海河流域下垫面要素变化及其对洪水的影响研究

摘要

人类活动对流域径流的影响是当前的一个热点问题。人类活动包括农业化、林业化、工业化、城市化以及各项水利工程的修建,这些人类活动的影响结果是改变了流域的下垫面,因此,下垫面变化对径流及洪水的影响是客观存在的。近几十年来,海河流域内的人类活动对流域下垫面影响不断加剧,导致流域下垫面条件发生了明显变化,进而导致汛期暴雨洪水明显衰减,相同降雨情况下产生的洪水径流明显减少,造成了流域水资源量的急剧减少。本文划分了海河流域水文类型分区,并以海河流域内部分水文类型区的典型流域为研究对象,分析了典型流域下垫面要素的变化程度,对典型流域暴雨洪水进行了变异分析,确定了变异点,并统计分析了变异前后下垫面变化对洪水的影响程度,研究了滦河流域及各典型流域的降雨径流演变特征,建立了基于下垫面要素的产汇流模型,估算了典型流域各类下垫面要素变化对不同量级洪水的影响程度。主要研究内容及结果如下:
　　(1)根据流域的水文下垫面要素,包括地形地貌、植被、地表透水率等遥感监测数据,以及实测的气候资料,对海河流域下垫面要素及气候要素进行了识别。然后利用GIS将这些下垫面要素和气候要素进行多重叠加复合分析,并根据单元的相似性和差异性进行水文类型分区,将海河流域划分为7类水文类型分区(HTR)。分析土地利用的空间转移变化及单元流域尺度大小对流域水文类型分区的影响,并在部分水文类型分区内选择了代表流域。
　　(2)基于海河流域不同时相土地利用遥感资料,分析阜平、西台峪和冷口流域土地利用类型面积的变化趋势以及流域各土地利用类型之间的转移变化,各流域土地利用在1970-1980年及2000-2006年间发生变化较大,且以耕林草之间的相互转移为主,1980-2000年间变化不大。经过调查,分析海河流域重点水土保持区域及各典型流域各种水土保持措施及其规模,并收集海河流域山区地下水开采资料,估算地下水开采对流域土层蓄水容量的影响。
　　(3)对各典型流域的次暴雨量、洪量、洪峰和洪峰滞时等参数的时间序列,采用线性趋势回归和Mann-Kendall秩次相关检验法对其进行趋势分析,采用有序聚类分析法、双累积曲线法和非参数Pettitt检验法检验其跳跃点,并与实测暴雨洪水资料相比较,分别确定各流域暴雨洪水特征的的可能变异点。在各流域选择下垫面变化前后相似降雨产生的洪水,分析各场洪水特性的变化,结果初步表明,下垫面变化可导致各流域洪水洪峰和洪量均减小,且使洪水过程线均化。
　　(4)采用基于可变模糊集的质变与量变定理,对滦河流域6个子流域的年降雨径流序列,以及阜平、西台峪和冷口流域的洪峰、次洪量及洪峰滞时时间序列,进行变异点检验分析,并与非参数pettitt检验结果相比较,认为结果合理且方法可用。对年降雨序列和相应的径流序列以及相似降雨产生的洪水过程进行演变特征分析,结果表明,人类活动是导致滦河流域径流明显减少并发生渐变式质变的主要因素,且下垫面变化导致流域洪峰、洪量和径流系数的衰减,且当其衰减幅度均达到一定程度时,流域的洪水过程将发生渐变式质变。
　　(5)建立考虑地下水位变化、土地利用和水利水保工程等下垫面因素的分布式水文模型,每一类土地利用面积上分别考虑蒸发和下渗等产流要素的差异,采用超渗-蓄满耦合产流模型计算不同土地利用面积上的径流量,采用单位线法计算地面径流的汇流,并在汇流时考虑塘坝、谷坊坝等水利水保工程的蓄水容量及集水面积,壤中流和地下径流采用线性水库方法进行汇流计算,并对模型进行了参数率定和验证,各流域模拟洪水过程和实测洪水过程形状拟合较好,模型可以用来分析下垫面变化对洪水特征的影响程度。
　　(6)利用所建立的分布式水文模型,分别模拟了1980年前后下垫面情况下的洪水过程,通过对比分析模拟结果,得到了土地利用变化和水利水保工程等下垫面变化对洪水的综合影响以及土地利用变化、地下水位变化和水土保持工程分别对每一场洪水变化的影响。阜平、西台峪和冷口流域下垫面变化导致洪峰和洪量均减小,一般情况下,下垫面变化导致洪峰和洪量变化程度随着洪水总量增加而减小。地下水位下降导致洪峰和洪量减小程度较小,平均减小程度不超过3％,土地利用变化对流域洪量的影响取决于流域内土地利用变化的程度。水土保持工程对洪峰和洪量均有减小作用,且洪峰和洪量的减小程度随洪水量级的增加而减小。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 国内外研究概况

1.3 主要研究内容及技术路线

1.4 创新点

第二章 海河流域水文类型分区

2.1 海河流域概况

2.2 水文类型分区

2.3 土地利用变化对水文类型分区的影响

2.4 单元流域尺度大小对水文类型分区的影响

2.5 典型流域选择

2.6 小结

第三章 流域下垫面变化情况分析

3.1 土地利用变化分析

3.2 流域土地利用空间转移变化分析

3.3 海河流域水土保持调查分析

3.4地下水开采对流域土层蓄水容量的影响

3.5 小结

第四章 流域暴雨洪水特征变化分析

4.1 变化分析方法

4.2 趋势分析

4.3 突变点分析

4.4 暴雨洪水特征对比分析

4.5 小结

第五章 下垫面变化影响下降雨径流演变特征分析

5.1 基于可变模糊集的量变质变分析方法

5.2 基于可变模糊集的水文序列变异点分析

5.3 基于可变模糊集的降雨径流演变特征分析

5.4 小结

第六章 考虑下垫面要素的分布式水文模型

6.1 基本原理

6.2 模型构建

6.3 模型验证

6.4 小结

第七章 下垫面变化对洪水影响程度的模拟分析

7.1 下垫面变化对洪水综合影响分析

7.2 主要下垫面要素对洪水影响分析

7.3 主要土地利用类型变化对洪水影响分析

7.4 小结

第八章 结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

参考文献

发表论文及主要科研情况

致谢