本文關(guān)鍵詞：非飽和—飽和帶水流時空變異性研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：水文系統(tǒng)是一個復雜的動態(tài)系統(tǒng),系統(tǒng)中水文變量的時空變異性是水文學的重要研究內(nèi)容。研究水文變量的變異特征、相互關(guān)系及影響因素有助于加深對流域各水文過程乃至整個水文循環(huán)的認識,深刻理解其對流域水環(huán)境與水生態(tài)的影響。以往的研究多集中于水文循環(huán)中的某些水文變量,如降水、河流徑流、近地表土壤含水率或地下水位等,或是研究某幾個有限變量,如降水和河流徑流、降水和地下水位等,未能對流域水循環(huán)中的諸多重要變量進行完整刻畫,對各變量之間的相互關(guān)系及演化過程亦很少涉及。例如,降水滲入土壤,在包氣帶中向下運動至潛水面并在含水層中進一步向下運動的過程中,水流的時間相關(guān)性如何變化?地表入滲、地下水補給以及地下水向河流的基流排泄是怎樣的時間隨機過程?這些都是目前水文學關(guān)注、正在研究的科學前沿問題。針對這些問題,本文開展了以下研究。首先,基于對非飽和.飽和系統(tǒng)(USS)水流的矩方程進行數(shù)值求解和蒙特卡洛模擬,研究水流在系統(tǒng)垂向上的時空變化特征,對壓力水頭(ψ)和流量(q)的時間序列、方差、自協(xié)方差/自相關(guān)函數(shù)和功率譜進行了分析。系統(tǒng)頂部(即地表面)接受降水入滲,水流經(jīng)非飽和帶到達飽和帶,最終通過左下部的定水頭邊界(如河流或湖泊)向外排泄。結(jié)果表明：在均質(zhì)系統(tǒng)、白噪聲入滲條件下,USS中水流的波動為時空非平穩(wěn)。時間上的非平穩(wěn)由確定性的初始條件引起,空間上的非平穩(wěn)由系統(tǒng)的阻尼作用和邊界條件引起。水流的自相關(guān)性隨時空變化：時間越長,滲透深度越大,ψ口q的自相關(guān)性越好。USS是一個低通濾波器,對水流波動具有阻尼作用且阻尼作用隨深度增加而減弱。介質(zhì)非均質(zhì)性加劇了系統(tǒng)中水流的波動,是水流波動的主要來源,非均質(zhì)性減弱水流波動的短期相關(guān)性。其次,對不同參數(shù)的短期相關(guān)入滲和分形入滲、不同飽和滲透系數(shù)以及不同初始條件下均質(zhì)USS中水流的時空變化進行了研究。短期相關(guān)入滲的相關(guān)尺度(λ1)不改變ψ(t)方差函數(shù)的基本構(gòu)成階段(即平穩(wěn)性的構(gòu)成階段),僅改變各階段的長短,尤其是非平穩(wěn)階段的長度；λI不改變系統(tǒng)阻尼作用的基本形式,僅改變其強度；λI不改變ψ(t)的相關(guān)性結(jié)構(gòu),僅影響功率譜不同頻段的長短及相關(guān)性大小。分形入滲的相關(guān)性強度(β)可改變ψ(t)的平穩(wěn)性：隨β增大,ψ(t)的非平穩(wěn)階段逐漸增長,最終演變?yōu)榉瞧椒�(wěn)過程；β可改變系統(tǒng)阻尼作用的形式；β可改變ψ(t)的相關(guān)性結(jié)構(gòu),隨著β增大,ψ(t)由短期相關(guān)逐漸演變?yōu)殚L期相關(guān),即時間分形。系統(tǒng)飽和滲透系數(shù)(Ks)不改變ψ(t)平穩(wěn)性的基本構(gòu)成階段,只改變各階段的長短；Ks不改變系統(tǒng)阻尼作用的基本形式,只改變其強度；Ks對ψ(t)的相關(guān)性結(jié)構(gòu)有顯著影響但不能根本改變；且這些影響與短期相關(guān)入滲造成的影響有所不同,Ks對ψ(t)的短期相關(guān)性有顯著影響,而入滲形式對長期波動的影響更為顯著。初始條件的影響時間有限,不改變ψ(t)的相關(guān)性結(jié)構(gòu)。最后,基于內(nèi)華達山脈北部Sagehen Creek流域的地表水-地下水耦合模型,對該流域的降水(P)、(地表)入滲(I)、(實際)蒸散發(fā)(ET)、(地下水)補給(R)、(河流)基流(BF)、河流徑流(SF)以及地下水位(GL)和土壤含水率(SM)的時空變化進行了研究。時間序列和譜分析的結(jié)果顯示：流域尺度的P、I、ET、R、BF和SF及水文響應單元尺度的P、I、ET和R均為時間分形；GL亦是時間分形；但是ET、R、BF和GL的譜在低頻處存在折點。SM的譜存在明顯的折點,在高頻處有單一的時間尺度性,在低頻處趨向白噪聲。ET、R、BF和SM的折點是由非飽和帶對水流不同頻段阻尼作用的強度不能保持冪律一致、在低頻處極為微弱造成的,GL的折點則主要由河流的邊界效應引起。水文系統(tǒng)對所有的水文變量均是低通濾波器,除土壤含水率外也是分形濾波器,對水文變量的時間波動具有阻尼作用：水文變量在流域水循環(huán)中越深入,其時間相關(guān)性越大,順序為PISFETRBF以及SMGL.SF的組成包括了降水、地表徑流、壤中流和基流等,其相關(guān)性是這些過程的綜合反映。植被層和地面的阻尼作用最弱,非飽和帶的阻尼作用最為強烈。該流域P和I是分數(shù)高斯噪聲；ET、R、BF和SF是分數(shù)布朗運動；GL主要是二階分數(shù)布朗運動。GL的時間相關(guān)性在遠離河流的區(qū)域基本一致,但由于河流邊界效應的影響,相關(guān)性向河逐漸減小。水文系統(tǒng)中響應信號(如地下水位、河水位)的相關(guān)性大于輸入信號(如地下水補給、河流徑流量)的相關(guān)性。
【關(guān)鍵詞】：非飽和-飽和系統(tǒng) 時空變異性 時間尺度性 數(shù)值矩方法 譜分析
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P333
【目錄】：

• 摘要6-9
• Abstract9-15
• 第一章 緒論15-35
• 1.1 研究背景15-17
• 1.2 相關(guān)概念17-19
• 1.3 研究方法19-23
• 1.4 研究現(xiàn)狀23-30
• 1.4.1 水文變量時間相關(guān)性研究現(xiàn)狀23-29
• 1.4.2 水文變量時間相關(guān)性應用現(xiàn)狀29-30
• 1.5 存在問題30-31
• 1.6 研究內(nèi)容31-32
• 1.7 主要創(chuàng)新點32-35
• 第二章 均質(zhì)非飽和-飽和系統(tǒng)中水流時空變異性35-61
• 2.1 概念模型35-36
• 2.2 數(shù)學模型36-38
• 2.3 矩方程推導38-45
• 2.4 參數(shù)設置和方程求解45-47
• 2.5 蒙特卡洛模擬47
• 2.6 結(jié)果與討論47-58
• 2.6.1 時間序列47-49
• 2.6.2 方差函數(shù)49-50
• 2.6.3 自相關(guān)函數(shù)50-57
• 2.6.4 功率譜密度函數(shù)57-58
• 2.7 小結(jié)58-61
• 第三章 非均質(zhì)非飽和-飽和系統(tǒng)中水流時空變異性61-79
• 3.1 矩方程62-69
• 3.2 方程求解和蒙特卡洛模擬69-71
• 3.3 結(jié)果與討論71-76
• 3.3.1 時間序列71
• 3.3.2 方差函數(shù)71-73
• 3.3.3 自協(xié)方差函數(shù)73-75
• 3.3.4 功率譜密度函數(shù)75-76
• 3.4 小結(jié)76-79
• 第四章 入滲形式、滲透性和初始條件對水流時空變異性的影響79-115
• 4.1 入滲形式80-100
• 4.1.1 指數(shù)型協(xié)方差的平穩(wěn)高斯過程80-91
• 4.1.2 分數(shù)高斯噪聲和分數(shù)布朗運動入滲91-100
• 4.2 滲透性100-106
• 4.2.1 時間序列100-101
• 4.2.2 方差函數(shù)101-103
• 4.2.3 自相關(guān)函數(shù)103
• 4.2.4 功率譜密度函數(shù)103-104
• 4.2.5 小結(jié)104-106
• 4.3 隨機初始條件106-113
• 4.3.1 隨機初始條件的準備106-109
• 4.3.2 時間序列109
• 4.3.3 方差函數(shù)109-111
• 4.3.4 功率譜密度函數(shù)111-112
• 4.3.5 小結(jié)112-113
• 4.4 小結(jié)113-115
• 第五章 典型流域各水文變量時空變異性115-135
• 5.1 研究區(qū)概況117
• 5.2 GSFLOW模型簡介117-119
• 5.3 數(shù)據(jù)和方法119-122
• 5.4 結(jié)果與討論122-134
• 5.4.1 流域各水文變量的時間變化和時間尺度性結(jié)構(gòu)122-125
• 5.4.2 HRU各水文變量時空變化和時間尺度性結(jié)構(gòu)125-127
• 5.4.3 土壤含水率的時空變化和時間尺度性結(jié)構(gòu)127-128
• 5.4.4 地下水位的時空變化和時間尺度性結(jié)構(gòu)128-133
• 5.4.5 地表徑流的時空變化和時間尺度性結(jié)構(gòu)133-134
• 5.5 小結(jié)134-135
• 第六章 結(jié)論與展望135-137
• 6.1 結(jié)論135-136
• 6.2 研究展望136-137
• 參考文獻137-149
• 附錄Ⅰ149-152
• 附錄Ⅱ152-161
• 致謝161-163
• 作者簡介163-165

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本文編號：387672