基于DEM的山地森林流域分布式水文模型研究

摘要

森林与水的关系问题一直是森林生态系统研究的关键性课题之一，也是水文循环探索的重要内容，森林生态系统对水分的时空分配、传输转换以及水文循环机制的影响问题是森林水文学研究的核心问题。森林与水的关系十分复杂，它不仅受森林生态系统发展本身的影响，而且还受到山区大气、植物、土壤、地下岩层等空间异质性以及气象因素如降雨、蒸发等时空变化的影响，进一步增加了定量描述森林生态流域径流形成机制和水文响应模式的难度。近几十年来，这一研究领域从传统的对比流域试验发展到从森林生态系统变化、森林对坡面到流域尺度径流形成影响的机理研究，再发展到现在的建立服务于森林植被管理的基于物理过程的分布式水文模型新阶段。 本论文依托国家自然科学基金资助项目“森林流域水文效应的流域尺度作用及分布式水文模型研究”(NO.30271042)，针对高山森林地区的水文特点，利用地理信息系统技术，结合确定性水文模型理论，在新安江三水源概念性水文模型的基础上，建立了反映山地森林流域特点的分布式水文模型。通过对岷江上游的模拟和检验，取得了很好的效果。利用该模型分析了岷江上游森林覆盖率变化对水文过程的响应，为森林的生态工程的建设和森林保护提供科学参考，特别对当前西部以植被恢复为主的生态保护工程具有重要的指导意义。概括起来，本论文的研究主要取得了以下成果： 1.收集和整理岷江上游水文、气象、数字高程模型、数字植被分类分布图、数字土壤分类分布图等资料，建立并分析了岷江上游各水文站所在区间的年降水-径流关系。 2.根据岷江上游的数字高程模型(DEM)，采用网格单流向算法，生成岷江上游的数字水系，并根据水文站的地理位置和河流的汇合口，按自然子流域的划分方法，将整个岷江上游划分成35个子流域；利用地理信息系统，将数字水系与数字土地利用图和数字土壤分布图叠加，将整个岷江上游离散成143个下垫面相对均匀(具有相似水文特性)的水文响应单元。水文响应单元将作为分布式水文模型的基本计算单元。 3.本文提出一种基于多叉树的数字流域拓扑关系算法，该方法将流域中的子流域或网格概化成树形结构的结点图，运用后序遍历算法，在不同的河道集水面积情况下都可快速自动建立子流域或网格间的拓扑关系和汇流演算顺序，解决了复杂流域洪水演算集成问题。 4.针对岷江上游属高山森林地区的特点，提出一种基于三水源新安江模型的山地森林分布式概念性水文模型。在新安江三水源模型的基础上，增加了反映森林植被截留和植被蒸散发结构、森林土壤结构、积雪融雪结构以及冻土计算处理的模块，基本上反映了山区森林的水文特点。将冻土计算按三层土壤模式分层计算，与蒸发计算模型相呼应，也符合土壤水在垂向上的运动规律。通过岷江上游各水文站的模拟和检验，得到了比较好的效果。 5.利用所建立的山地森林分布式水文模型和率定的参数，分析研究了岷江上游土地利用/覆被变化对年、月径流量、径流成分、蒸发量、冻土水量和洪水过程等水文效应的影响。结果表明，随着森林覆盖率的增加，年总径流逐渐减少，汛期的月径流量逐渐减少，非汛期的月径流量有所增加，但由于受冻土的影响，增加幅度不大；洪水流量过程在涨水段和退水前半段也相应减少，在退水的后半段则相反；蒸发量的影响是有林区大于无林区；冻结水量也是有林区大于无林区。 6.利用分布式水文模型，探讨了研究区资料均化情况下水文变量随尺度的变化规律，其结论是年最大洪峰模数和年径流模数在小尺度范围内变动较大，总的趋势是随着流域面积的增大而减小，在达到某一临界值后，两者的变幅明显地缩小，并且各自逐渐趋于一个稳定值。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1引言

1.2分布式水文模型

1.2.1水文数学模型及其分类

1.2.2流域水文模型的发展

1.2.3分布式流域水文模型

1.2.4国外典型的分布式水文模型

1.2.5国内分布式水文模型研究现状与进展

1.2.6 DEM分辨率对流域特征值和径流模拟的影响研究进展

1.2.7流域的离散化方法对径流模拟影响研究进展

1.2.8地理信息系统与遥感技术在分布式水文模型中的应用

1.2.9分布式水文模型存在的问题

1.3森林的水文效应研究

1.3.1森林的水文效应

1.3.2森林水文学的研究内容

1.3.3森林水文学的研究方法

1.3.4森林水文学研究进展

1.4水文尺度研究进展

1.4.1水文尺度的概念

1.4.2水文尺度的分类

1.4.3水文尺度转换途径

1.4.4尺度分析中存在的问题

1.5本论文研究目的

1.6本论文研究的主要内容与技术路线

1.6.1研究内容

1.6.2技术路线

参考文献

第2章岷江上游流域概况及资料情况

2.1自然地理概况

2.2气象特性

2.3径流特征

2.4水文气象资料

2.5降水径流关系

2.6数字高程模型

2.7土地利用情况

2.8土壤资源

2.9水利工程建设情况

2.10小结

参考文献

第3章数字水系的提取及流域离散化研究

3.1数字高程模型(DEM)

3.2基于DEM的数字水系生成

3.2.1 DEM的预处理

3.2.2网格水流方向矩阵计算

3.2.3水流累积矩阵的计算

3.2.4河网提取方法

3.2.5河流分级

3.2.6流域分水线的确定和子流域的划分

3.3基于水文响应单元(HRU)的数字流域离散化研究

3.3.1数字流域的离散化方法

3.3.2水文响应单元(HRU)

3.3.3 HRU划分算法

3.4流域拓扑关系算法研究

3.4.1关系树的概念

3.4.2遍历算法

3.4.3树型结构与流域的对应关系

3.4.4流域扑拓关系算法

3.5 小结

参考文献

第4章基于分布式结构的山地森林水文模型

4.1山地森林地区的主要水文过程

4.1.1林冠对降雨的截留作用

4.1.2森林枯枝落叶层对水分的拦截与吸持

4.1.3积雪与融雪

4.1.4冻土过程

4.1.5水分下渗

4.1.6蒸散发

4.1.7径流产生

4.1.8流量汇流

4.2分布式水文模型结构

4.3单元水文模型

4.3.1林冠截留

4.3.2积雪、融雪计算模型

4.3.3土壤力容量计算模型

4.3.4蒸散发能力计算模型

4.3.5实际蒸散发量的计算

4.3.6冻土冻融计算模型

4.3.7产流模型

4.3.8水源划分

4.4河网汇流演算模型

4.5 岷江上游河道汇流时间

4.6模型参数

4.7小结

参考文献

第5章岷江上游气象要素的插值处理

5.1引言

5.2降雨资料的插值处理

5.2.1降水的空间分布特性

5.2.2雨量插值模型

5.3气温资料的插值处理

5.3.1气温分布特征

5.3.2气温插值处理

5.4小结

参考文献

第6章模型的参数率定与结果分析

6.1指标体系

6.2参数率定方法

6.3率定结果及其分析

6.4紫坪铺站“840624”洪水资料的分析

6.5存在的问题和需要改进的地方

6.6小结

参考文献

第7章森林植被变化对水文过程响应的研究

7.1植被覆盖率情景建立

7.2覆被变化对水文效应及洪水响应的分析

7.2.1年径流影响分析

7.2.2径流成分影响分析

7.2.3蒸发量影响分析

7.2.4冻土量影响分析

7.2.5洪水过程影响分析

7.3小结

参数文献

第8章流域尺度对水文过程的影响

8.1研究方法

8.2数据准备

8.3结果分析

8.4小结

参考文献

第9章结论与展望

9.1主要研究成果

9.2展望

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士期间参加科研情况及获奖情况

声明

致谢

附表3-1水文响应单元划分计算过程表

附表3-2各水文分区与子流域、水文响应单元关联表