基于SAC改进模型的岩溶流域降水—径流过程模拟研究 ——以宜昌泗溪流域为例

论文摘要

我国是世界上岩溶分布面积最广、发育类型最多的国家,因岩溶发育非均一性强,岩溶地区水资源的评价和管理具有很大挑战性。泗溪流域位于三峡库首南岸,是典型的岩溶槽谷流域,流域内水资源时空分布不均、洪涝灾害频繁,严重制约了当地经济社会发展。水文模型是研究流域水循环的主要手段,是流域洪水预报及水资源规划的基础。南方岩溶流域因其岩溶发育强烈,具有高度的非均质性,直接影响和控制水文循环,使得准确刻画岩溶流域水循环的水文模型建立变得更为复杂和困难,尤其地下裂隙、管道的发育使得地下径流在水循环过程中占比大。水文模型对地下径流部分的刻画可分为分布式参数模型和集总式参数模型,分布式参数的水文模型受调查精度的限制,往往难以满足其参数的需求,而集总式参数模型又不能反映流域下垫面非均质的特点。为有效解决该问题,本文比较了国内外岩溶水文模型的优缺点及适用性,在充分研究泗溪流域不同下垫面条件的基础上将其子流域划分三类,每一类选取一个典型流域讨论其降水-径流特点,并以SAC模型为基础,构建了鱼泉洞上寒武系地下暗河系统模块、火麦溪奥陶系表层岩溶泉模块、顺阳溪震旦系岩溶大泉-地下暗河模块,每个模块均具为独立的集总式参数模型,通过类比方法将模块组合为泗溪半分布式模型,进而拓展应用于泗溪流域降水-径流过程刻画、流域水资源时空分布规律评价和洪水预报中。本文充分分析了研究区气象、水文地质、地貌条件及水文监测、钻探、物探、示踪等试验数据,总结泗溪流域岩溶水系统降水-径流过程有以下特征:1、泗溪岩溶流域下垫面条件复杂。大致可分为以鱼泉洞为代表的上寒武系地下暗河型、以火麦溪子流域为代表的奥陶系表层岩溶泉型、以顺阳溪子流域为代表的震旦系岩溶大泉-地下暗河型三种类型。流域内洼地与峡谷两种地貌类型并存2、岩溶发育不均一性强烈。通过流量衰减曲线分析,介质可分为管道-宽大裂隙-裂隙三种主要类型,用释水过程中各介质流量来类比介质的空间大小,发现不同岩溶水系统岩溶发育程度不一致。在不同雨强条件下,各亚态的区别反映了快速流、慢速流两种组分相互转换的现象以及前期系统含水量对降水-径流过程的影响。3、补给方式多样。降水作为主要的补给来源,时空分布不均,降雨递减速率为37.7mm/100m。,降水可以通过落水洞点状补给地下含水层或通过裂隙缓慢面状补给地下水,同时存在洼地内源水与碎屑岩区外源水两种水源补给。4、地下水排泄主要有集中和分散两种排泄方式。集中排泄的泉口流量主要受降雨影响,动态变化达200倍,地下水动态响应时间受含水介质和雨强影响,从1小时到数小时不等。文章重点论述了鱼泉洞地下暗河系统降水-径流过程特点及依此建立的鱼泉洞模块架构,在该模块中,刻画了快速地下径流与慢速地下水径流相互转化和洼地地表径流灌入式补给地下水的过程。结合另外两流域降水-径流特征,相较于鱼泉洞地下暗河模块,在火麦溪模块中取消了快速地下径流部分,在顺阳溪模块又刻画了外源水补给地下水的过程。将模块类比应用到同类下垫面条件的子流域上,组合为半分布式的泗溪模型。模型参数众多,一部分结合其他水文地质实验方法分析降水-径流特征得到定值或率定区间,另一部分通过遗传算法进行率定。三个模块小时流量过程模拟率定期和检验拟合效果良好,最后用甲甲石站总断面监测流量检验泗溪模型的流量过程的拟合效果,NSE系数达0.726,符合丙级洪水预报精度。应用泗溪模型刻画了鱼泉洞系统的岩溶水揭示了岩溶水降水-径流循环过程,探讨了降水对地下水动态响应的规律,得出14mm的有效降雨量值。创新性的从垂向和平面两个方向评价了水资源的时空分布规律及水资源的赋存状态,发现裂隙或宽大裂隙仍是主要储水和释水介质,而表层岩溶带水资源占系统总储水量的0.01%-5.4%,枯水季易引起干旱缺水问题。揭示了泗溪流域强降水所引发的特大洪涝灾害产生的机理。本文中降水-径流物理模式的建立和模型的构建可为研究岩溶槽谷岩溶水文模型的研究提供借鉴,具有一定的理论意义,模型可以用于泗溪流域指导防洪抗灾等基础建设及服务与水资源的合理开发利用,具有一定的实际应用价值。

论文目录

• 作者简历
• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 岩溶槽谷区降雨径流特点
•     1.2.2 水文模型研究综述
•     1.2.3 SAC模型结构及其应用综述
•     1.2.4 存在的问题
•   1.3 研究内容、方法和技术路线
•   1.4 论文创新点
• 第二章 泗溪流域地质环境概况
•   2.1 自然地理概况
•     2.1.1 地理位置
•     2.1.2 地形地貌
•     2.1.3 水系结构特征
•     2.1.4 气象条件
•   2.2 基础地质及水文地质条件
• 第三章 泗溪降水-径流模式及SAC模型的改进
•   3.1 泗溪典型流域划分
•   3.2 泗溪降水-径流特征研究
•     3.2.1 泗溪气象水文监测及特征研究
•     3.2.2 典型流域降水动态响应特征研究
•     3.2.3 典型流域岩溶含水介质及释水过程分析
•     3.2.4 鱼泉洞地下暗河系统降水-径流过程物理模式
•   3.3 模型的结构概述
•   3.4 模型运算关系
•     3.4.1 土壤水或碎屑岩裂隙水子系统
•     3.4.2 坡立谷岩溶裂隙-管道水系统
•   3.5 本章小结
• 第四章 泗溪模型参数率定与检验
•   4.1 模型参数的获取
•   4.2 模型参数敏感性分析
•   4.3 各典型流域模块参数的率定
•   4.4 模型的检验
•     4.4.1 鱼泉洞模块检验
•     4.4.2 泗溪模型组合检验
•   4.5 本章小结
• 第五章 泗溪模型的应用
•   5.1 鱼泉洞系统水文过程规律及影响因素探究
•   5.2 泗溪流域水资源评价
•   5.3 泗溪流域洪水预报
•   5.4 本章小结
• 第六章 结论建议与不足
•   6.1 结论
•   6.2 建议与不足
• 致谢
• 参考文献
• 附录1

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郭绪磊

导师: 周宏

关键词: 岩溶槽谷,改进模型,降水径流过程模拟,洪水预报,水资源评价

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,地质学,工业通用技术及设备

单位: 中国地质大学

分类号: P641;P642.25

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000129

总页数: 105

文件大小: 9122K

下载量: 125