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题名	黑河流域水循环过程模拟研究
作者	周剑
学位类别	博士
答辩日期	2008-11-26
授予单位	中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
授予地点	寒区旱区环境与工程研究所
导师	王根绪
关键词	黑河流域 MMS PRMS FEFLOW SEBS HYDRUS 地统计 蒸散发 三维地下水建模 水文水资源 同位素示踪 水文地球化学
其他题名	Simulation and research to Hydrological cycle
学位专业	自然地理学
中文摘要	水资源是21世纪干旱区持续、和谐发展的关键，如何维持水资源的可持续利用是迫切需要解决的科学问题。这不仅需要对干旱区流域水循环机理和水资源转化规律有透彻地认识，建立能够反映流域现状水文水资源循环过程并预测未来情景条件下水资源变化规律的数值模型；而且需要在此基础上不断开拓水资源管理的创新理念。 20世纪80年代中期以来，随着计算机技术和一些交叉学科的发展，流域水文模拟的研究方法产生了根本性的变化。主要体现为： ① 流域水文模型研究的突出趋势主要反映在计算机技术、空间技术、遥感技术等应用方面。分布式物理基础的数值模型被广泛提出，遥感（RS）、地理信息系统（GIS）在水文模拟中的应用给传统的研究方法带来了创新，丰富了流域尺度水文模拟的数据来源和研究手段。但应用GIS 的水文模型并不能代表模型本身的高质量, 遥感资料还没有完全融入水文模型的结构中等问题, 给分布式数值模型直接应用带来较大的困难。提出立足于产汇流机理研究, 建立基于RS 和GIS 的耦合分布式水文模型是研究的趋势。 ② 组建式模块化的集成思想，可以用于将几个模型连接起来构建更大的耦合模型，建立组件式集成模型，在多个模型耦合时考虑这些模型之间的双向数据反馈，从而构建完整的耦合模型。应用者可以根据自己的理解和数据情况有选择的去构建不同复杂程度的模型，也可以在该平台上创建自己的模型或加入自己的模块，解决具体的不同复杂度的问题，从而改变了传统科学工作者只是简单的应用模型的被动形式。但流域尺度的集成模型对并行计算和交叉学科的要求很高，不利于普及应用。 ③ 除了物理模型本身完善以外，还需要驱动模型的输入，物理参数的反演和验证方法的发展。因此利用各种手段和方法获取多源数据资料，数据资料的综合交叉利用和验证也是发展流域水文模拟的关键。从90年代开始，国内外认识到多源数据的融合技术和反问题的研究对于模型模拟精度提高有着重要的作用，注重于多源数据应用、参数反演、改进模型模拟精度等研究的趋势逐渐形成。 本文把握水文模拟的发展方向，以中国科学院长期研究的黑河流域作为主要研究区域，开展以下几方面的研究：①山区降雨形成产汇流的机理研究，产水区水量平衡要素的定量计算及其对气候敏感性分析；②山前冲洪积平原和河流阶地地下水资源时空分布，地表水、河水与地下水转化特征，人类活动对流域地表水与地下水转化关系的影响及其水文变化对植被演变的驱动机理等研究；③定性分析黑河下游大气降水—地表水—地下水的循环转化机制；④对蒸散发和灌溉入渗等关键水文要素进行针对性的研究。⑤ 对后续的工作的规划与设想。 1.基于MMS系统建立山区分布式降水－产汇流模型 为了研究黑河上游山区产水机理，在分布式水文模型集成建模的开发思想基础上，利用MMS（modular modeling system）模型库中与降水径流相关的模块，综合各种产流（包括超渗、蓄满产流）机理、根据寒区产汇流的特点对USGS开发的流域PRMS（precipitation－runoff models）模型进行了改进，增加了土壤水运动中降雨入渗补给的多层土壤滞后效应模块、双层积雪融雪模块、冻土面积识别模块，建立了更适合于寒区流域的分布式PRMS模型。利用该模型对黑河上游出山径流过程进行了模拟与预报，模型研究结果表明：利用MMS建立的黑河上游改进的PRMS模型不仅完全可以模拟和预测黑河上游的产汇流过程，在考虑了冻土的情况下，预测年出山径流量误差小于2.7%；而且模型可以细分黑河上游径流的组成成分，对黑河上游产汇流机理做进一步定量分析。最后利用改进的PRMS模型，预测分析了黑河上游未来气候和土地覆盖变化情景下流域出山径流变化的趋势，为黑河流域水资源合理利用和管理提供科学依据。 2.基于GIS和FEFLOW建立黑河中游地下水三维模型 黑河出山后，在山前冲积扇平原，水文循环的特点发生了转变，以地表水、河水、地下水相互转换补给、排泄为特点。为了模拟山前冲洪积平原和河流阶地地下水资源时空分布，地表水与地下水转化特征，定量黑河中游耗水区人工绿洲的扩散对水资源承载力的影响。以地下水模拟软件FEFLOW为基础，结合GIS和遥感技术建立研究干旱区黑河山前冲洪积平原和河流灌溉阶地地表水与地下水转化机制及其水循环对土地利用响应的数值模拟模型。模型利用定量遥感与地面资料相结合估算流域尺度不同下垫面条件下的面状蒸散发；利用ARCGIS管理和处理各种时间序列、空间分布的数据，并对结果进行后期分析；利用FEFLOW拟合研究区地下水流场、长观孔水位历时曲线及水均衡来识别水文地质条件、补排边界和水文地质参数；重点针对研究区内河流运动与地下水的交换、多层井的开采、山区侧向补给、不同土地利用条件下的面状补排、断层识别进行数值模拟。在充分挖掘利用现有的资料基础下，建立符合黑河中游补给－径流－排泄的地下水三维数值模型，为揭示黑河中游盆地地下水资源时空分布；土地利用变化对地下水的响应；进一步认识黑河中游盆地水资源转化规律，提出水资源可持续开发利用与人类活动和谐发展的决策提供科学依据。 3.基于地统计理论研究黑河中游地下水的时空变异性及其水文变化对植被演变的驱动机理 干旱地区的水资源特性决定了地下水通常是干旱地区最重要的水源和最佳的供水选择，地下水资源往往成为维持干旱区生命绿洲，尤其是沙漠、荒漠地区社会、经济发展的首要因素（Mtembezeka，1997）。那么地下水的时空变异，对生态植被的影响如何？为了回答这个问题，采用遥感、地理信息系统和地统计学方法，分析黑河流域中游土地利用/土地覆被变化对地下水位时空变异性的响应。通过半变异函数模型刻画黑河流域中游1985年和2005年地下水位时空分布及其变异特征，并结合相应两期土地利用/土地覆被类型分类图，叠加分析不同地下水位变化与区域土地利用/土地覆被类型转移之间的关系。结果表明：近20年间，整个黑河中游地下水位变化呈区域性，地下水水位具有较强空间相关性，随机（人为）因素造成中小尺度地下水位变化的作用较显著。土地利用/土地覆被变化表现了区域面积上的自然植被退化，人工灌溉耕地不断扩张的特点。地下水位和土地利用/土地覆被发生着不同尺度上的时空变化，并且两者之间具有密切的相关性，地下水位急剧变化的区域均是自然植被变化加剧的区域，主要表现为草地退化，戈壁增加。这种冲积扇下部和河流细土平原耕地扩张的土地利用/土地覆被变化对地下水资源时空变异性产生了深远的影响，这对于合理利用浅层地下水资源，维护冲积扇中上部自然生态的稳定性具有直接的现实意义。 4.对蒸散发和包气带入渗等重要水文要素的模拟 蒸散发包括土壤蒸发和植物蒸腾，在流域水文循环中起着重要的作用。Rosenberg等（1983）指出降落到地球表面的降水有70%通过蒸散作用回到了大气中，而在干旱区这个数字达到90%，在此过程中，地表所获得的大部分能量又以潜热和感热的形式返回大气，可见，蒸散发是地表水量与能量平衡的主要组成部分，因此有效的估算蒸散发，一直是农学、水文学、气象学、土壤学等学科的重要研究内容，在区域的农业生产中，水资源的规划管理等各个方面具有重要的应用价值。遥感技术在蒸散发估算中的巨大潜力表现在：遥感监测的一个区域，具有时空的连续性，地面站点的观测结果可以通过遥感扩展到整个区域，另外，利用多光谱遥感可以测定或反演水文和气象模式中所需的一些基本地面参数，为常规的蒸散发估算的应用和发展提供支持。因此，本文利用基于遥感理论的SEBS模型(Su，2002)，估算了黑河流域春、夏、秋、冬四个季节典型月份的潜热通量，以在一定程度上反映黑河全流域蒸散发的年内变化。并对估算的结果和蒸发器实测的蒸发量、Penman-Monteith公式计算的结果进行对比分析，进而确定不同下垫面的蒸发系数。 水文循环过程中，包气带土壤是联系地表和地下的关键，土壤水分在其水分—能量平衡中起着重要的作用。土壤中水分的运移一方面受地下水位的影响，另一方面受土壤蒸发、植被蒸腾影响。反过来，土壤水分的变化又会影响降雨对地下水的补给以及地表感热和潜热通量，进而对气候产生重要影响。所以模拟土壤中水分的运动过程非常重要。本文针对实际地表植被覆盖状况下根系提水和蒸散发的特点，在揭示降雨入渗规律的饱和－非饱和方程基础上，加入反映降雨入渗、蒸散发量的边界条件和植被根区提水源汇项的处理方法，进而建立了综合考虑地表覆盖的包气带水分运移模式。并利用Levenberg-Marquardt算法（Marquardt，1963）反演模式土壤非饱和渗透特性参数。最后，应用此模式开展室内土柱试验和野外小麦种植耗水量模拟试验，结果表明：模式可以计算瞬时土壤含水量的变化、地下水位的变化，并对小麦生长过程中耗水量进行估算，为农业合理灌溉和地表水、地下水耦合研究提供科学的理论依据。 5.用环境同位素和水化学指标示踪黑河下游地表水和地下水的转化机制 近年来, 由于黑河流域中游人口的迅速增加，水资源的不合理开发利用, 导致下游额济纳旗盆地河流断流、生态环境恶化, 而且沙漠化也影响到周边地区。因此，2000 年国务院制定了黑河流域整治方案, 要求在保护流域生态安全的条件下, 对水资源合理开发利用。怎样合理的开发利用地下水资源，抑制下游生态环境的恶化；怎样评价中游绿洲用水对下游地下水资源的影响成为亟代解决的问题，而这些问题的关键是认识干旱区内陆河流域地表水与地下水相互转化机理。 本文通过采样分析黑河下游—额济纳旗盆地不同水体的稳定环境同位素和水文地球化学指标，利用稳定环境同位素的示踪理论、水—岩相互作用理论和地质构造相结合研究额济纳旗盆地地下水的来源、径流途径和形成机理。根据同位素的温度和高度效应判断其补给源可能是祁连山的冰雪融水；根据水—岩相互作用理论揭示了额济纳旗盆地深层碳酸氢钠型地下水是深部径流循环的原因；结合航磁反映的构造特征推断了深层地下水的径流条件；最后根据盆地第四系松散沉积物分布和潜水水化学特征进一步论证了承压水补给潜水的排泄过程。这为保护干旱区黑河下游绿洲的生态环境和黑河流域综合整治提供了科学依据，并将对我国河西及其以北的内蒙古地区的水资源配制起到关键的作用。
语种	中文
公开日期	2013-08-22
页码	135
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.casnw.net/handle/362004/21746]
专题	寒区旱区环境与工程研究所_研究生学位论文_学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	周剑. 黑河流域水循环过程模拟研究[D]. 寒区旱区环境与工程研究所. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 2008.

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