基于WetSpa分布式水文模型的洪水研究

摘要

洪水灾害对人民的正常生活造成极大的影响,所带来的生命和财产损失也是巨大的,所以洪水研究是颇具生命力的研究课题。分布式水文模型由于能够更为真实地揭示自然界降雨径流的形成机理,随着计算机和“3S”技术的发展,成为水文科学的研究热点。应用合适的分布式水文模型进行洪水研究是水文科学研究及多学科交叉研究中的重要课题。论文选取广东省流溪河水库流域为主要研究对象,基于WetSpa分布式水文模型进行洪水模拟、土地利用变化情况下的洪水响应以及设计洪水的推求研究,对该流域的洪水管理、土地的合理规划、水利工程的科学管理具有重要意义。
　　 本研究旨在利用WetSpa模型、雷达测雨、E-FAST全局参数敏感性分析法、PEST独立参数自动率定程序、模型选择准则等技术手段和研究方法,以广东省流溪河水库流域为主要研究对象,基于WetSpa模型对该流域进行洪水研究。为了检验模型和方法的适用性,还选取了广东省黄龙带水库流域、浈江流域、白盆珠水库流域、北江流域的长坝、坪石、犁市、韶关4站以及韩江流域的溪口站等流域和站点作为研究对象,并取得了以下研究成果:
　　 (1)分析基于GIS技术的WetSpa分布式物理水文模型在观测数据比较充分的广东省流溪河水库流域,洪水资料比较短缺、流域面积相对较大的浈江流域,只有一场可靠洪水资料、流域面积不足100km2的黄龙带水库流域的次洪模拟和白盆珠水库流域连续径流模拟的适用情况。流溪河水库流域基于E-FAST参数敏感性分析的模拟,除了峰现时间不够理想外,其余的检验指标说明洪水模拟的总体效果较好。浈江流域,WetSpa仅通过一场洪水进行参数率定,另外3场洪水进行检验,除了低水部分拟合不够好外,洪峰、洪量、洪水过程的高水部分拟合较好。对只收集到一场数据可靠的降雨洪水资料的黄龙带水库流域,可以利用该场洪水的降雨以及流域出口断面的洪水资料进行参数率定。利用1992-1996年的连续日径流进行参数率定,1997-2001年的连续日径流进行模型检验,WetSpa模型对白盆珠水库流域1992-2001年日径流的连续模拟,总的来说效果较好。几个流域的模拟实践说明,WetSpa分布式水文模型在我国南方湿润地区水文拟合性能良好。
　　 (2)通过将雷达观测降雨与WetSpa分布式水文模型耦合,比较雷达降雨和雨量站降雨输入对流溪河水库流域和黄龙带水库流域洪水模拟的影响。流溪河水库流域,雨量站降雨输入的总体模拟效果略好于雷达降雨输入,但也有些评价指标或模拟的水文要素表明雷达降雨输入的模拟效果好。黄龙带水库流域,除了雷达降雨输入模拟的洪峰流量误差有点偏大以外,两种降雨输入的总体模拟效果都比较好。说明了雷达观测降雨数据在流溪河水库流域和黄龙带水库流域的适用性。
　　 (3)以集中了逆海森方法和最速下降法优点的PEST独立参数自动率定程序与人工试错法联合对WetSpa模型进行参数率定,分别对浈江流域以小时为计算时段的次洪水和白盆珠水库流域1992-2001年的日径流进行连续模拟研究,取得比较好的效果。
　　 (4)利用WetSpa模型,研究广东省流溪河水库流域8种土地利用情景下的2次典型洪水过程,定量分析了该流域植树造林的洪水响应。从计算结果可知:将灌木改造成林地和退耕还林都能起到减少洪量和削减洪峰的作用,都能减少该流域的洪水风险。土地利用/植被覆盖变化对小洪水的影响比大洪水大,不同林类对洪水的洪峰和洪量的影响都比较接近。
　　 (5)分别根据流量资料、广东省推理公式法、基于WetSpa模型推求设计洪水洪峰流量,对三种方法计算的结果进行比较。相对推理公式法,基于WetSpa模型推求设计洪水洪峰流量的结果与根据长期流量资料计算结果更接近。基于WetSpa模型法略优于推理公式法推求设计洪水,说明基于WetSpa模型推求设计洪水是可行的。
　　 (6)将较少用于水文的模型选择准则AIC、AICc、BIC和ADC用于广东省珠江三角洲的流溪河站和韩江流域的溪口站以及北江流域的韶关、犁市、坪石、长坝4站的洪峰流量频率分析计算中,对6种常见的频率分布模型进行选择。用具有优良统计特性的参数估计方法--线性矩法,根据各站考虑历史特大洪水的不连续的洪峰流量资料系列计算各频率分布参数。计算结果反映模型选择准则是一种较好的洪水频率分布线型选择方法。

目录

文摘

英文文摘

图表目录

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外相关研究进展

1.2.1 洪水模拟研究进展

1.2.2 土地利用变化的洪水响应研究进展

1.2.3 设计洪水计算研究进展

1.2.4 分布式水文模型研究进展

1.3 分布式水文模型在洪水研究应用中面临的问题

1.3.1 参数率定问题

1.3.2 合适分布式水文模型选用问题

1.3.3 轻视设计洪水推求问题

1.4 论文研究内容与技术路线

1.4.1 研究目的与主要内容

1.4.2 研究技术路线

第2章 wetSpa分布式水文模型原理及模拟方法

2.1 模型简介

2.2 产汇流计算

2.2.1 降雨

2.2.2 植物截留

2.2.3 超渗雨及下渗

2.2.4 填洼及坡面流

2.2.5 植物根系区水量平衡

2.2.6 土壤蒸散发

2.2.7 深层下渗及壤中流

2.2.8 地下水及基流

2.2.9 坡面汇流及河道演进

2.3 模拟输入数据

2.4 小结

第3章 基于WetSpa模型的洪水模拟研究

3.1 引言

3.2 流溪河水库入库洪水模拟

3.2.1 流溪河流域及流溪河水库概况

3.2.2 输入数据及处理

3.2.3 模型参数敏感性分析

3.2.4 模型参数率定和验证

3.2.5 雷达降雨和雨量站降雨输入洪水模拟比较

3.3 黄龙带水库入库洪水模拟

3.3.1 黄龙带水库流域概况

3.3.2 基于ArcVieW3.2的空间分布参数推求

3.3.3 参数率定及评价

3.4 浈江流域洪水模拟

3.4.1 浈江流域概况

3.4.2 基于ArcView3.2的空间分布参数推求

3.4.3 参数率定及评价

3.5 小结

第4章 PEST在wetSpa分布式水文模型参数率定中的应用

4.1 引言

4.2 PEST简介

4.3 PEST算法

4.3.1 非线性模型参数估计

4.3.2 Gauss-Marqllardt-Levenberg算法

4.4 PEST参数优化

4.4.1 参数前处理

4.4.2 确定参数寻优空间和寻优步长

4.4.3 确定迭代终止准则

4.4.4 PEST输入文件

4.5 应用研究

4.5.1 PEST在浈江流域的应用研究

4.5.2 PEST在白盆珠水库流域的应用研究

4.6 小结

第5章 基于wetSpa模型的流域植树造林的洪水响应研究

5.1 引言

5.2 WetSpa模型降雨洪水模拟

5.3 植树造林的洪水响应模拟

5.4 小结

第6章 基于WetSpa模型的设计洪水计算

6.1 引言

6.2 设计洪水计算方法

6.2.1 常用设计洪水计算方法

6.2.2 基于水文模型的设计洪水计算方法

6.2.3 基于wetSpa模型设计洪水计算方法

6.3 流溪河水库设计洪水计算

6.3.1 由流量资料计算设计洪水

6.3.2 广东省推理公式法计算设计洪水

6.3.3 基于wetSpa模型计算设计洪水

6.4 小结

第7章 基于模型选择准则的设计洪水计算

7.1 引言

7.2 模型选择准则

7.3 计算资料

7.4 频率分布模型和参数的估计

7.5 线型的选择

7.6 小结

第8章 主要结论与展望

8.1 主要结论

8.2 创新点

8.3 研究不足与展望

参考文献

攻读博士学位期间的科研成果

致谢