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变化环境下渭河流域水循环分布式模拟与演变规律研究

刘佳嘉  
【摘要】:变化环境下的水循环演变规律及归因分析是目前水文水资源学的研究热点和难点。根据前人研究,变化环境可分为气候变化和人类活动变化两大类,而且人类活动对水循环的影响正不断加强。人类活动影响下的流域水循环过程具有二元特性,即自然-社会双重驱动下的水循环过程。 论文以“自然-社会”二元水循环理论体系为基础,对WEP-L模型子流域划分过程以及社会水循环模拟过程进行改进,并应用于渭河流域模型构建。同时,以渭河二元水循环模型“仿真模拟”为基础,进行变化环境下渭河流域水循环演变规律及其归因分析。具体研究内容如下: (1)对WEP-L模型进行了代码重构,对模型中社会水循环模块进行改进,提高了WEP-L模型对社会水循环中取水、用水、排水等过程的模拟精度。 (2)对基于实际河网修正的河网提取算法进行改进。针对模拟河网提取过程中存在的各种潜在问题,本文进行了深入研究,并对原有河网提取算法进行改进。改进后的算法能够自行处理这些潜在问题,实现河网提取过程的自动化处理。 (3)提出一种新的子流域编码方法。针对原有子流域编码方法不能完全满足多种汇流情况(单支汇流、双支汇流以及多支汇流)、子流域上下游关系的快速定位计算等要求的问题,本文在研究现有子流域编码的基础上,提出一种新的编码方法,能够满足水文模型对子流域编码的相关要求。 (4)研究变化环境下渭河流域水循环演变规律。本文构建了渭河流域分布式WEP-L模型,并基于不同情景仿真模拟,对水循环演变规律进行了分析。主要考虑的水循环要素包括蒸散发、入渗、地表产流、地下水补给、地下水河道交换以及河川径流,考虑的环境因子主要包括气象要素、水土保持措施、农业灌溉取用水以及工业生活取用水。 (5)提出一种基于分布式水文模型情景模拟的多因素归因分析方法。该方法能够将不同时期多个因素综合影响所引起的水循环变化量分解成各因素单独的贡献量,并且确保所有因素贡献量累加总和刚好等于多因素综合影响下的变化量。以渭河流域1980年前后水循环演化为例,分析了气象要素、水土保持措施、农业灌溉取用水以及工业生活取用水四大因素的贡献。 本文的主要创新点在于提出了三个方法(河网提取改进方法、子流域编码方法和多因素归因分析方法)以及构建了渭河分布式水文模型用于水循环演变规律分析。本文研究成果不仅解决了子流域划分过程相关问题,而且使得定量描述多因素对水循环演变的影响和贡献率成为可能。同时,本文的研究成果也是对“自然-社会”二元水循环理论体系的补充。


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