中国西部湿润山区小流域水文响应过程——以四川龙溪河流域为例

摘要

我国是多山国家，山丘区面积占陆地国土面积的2/3。受东亚季风气候和陡峭地形等因素影响，山洪灾害频发，对社会生产生活造成极大损失，近年来山洪灾害防治已经成为我国防灾减灾工作的核心内容之一。山洪通常发生在流域面积在200平方公里以内的小流域。受流域内的气象、地质（土壤）、地形地貌、水系、植被和土地利用等条件的影响，山洪小流域的水文响应呈现出复杂的时空分布特征。合理表达流域水文响应的物理机制，模拟和预报山洪形成过程，揭示山洪的时空变化特性，不仅具有重要的科学意义，对提高防灾减灾技术水平也具有重要实践意义。
　　我国西部的湿润山区流域一直以来是山洪灾害的易发区和多发区。2008年的汶川地震导致地表条件破坏、滑坡泥石流频发，进一步加剧了震区的山洪危害。本文以震区的典型山洪流域——四川省都江堰市龙溪河流域为对象，开展水文观测和水文模拟研究，探讨流域内的水文响应机理、不同尺度流域上的水文响应特征以及地震事件对山洪的影响。得到以下主要认识:
　　(1)小流域的水文响应机理与径流系数异常现象。发现小流域的产流机制主要包括蓄满产流和浅层地下水出流，地表产流区域主要集中在河道及其周边。坡面上的降雨基本下渗，并在土壤中形成浅层地下径流，于河道及其周边区域出渗后汇入河道。浅层地下水出流在流域总径流中所占比例较大，在雨季末期时可达到69％，但随降雨的增强或初始含水量的减小会有所降低。这一产流机制解释了观测时间段内碱坪沟流域（为龙溪河流域的子流域，面积约3平方公里）的径流系数达到3.29的异常现象;除去非本次降雨所产生的地下水出流成分，观测时段内的实际径流系数约0.68。
　　(2)小流域径流峰值～降雨量的非线性激增行为。发现径流峰值随降雨量的增加存在非线性激增现象，主要可分为两种类型:一种为径流峰值～降雨量关系可用幂函数表示，此时径流组成中浅层地下水出流占主导;另一种为径流峰值～降雨量关系可由两段斜率不同的线性函数表示，即径流峰值～降雨量关系存在闽值行为，在降雨量达到某一阈值后，径流增加急剧变快，此时径流组成中蓄满产流占主导。第二类非线性激增关系中的降雨量阈值并不固定，随着流域初始条件的不同而变化，流域初始土壤含水量越大，该阈值越小。
　　(3)小流域水文响应特征的空间尺度依赖性。对比龙溪河流域和流域内各支沟小流域，发现在同样的降雨和初始条件下，流域水文响应特征具有空间尺度依赖性。流域汇水面积增加，径流系数减小;降雨量增大，径流系数增大;流域汇流面积越小，径流系数对降雨量越敏感，即在同等降雨增量条件下，汇流面积越小的流域的径流系数增量越大。
　　(4)2008年汶川地震对山洪的影响。震后滑坡泥石流灾害所带来的下垫面变化导致了流域内的山洪特性变化，在流域内局部地区的表现更为明显，局部山洪危害增加。针对碱坪沟流域，相同频率暴雨下，震后的流量峰值普遍比震前增大约7％;震后75年一遇暴雨即可产生相当于震前100年一遇暴雨的洪水，震后140年一遇暴雨可产生相当于震前200年一遇暴雨的洪水。随着暴雨规模的增强，震后下垫面变化所致的流量峰值增量也随之增加。200年一遇暴雨导致的流量峰值增量是10年一遇暴雨导致增量的1.5倍。
　　上述研究成果初步揭示了西部湿润山区小流域的水文响应特性与机理，加深了对山洪小流域水文规律的认识，可为山洪小流域的洪水预报预警提供科学支撑。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 水文响应过程研究现状

1．2．2 水文响应过程影响因素

1．2．3 水文响应过程的研究方法

1．2．4 流域的暴雨山洪特性研究现状

1．3 研究意义

1．4 本文主要内容

1．5 本文创新点

2 基于物理概念的InHM模型

2．1 模型概述

2．2 模型功能模块及控制方程

2．2．1 蒸散发

2．2．2 三维地下水流

2．2．3 二维地表水流

2．2．4 地表/地下水体交换

2．3 模拟假定和求解方法

2．4 参数敏感性分析

2．5 本章小结

3 研究区域及研究方法

3．1 研究区域

3．1．1 流域概况

3．1．2 地质特征

3．1．3 水文气象

3．1．4 地质灾害

3．2 研究方法

3．2．1 野外观测系统

3．2．2 InHM模型模拟数据准备

3．3 本章小结

4 碱坪沟流域水文响应机理

4．1 水文模拟验证

4．2 产流机制

4．2．1 地表产流

4．2．2 地下径流

4．3 径流组成中的地下径流比例

4．4 流域径流系数异常现象分析

4．5 本章小结

5 不同降雨及下垫面条件下流域水文规律的变化

5．1 降雨特性的影响

5．1．1 长历时中低强度降雨对流域产汇流过程的影响

5．1．2 短历时高强度降雨对流域产汇流过程的影响

5．2 下垫面条件的影响

5．2．1 初始含水量对流域产汇流过程的影响

5．2．2 汶川地震对流域产汇流过程的影响

5．3 降雨与下垫面的综合影响

5．3．1 不同初始含水量下产汇流过程随降雨变化的规律

5．3．2 汶川地震前后产汇流过程随降雨变化的规律

5．4 讨论

5．4．1 不同条件下径流组成的变化规律

5．4．2 非线性径流激增现象

5．5 本章小结

6 不同空间尺度下的水文规律

6．1 龙溪河流域山洪特性

6．1．1 山洪形成特点

6．1．2 降雨增强对洪峰的影响

6．1．3 “8．18”暴雨下的山洪特征

6．1．4 下垫面条件的影响

6．2 流域水文响应特征对空间尺度的依赖性

6．3 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历及科研成果