例為13.9%,有少量的側向補給。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%,人工開采占14.59%。這進一步說明研究區(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)內地表水和地下水的聯(lián)系、地下水的運動特點及動態(tài)變化趨勢,能夠反應研究區(qū)實際地表水-地下水系統(tǒng)的結構與功能特征。(4)利用建立的耦合數(shù)值模型,對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)律進行了模擬預測,得到了不同降雨保障率下的地下水均衡結果。根據(jù)近30年的降雨數(shù)據(jù),取發(fā)生頻率為90%、70%和50%三個情形的降雨值,保持其它參數(shù)不變,對江漢-洞庭平原區(qū)域水文過程進行了模擬,得到月平均水量平衡分析結果及月平均河道總徑流量平衡結果。利用ENVI軟件處理2013年解譯得到的土地利用數(shù)據(jù),通過更改部分區(qū)域的分類結果設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,對9種不同的氣溫和降水組合進行徑流量的模擬,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。從模擬結果可以看出研究區(qū)的徑流量與氣溫、降水的關系十分密切。降水量對流域徑流量的影響比氣溫的影響大。具體來講,降水量與徑流量呈正相關關系,而氣溫與徑流量呈負相關關系。究其原因應該是降水量的增加相對增加了地表產流量,從而使徑流量增加；氣溫的增加使流域內蒸發(fā)量增加,從而相對減少了徑流量。論文主要創(chuàng)新點是：(1)結合江漢-洞庭平原地表水-地下水循環(huán)特征,指出了SWAT模型和地下水數(shù)值模型在該地區(qū)應用的局限性。進一步提出了將地表水文響應單元的降雨入滲、蒸發(fā)排泄等信息加權平均到地下水數(shù)值模型網(wǎng)格中的方法。建立了基于SWAT模型和地下水數(shù)值模型的耦合數(shù)學模型,并基于SWAT模型源代碼和數(shù)值模型源代碼,采用FORTRAN90編寫了相應的程序。(2)構建了江漢-洞庭平原分布式流域水文模型與地下水數(shù)值模型的耦合模型,為該地區(qū)地表水-地下水聯(lián)合調配和生態(tài)環(huán)境保護提供技術支持。
【學位授予單位】：中國地質大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P641;P333

【參考文獻】

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本文編號：2754812