黄土沟壑区典型流域产流机制辨析及过程模拟

作     者：祝德名 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋孝玉

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 081501[工学-水文学及水资源] 0815[工学-水利工程] 

主      题：产流机制 黄土高原沟壑区 砚瓦川流域 南小河沟流域 HEC-HMS模型 

摘      要：在过去近半个世纪的时间里,黄土高原沟壑区天然径流量显著减少,这是气候变化和人类活动共同的作用的结果。为了揭示该地区径流变化特征及成因,本研究选取了黄土高原沟壑区小尺度典型流域——南小河沟流域和中尺度典型流域——砚瓦川流域为对象,通过收集整理水文气象及下垫面遥感影像资料,通过数学统计手段,对流域内基准期与变化期这两个阶段的长期水文气象要素的时空变化情况进行了研究,并利用基于Budyko理论的弹性系数方法,对气候变化和人类活动对径流变动的影响进行了量化分析。并基于流量过程线的产流机制判别方法手动判定了两个典型流域不同阶段的产流模式,并对各流域的典型洪水过程线进行了分析,考虑到流域内每一个单元不同情况下的产流机制不同,因此根据主导产流机制判q别体系判别了流域主导产流机制空间分布,并考虑下垫面条件的不均匀性,构建了基于主导产流机制空间分布的HEC-HMS水文模型,对不同降雨类型下该模型在黄土高原沟壑区中小尺度典型流域的产流过程进行了模拟,取得了以下主要研究成果: (1)对南小河沟流域和砚瓦川流域的地表条件、降雨、径流及其独特性进行了深入探讨。在过去的六十多年里,南小河沟流域主要以耕地作为其土地利用类型。研究时段内,耕地面积和林地面积逐渐减少、而草地和城镇建设用地则逐步增加,其中城镇建设用地的面积变化最为显著;砚瓦川流域也主要以耕地为主要土地利用方式,然而除了耕地面积减少外,草地、林地和城市建设这三种土地利用类型的面积均呈现增长趋势。这说明两个典型流域内实施的退耕还林和还草等生态修复措施取得了显著成效。另外,在过去数十年中,两个典型流域的径流量都呈现明显的减少趋势,其突变的年份分别是1985年和1993年,而降雨情况相对稳定,基本保持不变。 (2)根据Budyko假设,使用弹性系数法对南小河沟流域和砚瓦川流域径流变化的贡献进行了量化。与基准期相比,南小河沟流域的气候变化和人类活动对径流变化的贡献率分别是41.70%和58.30%,而砚瓦川流域的气候变化和人类活动对径流变化的贡献率分别是48.69%和51.31%。结果表明,研究区人类活动对径流变化影响更大。 (3)对黄土高原沟壑区的两个典型流域在下垫面变化条件下的洪水特性和产流模式进行了详细分析。研究结果显示,南小河沟流域主要为超渗产流,其基准期(1958-1985年)和变化期(1986-2017年)的占比分别为62.86%和52.88%。随着下垫面条件的变化,其占比逐渐减少,而蓄满产流和混合产流的比例则逐渐增加。砚瓦川流域呈现出相似的结果,其流域也主要为超渗产流,其中基准期(1981-1993年)和变化期(1994-2016年)的占比分别达到62.86%和53.02%。两个流域在变化条件下蓄满产流占比均增加。根据两个流域的下垫面条件确定的主导产流机制空间分布结构可以得到:南小河沟流域的产流为Rint型,而砚瓦川流域的产流为Rsat+Rint型,均为超渗产流。 (4)构建了南小河沟和砚瓦川流域基于主导产流机制空间分布的HEC-HMS模型。选择了流域变化期内雨洪关系良好的多个洪水事件,并根据主导产流机制的空间分布来设定子流域的参数,从而确定了模型中不同子流域的参数值。基于典型流域实际洪水事件与模型模拟结果的不同,对模型的模拟准确性进行了评价。研究结果揭示,在验证期,南小河沟流域和砚瓦川流域的洪水平均Nash系数分别达到了0.75和0.76,这表明这两个流域的模型预测精度均已达到乙级水平。因此,构建的HEC-HMS模型在黄土高原沟壑区中小尺度流域的产流过程模拟中表现良好。