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基于地貌气候瞬时单位线理论的冯家圪垛流域汇流模型研究

林靓靓  
【摘要】: 地貌气候瞬时单位线作为中小流域设计洪水计算的重要方法之一,以其独特的优点,即定量地将地貌因子和水动力因子引入流域响应以及较少的依赖流域水文资料,在设计洪水计算和预测等方面展现了广阔的应用前景。 本文回顾了汇流模型的产生、发展过程,特别是以地貌气候瞬时单位线作基本途径的汇流模型的发展历史、原理、及其研究、应用现状,并介绍了现代地理信息系统技术在获取水文模型参数方面的应用。同时,针对以往确定流域的单位线需要大量的实测降雨径流资料的现状与问题,以冯家圪垛流域(17.83km2)为研究流域,基于数字高程模型(DEM),应用地理信息系统技术获取基于“粒子”学说的地貌气候瞬时单位线(R-V GIUH)的地貌参数和水动力参数,建立以地形资料为主要基础的地貌气候瞬时单位线汇流模型,并将模拟结果与实测洪水过程进行对比,分析地貌气候瞬时单位线的特性,以期为无资料地区的洪水预报提供参考。主要研究成果如下: (1)本文应用Arcgis9.0,利用连续河网生成法,提取不同临界支撑面积下的河网,分析了临界支撑面积的取值对所提取的水系总长度以及平均坡降的影响,确定了0.05km2是反映冯家圪垛流域河流地貌发育的临界支撑面积,并进一步计算得到冯家圪垛流域河数率(R_B)为4.63,河长率(R_L)为2.59,面积率(R_A)为2.90。采用此方法提取河网避免了人工提取河网的主观性,提高了提取流域地貌参数的精度。 (2)在对流域河网进行斯特拉勒分级的基础上,依照每一级别河网中河道的长度级别对研究流域河网进行二次分级,将流域河网分成20级,并获取了20幅典型河道的横剖面图;在此基础上,利用流域平均水位深度以及各级河道典型的横剖面图来确定各场洪水的平均河宽,并将计算结果与实测分析结果进行比较分析。结果表明:平均河宽(B)随洪水的平均净雨强度(ir)的增强而增宽,并呈现出B = 0.261Ln(ir) + 3.3783的指数关系。该公式将平均河宽与平均汇流速度的关系转化为平均净雨强度与平均汇流速度之间的关系。 (3)应用所获得的地貌参数和水动力参数,建立冯家圪垛汇流模型,并对研究区4场不同降雨过程进行汇流过程模拟。模拟结果显示:模拟汇流曲线能够很好的反映降雨对洪水过程的影响,与实测曲线在形状、峰值、到达峰值的历时以及整个水文过程线的趋势各个方面基本吻合。同时,研究结果还说明,基于R-V GIUH理论的汇流模型比较适用于我国晋西黄土高原区的小流域,能够作为一种预测方法,预测小流域的汇流过程,对缺乏水文资料的小流域进行水文预报。 (4)本文通过改变研究区的主要地貌和水动力参数,揭示地貌气候瞬时单位线的峰值和滞时随上述参数的变化规律。研究显示: ①R-V GIUH曲线对地貌参数的变化敏感程度不一。其中,R-V GIUH对河长率RL的变化敏感度最高,RL的数值越大,相应的R-V GIUH峰值就越小,滞时越长;对于面积率R_A来说,RA越大,R-V GIUH峰值越高,滞时越短;而R-V GIUH并不随河数率RB的增长或降低呈单一的变化趋势,需要分析引起R_B变化的原因后,再对R-V GIUH的变化趋势进行分析和判断。 ②R-V GIUH曲线随曼宁糙率系数(n)的变化十分显著和敏感。n值越大,平均汇流速度(v)越小,R-V GIUH曲线就越平缓;反之,n值越小,v越大,R-V GIUH曲线越陡峭。 ③当其他水动力参数、地貌参数、降雨过程相同时,平均河宽B越小,平均汇流速度v越大,R-V GIUH曲线越陡峭,峰值越大;而当流域固定时,随着净雨强度ir的增强,B越宽,v越大,R-V GIUH曲线越陡峭,峰值越大。


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