【摘要】：清江上游流域出露地層主要是三疊系大冶-嘉陵江組(T1j～T1d)、二疊系長興組(P2c)、二疊系棲霞-茅口組(P1q-P1m)以及寒武-奧陶系((?)～O)。巖性以碳酸巖為主,地表巖溶洼地、漏斗、坡立谷、槽谷廣布,地下落水洞、溶洞、暗河極為發(fā)育。此外,本區(qū)降水充沛,且多暴雨,每年4-10月常有暴雨出現(xiàn),河水因而暴漲暴落,山溪性河流的特征非常明顯。因此對這樣一個典型的巖溶流域的水文過程特征、機理和影響因素進行深入研究有著重要的科學意義。恩施市地處恩施盆地腹地,清江蜿蜒迂回穿城而過。然城區(qū)段河道平緩,防護設施薄弱,加之恩施上游無控制性蓄水工程,使得恩施城區(qū)防洪形勢嚴峻,防洪體系建設亟待提高。本次研究能夠為流域水資源合理開發(fā)利用和城市防洪體系規(guī)劃和設計提供科學依據(jù)。本文以恩施斷面控制的清江流域為研究對象,深入研究了清江恩施斷面以上巖溶流域徑流特征、變化規(guī)律及其影響因素,在此基礎上選擇合理的水文模型和預測方法進行流域水文過程的科學預報。流域邊界是徑流特征分析和預測的基礎,目前對巖溶流域邊界條件的研究較薄弱。巖溶流域一般地表巖溶洼地、漏斗、落水洞極為發(fā)育,巖溶流域邊界位置的確定往往比較困難,本文采用了地下水示蹤試驗的方法對清江流域邊界進行了深入研究,分別在流域西部、南部和北部開展了四次地下水示蹤試驗,得到確定了清江流域西部邊界是以德勝場巖溶槽谷東側(cè)齊岳山背斜核部為界；南部邊界是在花坪以南的地形分水嶺處；北部邊界是在蛤蟆口伏流以北的地形分水嶺處；東部白果壩巖溶地下暗河系統(tǒng)沒有受白果壩背斜控制沿構(gòu)造線向北東方向運動排泄于清江上游大龍?zhí)端畮鞄靺^(qū),而是受恩施城南龍鱗宮地下暗河系統(tǒng)的襲奪匯入清江恩施斷面下游,不屬于清江恩施斷面的控制流域范圍。由此確定的恩施斷面以上的流域面積為2928km2。本次研究根據(jù)清江上游的恩施水站1960-2012年及利川水文站1978-2012年的水文資料逐日的水文資料,采用趨勢分析等水文統(tǒng)計分析法,分析研究清江上游的徑流變化特征及規(guī)律。得到如下結(jié)論：(1)近50年來,清江上游的年平均流量總體上呈下降趨勢,在0.05的顯著性水平上下降趨勢顯著。但在不同的時期,變化趨勢并不完全相同,具有階段性變化的特點。1960-1984年清江上游流域的年平均流量變化比較平穩(wěn),在88.2m3/s上下波動。1985-2012年恩施斷面的年平均流量呈下降趨勢,平均流量從1985年的83.7 m3/s下降到了2012年的65.2 m3/s。(2)近50年來,清江上游枯水期的平均流量呈上升趨勢,主要是12月、1月、2月徑流增加所致。平水期的平均流量總體上有下降趨勢,主要是3月、9月、10月的平均流量減少所致。豐水期的平均流徑流總體上有下降趨勢,主要是5月、6月、7月平均流量減小所致。(3)近50年來,清江上游流域的徑流系數(shù)、徑流模數(shù)及洪峰流量在0.05的顯著水平上顯著下降。徑流系數(shù)從1960年0.64減少到2012年0.55；年徑流模數(shù)從1960年0.0288m3/(km2·s)減少到2012年的0.0223 m3/(km2·s)；洪峰流量從1960年的2030m3/s減少到2012年的861m3/s。(4)近50年來,清江上游巖溶流域的基流變化大致可以分為三個階段。1960-1976年清江上游的基流呈下降趨勢,從1960年的31.9 m3/s增加到1976年的23.6m3/s；1977-2000年基流呈增加趨勢,基流流量從1976年的23.6m3/s增加2000年的35.7m3/s：2001-2012年基流的年平均流量呈下降趨勢。(5)近50年來,清江上游巖溶流域的基流指數(shù)變化大致可分為兩個階段。1960-1976年,基流指數(shù)呈下降趨勢,基流指數(shù)從1960年0.38降低到1976年的0.33,平均值為0.32；1977-2012年基流指數(shù)呈上升趨勢,基流指數(shù)從1976年的0.33增加到2012年的0.44。本次研究根據(jù)清江上游11個雨量站1960-2012年的逐日雨量資料及部分時段雨量資料,分析了不同時間尺度下的降水對徑流的影響。分析水利水電工程建設前后恩施斷面的水文過程,揭示水利水電工程對徑流的影響。采用遙感方法對清江上游土地利用,特別是對植被的變化進行了分析研究,揭示了森林覆蓋率對徑流的影響。(1)降雨是清江上游徑流變化的主要因素,年降雨量的大小決定了徑流量的多少。恩施斷面豐水期、平水期、枯水期降雨與徑流的相關(guān)系數(shù)分別為0.8414、0.7034、0.5422,表明枯平豐期降雨對徑流的影響程度為：豐水期平水期枯水期。主要原因是豐水期和平水期的降雨量相對較多,形成的徑流量大。相比之下,水利水電工程及其他人類活動對徑流的影響程度要弱得多。而在枯水期,特別是12月和1月份降雨量極少,徑流主要依靠地下水來補給。此外,枯期大量徑流儲蓄上游水庫,此時監(jiān)測面的流量大小主要取決于上游水庫的排水量。(2)對50mm/d、100mm/d、160mm/d的暴雨的流量研究發(fā)現(xiàn),各類型降雨下的流量過程線形狀類似,都呈現(xiàn)陡增緩降的形態(tài)。但隨著降雨量不同,流量過程線有著明顯的差異。160mm/d的降雨的流量過程線,增加快,下降也快,呈尖瘦形；50mm/d及l(fā)OOmm/d降雨的流量過程線增加和下降的速度明顯低于160mm/d降雨的流量過程線,屬于矮胖形。(3)160mm/d降雨的流量過程線從起漲點到最大洪峰量經(jīng)歷了約7h；50mm/d與100mm/d降雨的流量過程線起漲點到最大洪峰量為11-12h。同時流量過程線的起-漲-落的過程中大約都是80h。流量過程線這兩個特征時間,共同決定了流量過程線的總體形態(tài)。(4)對車壩河水庫建成前后的降雨與徑流進行相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)水庫修建后年平均流量減少了13m3/s。說明水利水電工程的建設會減少流域內(nèi)的徑流量,主要是由水庫的修建引起的蒸發(fā)量增加以及水庫徑流調(diào)節(jié)所致。(5)對車壩河水庫與大龍?zhí)端畮旖ǔ汕昂?分別選取了降雨量在80mm/d兩次類似的降雨的流量過程線進行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)相同的降雨情況下,在水庫修建后洪峰的滯后時間明顯增加,同時洪峰流量也有所降低。通過對四次降雨的流量過程線進行計算,分別得到四次降雨產(chǎn)生的徑流的總量分別為1.54×1O8m3(車壩河水庫建成前)、1.24×108m3(車壩河水庫建成后)、1.12×108m3(大龍?zhí)端畮旖ǔ汕?、1.00×108m3(大龍?zhí)端畮旖ǔ珊?。表明在相同的降雨條件下,徑流總量反而減少,主要原因是洪峰過程中部分徑流被水庫截留。(6)研究表明清江上游流域的森林覆蓋率是影響基流變化的重要原因,森林覆蓋率與基流及基流指數(shù)呈明顯的正向相關(guān)。因為在植被及地面上枯枝落葉具有滯水作用,增加了降雨入滲,導致基流的增大。在對清江上游巖溶流域徑流特征及影響因素分析的基礎上,采用流域水文模型的方法,構(gòu)建清江上游流域的半分布式水文預報模型(TOPMODEL)。根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查及降雨徑流過程的分析中獲得的水文特性參數(shù),采用短序列高分辨率的典型降雨-水文過程進行模型識別,以及長序列年降雨-水文過程進行了模型校核,在此基礎上預測了二百年一遇暴雨下的恩施斷面的洪峰過程。得到以下幾點結(jié)論：(1)本次研究采用了50mm/d,80mm/d,100mm/d,160mm/d四次典型降雨-水文過程監(jiān)測資料對所構(gòu)建的TOPMODEL模型進行了識別,模擬的洪峰出現(xiàn)的時間及峰值與實測值基本吻合。(2)論文采用2002年的全年降雨-流量過程線對模型進行了校核,結(jié)果表明模擬值與實測值基本一致,年平均流量模擬值為70m3/s、實測值為83.5m3/s,誤差為16%,可以用于流域水文預報。(3)對0.5%頻率暴雨暴雨徑流過程預報表明,兩百年一遇暴雨下恩施斷面的最大洪峰流量為7300m3/s,洪峰滯后時間為16h。特色與創(chuàng)新點：本文通過采用地下水示蹤技術(shù)、水文濾波等新理論和新方法對清江恩施斷面控制流域的邊界條件、河川徑流特征進行了較全面的分析和研究,揭示了自1960年以來流域徑流的變化規(guī)律及影響因素,并在此基礎上首次構(gòu)建了清江上游巖溶流域半分布式流域水文模型(TOPMODEL),運用長序列徑流實測資料和短序列典型降雨～水文過程資料對模型進行了識別和檢驗,并預測得到了極端降雨條件下恩施斷面的洪峰過程,為當?shù)爻鞘蟹篮轶w系建設提供了科學依據(jù)。
【學位授予單位】：中國地質(zhì)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P333;P338

【參考文獻】

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本文編號：2758292