發(fā)布時(shí)間：2020-09-22 19:27

　　 平原河網(wǎng)區(qū)是我國(guó)長(zhǎng)江中下游和珠江三角洲等地區(qū)普遍存在的一種具有獨(dú)特水文與地貌特征的區(qū)域。工農(nóng)業(yè)的高度開發(fā)、人地關(guān)系的高度緊張以及水文特征的特殊性使得這些地區(qū)深受水環(huán)境問(wèn)題困擾。分布式流域水文模型是對(duì)區(qū)域水資源管理與水污染控制進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的有效工具,但平原河網(wǎng)區(qū)具備的大面積平坦地形、密集交織的河網(wǎng)、大量的湖泊與水庫(kù)和成片的圩區(qū)等特點(diǎn)使得傳統(tǒng)的分布式流域水文模型與建模方法在平原河網(wǎng)區(qū)的應(yīng)用受到很大限制。建立適用于平原河網(wǎng)區(qū)的分布式流域水文模型,提出適用于平原河網(wǎng)區(qū)的分布式流域水文建模方法,對(duì)平原河網(wǎng)區(qū)水資源評(píng)價(jià)與水環(huán)境問(wèn)題的應(yīng)對(duì)具有重要意義。本文選擇太湖流域湖西區(qū)為研究區(qū),以平原河網(wǎng)區(qū)水文與地貌特征的GIS分析與表達(dá)、分布式流域水文模擬開展等視角,對(duì)平原河網(wǎng)區(qū)分布式流域水文建模過(guò)程中存在的流域集水單元?jiǎng)澐帧③讌^(qū)水文過(guò)程計(jì)算、交叉/環(huán)狀河道演算三個(gè)瓶頸問(wèn)題進(jìn)行了研究,結(jié)果與結(jié)論如下:(1)提出了一種基于數(shù)字河湖網(wǎng)絡(luò)的平原河網(wǎng)區(qū)流域結(jié)構(gòu)劃分的新方法。該方法通過(guò)構(gòu)建平原河網(wǎng)區(qū)水文空間要素?cái)?shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),搭建起包含平原河網(wǎng)區(qū)真實(shí)河網(wǎng)、湖泊、水庫(kù)和圩區(qū)等要素及它們之間水文拓?fù)潢P(guān)系的數(shù)字河湖網(wǎng)絡(luò)框架,通過(guò)矢量河網(wǎng)流向定義、多流向柵格編碼、坡面柵格流向修正等一系列算法,結(jié)合DEM實(shí)現(xiàn)平原河網(wǎng)區(qū)的集水單元?jiǎng)澐�。該方法�?shí)現(xiàn)了對(duì)平原河網(wǎng)區(qū)交叉/環(huán)狀河網(wǎng)結(jié)構(gòu)、多出入口湖泊與水庫(kù)、多排灌站圩區(qū)的完整表達(dá),可劃分出湖泊、水庫(kù)、圩區(qū)和坡面四種集水單元類型,并建立河段、河流節(jié)點(diǎn)、集水單元之間的上下游拓?fù)潢P(guān)系。在湖西區(qū)的應(yīng)用表明,該方法由于不需再?gòu)腄EM中提取河網(wǎng),而是直接采用真實(shí)的河湖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行流域集水單元的劃分,其結(jié)果能完整保留平原河網(wǎng)區(qū)復(fù)雜的水網(wǎng)結(jié)構(gòu)與流向拓?fù)?并能合理勾畫出流域內(nèi)的湖泊、水庫(kù)、圩區(qū)和坡面集水單元。相對(duì)于傳統(tǒng)D8法和“StreamBurning”法具有很大優(yōu)勢(shì),解決了 D8法內(nèi)在局限性導(dǎo)致的生成偽河網(wǎng)和集水單元?jiǎng)澐植缓侠淼膯?wèn)題,避免了設(shè)定匯流累積閾值不確定性導(dǎo)致河流源頭不準(zhǔn)確的問(wèn)題。(2)針對(duì)平原河網(wǎng)區(qū)的圩區(qū)水文過(guò)程構(gòu)建了圩區(qū)排澇與灌溉模型,并將其集成在被廣泛應(yīng)用的分布式流域水文模型(SWAT模型)中,對(duì)SWAT模型進(jìn)行了改進(jìn)和完善(SWATpld模型)。SWATpld模型通過(guò)計(jì)算圩區(qū)內(nèi)河過(guò)量的積水來(lái)模擬圩區(qū)的排澇過(guò)程,通過(guò)結(jié)合圩區(qū)稻田各階段的需水量與灌溉措施來(lái)模擬圩區(qū)的引水灌溉過(guò)程。SWATpld模型在溧陽(yáng)流域的應(yīng)用結(jié)果表明:1)能夠模擬出圩堤對(duì)自然出流的隔離效應(yīng),阻止了圩內(nèi)外自然的水量交換;2)提供了一種方法能夠?qū)ρ绤^(qū)人為的排澇措施進(jìn)行模擬,自動(dòng)估算圩區(qū)的排澇量;3)考慮了稻田灌溉措施中水層深度的建立,結(jié)合稻田需水量的計(jì)算,模擬從圩區(qū)外河引水至圩內(nèi)灌溉的過(guò)程。圩區(qū)排澇與灌溉模型的構(gòu)建及其與分布式流域水文模型的集成提高了現(xiàn)有分布式流域水文模型在平原河網(wǎng)區(qū)的適用性,解決了現(xiàn)有模型無(wú)法考慮圩區(qū)水文過(guò)程的問(wèn)題。(3)基于平原河網(wǎng)區(qū)的集水單元?jiǎng)澐趾哇讌^(qū)排澇與灌溉過(guò)程模擬,耦合了本研究開發(fā)的SWATpld模型和河道水動(dòng)力HEC-RAS模型,進(jìn)行了平原河網(wǎng)區(qū)坡面/圩區(qū)水文過(guò)程與交叉/環(huán)狀河網(wǎng)水動(dòng)力過(guò)程的聯(lián)合模擬實(shí)驗(yàn)。SWATpld和HEC-RAS耦合模型通過(guò)將流域平坦區(qū)具有完整拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的干流河網(wǎng)單獨(dú)提取進(jìn)行河網(wǎng)水動(dòng)力建模,將SWATpld模型模擬的坡面子流域產(chǎn)流量、圩區(qū)排澇與灌溉水量和較小的支流河道匯流量作為HEC-RAS干流河網(wǎng)水動(dòng)力計(jì)算的邊界條件輸入,模擬得到整個(gè)流域枝狀與交叉/環(huán)狀結(jié)構(gòu)完整河網(wǎng)的水文過(guò)程。耦合模型在溧陽(yáng)流域的應(yīng)用結(jié)果表明,其對(duì)于被概化打斷河段直接影響的下游徑流過(guò)程的模擬精度相對(duì)原SWAT模型和SWATpld模型都有很大的提高,能夠十分準(zhǔn)確地模擬出河道的徑流峰值,對(duì)于流域其它河道徑流的時(shí)間變化趨勢(shì)也有明顯的改善,使流域河網(wǎng)中的水量分配更為合理。SWATpld模型和HEC-RAS模型的水文—水動(dòng)力耦合,應(yīng)用了本研究提出的平原河網(wǎng)區(qū)流域集水單元?jiǎng)澐址椒ê哇讌^(qū)排澇與灌溉模型,既解決了平原河網(wǎng)區(qū)分布式水文建模過(guò)程被迫打斷交叉/環(huán)狀河段、破壞河網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、導(dǎo)致部分河段流量模擬出現(xiàn)嚴(yán)重偏差的問(wèn)題,也解決了河網(wǎng)水動(dòng)力模型的外部與內(nèi)部邊界條件定義的問(wèn)題。
【學(xué)位單位】：南京師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：P333
【部分圖文】：

邐１２０邋４５＂＾逡逑圖２．１太湖流域湖西區(qū)概況圖逡逑溧陽(yáng)流域?qū)儆诤�西區(qū)的西南部分的一個(gè)子流域（圖２．２）。地處江蘇省南緣、逡逑江浙結(jié)合部天目山余脈的北麓，坐標(biāo)范圍為：３Ｐ８Ｗ？３１°４０”，１１９°８汜？１１９°３５＇Ｅ，逡逑包括溧陽(yáng)市大部分地區(qū)，江蘇省宜興市、安徽省郎溪縣和廣德縣部分地區(qū)，流域逡逑面積約為１４４５ｋｍ２。逡逑溧陽(yáng)流域是一個(gè)非閉合的流域，除南邊的宜溧山地和西邊的茅山山地外，其逡逑余兩側(cè)均為開闊的平原區(qū)。流域北側(cè)以丹金溧漕河別橋水文站為界，西南角以胥逡逑河落蓬灣橋水文站和梅渚河姚巷橋水文站為界，東側(cè)以中河山前橋水文站和宜溧逡逑１３逡逑

邐１１９邋４０＇Ｅ逡逑圖２．２溧陽(yáng)流域概況圖逡逑上下西川圩位于溧陽(yáng)流域北部的平坦區(qū)（圖２．２），是南京師范大學(xué)太湖流域逡逑（溧陽(yáng)）水環(huán)境實(shí)驗(yàn)站的圩區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)，也是本研宄選擇的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)圩，其基本屬逡逑性與排灌記錄數(shù)據(jù)用于本文第４章圩區(qū)排澇與灌溉模型的建模與驗(yàn)證。逡逑上下西川圩地處江蘇省溧陽(yáng)市別橋鎮(zhèn)和竹簀鎮(zhèn)交界處，坐標(biāo)為：３１邋°３ｌｆ２５＂Ｎ，逡逑１１９°２４＇３２〃Ｅ，包括楊家灣村、牌樓村、西潘村和清水塘村４個(gè)自然村，面積約逡逑４．７ｋｍ２。圩內(nèi)水田面積占６８％，水面面積占１１％，其余２１％為旱地、居民地、道逡逑路等。圩內(nèi)地勢(shì)平坦，地面高程在３．９￣４．２ｍ之間。逡逑上下西川圩是一個(gè)四周筑堤的封閉圩區(qū)，圩堤北側(cè)鄰接北河，西側(cè)鄰接竹簀逡逑河，東側(cè)鄰接扁擔(dān)河，南側(cè)鄰接牌樓河，堤防周長(zhǎng)９９２３ｍ，堤頂高程６．８－７．５ｍ，逡逑堤頂寬為２．５－５ｍ。圩堤上修筑的排灌站有４座（圖２．３）

邐１１９邋？０＇Ｆ邐１１９邋４０＇Ｅ逡逑圖２．２溧陽(yáng)流域概況圖逡逑上下西川圩位于溧陽(yáng)流域北部的平坦區(qū)（圖２．２），是南京師范大學(xué)太湖流域逡逑（溧陽(yáng)）水環(huán)境實(shí)驗(yàn)站的圩區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)，也是本研宄選擇的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)圩，其基本屬逡逑性與排灌記錄數(shù)據(jù)用于本文第４章圩區(qū)排澇與灌溉模型的建模與驗(yàn)證。逡逑上下西川圩地處江蘇省溧陽(yáng)市別橋鎮(zhèn)和竹簀鎮(zhèn)交界處，坐標(biāo)為：３１邋°３ｌｆ２５＂Ｎ，逡逑１１９°２４＇３２〃Ｅ，包括楊家灣村、牌樓村、西潘村和清水塘村４個(gè)自然村，面積約逡逑４．７ｋｍ２。圩內(nèi)水田面積占６８％，水面面積占１１％，其余２１％為旱地、居民地、道逡逑路等。圩內(nèi)地勢(shì)平坦，地面高程在３．９￣４．２ｍ之間。逡逑上下西川圩是一個(gè)四周筑堤的封閉圩區(qū)，圩堤北側(cè)鄰接北河，西側(cè)鄰接竹簀逡逑河

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