应用地表水—地下水耦合模型研究不同尺度的水文响应解读 .pdfVIP

应用地表水—地下水耦合模型研究不同尺度的水文

响应

受全球气候变化及人类活动的影响，水资源的短缺及有效管理，成为

日益关注的热点问题。采用地表水-地下水耦合的分布式水文模型，分析水循环

过程、拟定流域水资源管理方案，对于揭示水循环规律、有效管理水资源具有

重要理论与实际意义。这些年来，众多科研机构开发了一系列复杂程度各异的

模型软件。在这些软件开发过程中，对非饱和水流运动过程的刻画是水循环中

最关键的环节之一，因为其计算精度直接影向着模拟结果的可信度。非饱和水

流运动过程一般用传统的Richards方程来刻画。基于Richards方程建立流域

水文模型的一个局限性在于需要大量的参数。Richards方程主要适用于刻画小

尺度均质的非饱和流，但它经常被用于刻画大尺度非均质流动系统，这个问题

引起了人们对Richards模型在大尺度流域模拟中的可行性和有效性的讨论。运

用Richards方程来刻画流域尺度上的非饱和流增加了对计算机运算能力的要

求，因为获取方程的数值解需要对模型进行空间和时间上的离散。运用

Richards方程计算较复杂，在流域尺度上是否有更加简单快捷的模型能够获得

和Richards方程相同或者更好的模拟效果呢?全球气候变化和日益加剧的人类

活动(土地利用方式变化)对水文循环产生了深远的影响。对同一地区，不同土

地利用方式、不同尺度(点和流域尺度)对水文循环有何影响，对于不同地区，

不同的气候条件和土地利用方式对水文循环有何影响。针对这些问题，本文通

过丹麦水力学研究所(DHI)开发的分布式水文模型(MIKESHIE)软件建立地表水-

地下水耦合的Skiern流域分布式水文模型，并对此模型进行参数率定。在此基

础上对以下几个方面进行研究：(1)模型结构方面，非饱和流概念模型对流域水

文向应的影响(2)模型应用方面，以丹麦Skiern流域流域为例，不同土地利用

方式、不同尺度(点和流域尺度)对流域水文响应的影响；以丹麦Skiern流域和

华北平原为例，对比分析不同的气候和土地利用方式对水文循环的影响。(1)非

饱和概念模型对流域水文响应的影响本文在建立Skjern流域地表水地下水耦合

的流域水文模型的基础上，比较了这些非饱和流概念模型模拟的水文响应异同

点。基于丹麦土壤属性数据库，采用了Pedo-transfer-functions(PTFs)方法

获取土壤水力参数。根据土壤颗分数据，0-30cm的土壤具有2种类型(粗砂，

亚粘土)，30cm-70cm的土壤有3种类型(粗砂，粘土，细砂)，70-300cm的土壤

有4种类型(粗砂，砂质粘土，亚粘土，粘土)。利用ARCGIS软件进行空间叠加

获得24种不同的岩性组合，来刻画Skjern流域非饱和带的非均质性。针对上

面提出的问题，本文建立5种不同的非饱和流水文模型：两层水均衡模型TLM

(Simpletwolayerwaterbalancemodelfortherootzone

andinstantaneousroutingoftheexcesswatertowatertable)简单参数

化的Richard方程模型RI2(Richards\equation-simple

parameterization)基于PTFs和土壤数据库获取参数的Richard方程模型RI24

(Richards\equation-parameterizationdeterminedonthebasisof

pedo-transferfunctionsanddetailedsoilmaps),考虑优先流的Richard方

程模型RIBP(Richards\equationwithbypasstoaccommodatefor

spatialvariability)考虑重力流的Richard方程模型RIGR(Simplified

versionofRichards\equationonlyconsideringgravityflow)分别对这

5种模型进行参数率定之后，得出如下结论：(1)5种非饱和流模型都具有相同

的季节变化特征，在春季和冬季，降水量丰富，地下水补给和河流径流量大，

而在夏季和秋季，降水量减少，相应的地下水补给和河流径流量减少。(2)水文

响应时间RIBP和RIGR快于TLM，RI2和RI24，RIBP和RIGR模拟地下水位和流

量数据与观测值的响应时间一致，R