基于陆面水文模型的海河流域山区径流模拟与分析.docx

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基于陆面水文模型的海河流域山区径流模拟与分析

学号1201060224

年级12级水务2班

本科毕业论文

基于陆面水文模型的

海河流域山区径流模拟与分析

专业水务工程

姓名张志浩

指导教师杨传国

评阅人

2016年6月

中国南京

BACHELOR'SDEGREETHESIS

OFHOHAIUNIVERSITY

SimulationandAnalysisofRunoffinHaiheRiverBasinMountainregions’sBasedonaLandSurfaceHydrologyModel

College：

HydrologyandWaterResources

Subject：

WaterEngineering

Name：

ZhihaoZhang

Directedby：

ChuanguoYangAssociateProfessor

NANJINGCHINA

学术声明：

郑重声明

本人呈交的毕业论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）的研究成果不包含他人享有著作权的内容。

对本设计（论文）所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。

本设计（论文）的知识产权归属于培养单位。

本人签名：

日期：

摘要

随着人类活动对于自然的影响不断加强，与天然河流水文情势相适应的水文模型已经渐渐地难以满足人们对于当下径流的研究需要。

因此，迫切地需要新的水文模型来实现这一目标，既要考虑到自然气候对于径流的影响作用，也要能把人类活动的影响考虑在内。

而陆面水文过程是通过下垫面向大气输送水汽，从而直接影响大气降水、大气温度以及大气运动等天气、气候状况。

同时天气、气候等自然状况的变化也会直接影响到陆面水文过程。

本文以陆面水文模型为基础，充分考虑了人类活动对于海河流域山区径流的影响因素，对海河流域永定河分区的几个代表性多年水文资料进行了整合分析，就水库对河流径流过程的影响进行了初步的讨论。

结果表明，气候变化和人类活动两重因素对海河流域的季节化都有相当权重的贡献。

其中气候变化的影响时缓慢而且深远的，它能够通过直接影响降水和蒸发来达到影响径流的目的；而人类活动则主要是通过改变下垫面条件来影响径流的，最直接的影响结果就是数量众多的水库极大地增加了海河流域山区的集水面积，从而增加了蒸发量，进而使得径流量锐减，当然，由于众多的人口，庞大的需求才是海河断流现象如此严重的根本原因。

一系列的事件都在警示我们必须要处理好人与自然的关系，只有这样我们才能实现可持续的发展。

因此，优化海河流域的产业结构，对水资源进行高效合理的利用，并且应当致力于合理的水资源规划和配置，努力做到不浪费每一滴水，才能从根本上解决海河流域河流季节化的问题。

关键词：

陆面水文模型海河流域IHA指标体系河流季节化

ABSTRACT

Withrespecttotheimpactofnaturalhumanactivitiescontinuetostrengthenhydrologicalmodelwithnaturalriverhydrologysituationhasgraduallyadaptedtomeetpeopleforthedifficultmomentrunoffresearchneeds.Therefore,theurgentneedfornewhydrologicalmodeltoachievethisgoal,itisnecessarytotakeintoaccounttheinfluenceofnaturalclimatefortherunoff,butalsobeabletoconsidertheimpactofhumanactivitiesintoaccount.

Thelandsurfacehydrologicalprocessesunderlyingsurfaceistransportedbywatervaportotheatmosphere,whichdirectlyaffectprecipitation,airtemperatureandatmosphericsportsweather,climateconditions.Atthesametimechangesinweather,climateandothernaturalconditionsalsodirectlyaffectthelandsurfacehydrologicalprocesses.Inthispaper,landsurfacehydrologicalmodelbasedonfullconsiderationofhumanactivitiesonmountainrunoffinHaiheRiverBasinfactors,severalrepresentativeYongdingRiverHaiheRiverbasindistrictformanyyearsithasbeenintegratedhydrologicaldataanalysisontheimpactofthereservoirontheriverrunoffprocessapreliminarydiscussion.

TheresultsindicatethatclimatechangeandhumanfactorsonthedoubleseasonofHaiheRiverBasinhasaconsiderableweightcontribution.Whereinwhentheimpactofclimatechangeslowandfar-reaching,itcandirectlyaffectevaporationandprecipitationrunofftoachievethepurpose;andhumanactivitiesaremainlybychangingtheunderlyingsurfacerunoffconditions,themostdirectimpactisthenumberofresultsmanyreservoirssignificantlyincreasestheHaiheRiverBasinmountainouscatchmentarea,therebyincreasingtheamountofevaporation,thusmakingtherunoffdropped,ofcourse,becauseofthelargepopulation,hugedemandistheHaihestopthephenomenonsoseriousunderlyingcauses.

Aseriesofeventsareawarningthatwemustproperlyhandletherelationshipbetweenmanandnature,theonlywaywecanachievesustainabledevelopment.Thus,optimizetheindustrialstructureoftheHaiheRiverBasin,waterresourcesforefficientandrationaluse,andshouldbecommittedtorationalwaterresourcesplanningandconfiguration,trynottowasteeverydropofwater,inordertosolvetheHaiheRiverBasinseasonofthefundamentalproblem.

Keywords:

LandHydrologyModelHaiheRiverBasinIHAIndexSystemseasonalstreamflow

目录

摘要II

ABSTRACTIII

第一章绪论1

1.1引言1

1.2国内外研究进展2

1.2.1国外研究进展2

1.2.2国内研究进展3

1.3研究内容和技术路线3

第二章流域概况5

2.1海河流域水文站概况5

2.2水文概况6

2.3水库概况6

2.4海河流域的降水特点与流域形态7

2.4.1海河流域的降水分布7

2.4.2降水在时空上的规律性7

2.5气候变化对海河流域径流变化的影响8

2.6人类活动对海河流域径流变化的影响9

2.6.1温室效应的影响9

2.6.2水利工程的影响9

2.6.3超量开采地下水的影响9

第三章区域多年径流量分析11

3.1雁翅站流量序列分析11

3.2响水堡站流量序列分析13

3.3本章小结15

第四章基于IHA法的人类活动影响评价16

4.1IHA16

4.2IHA法在册田水库的应用16

4.3水库建设前后典型年的径流情况比较20

4.4本章小结22

第五章海河流域河流的季节化23

5.1近50年来流域状况总述23

5.2流域河流季节趋势分析24

5.3气候、人类活动与水循环的相互作用25

第六章海河流域山区径流模拟与分析28

6.1陆面水文模型CLHMS简介28

6.2未考虑水库方案的CLHMS模式的模拟性能29

6.3本章小结30

第七章总结与展望31

7.1总结31

7.2展望31

第一章绪论

1.1引言

进入二十世纪以来，中国乃至世界的水利发展迅猛，河流的开发利用程度不断加大，在人类活动的干扰或调节下，河流的自然水文情势面临着不同程度的改变。

河流被大坝拦截后，会淹没上游的大片土地，在改变水文情势的同时还伴随着大量移民的产生。

而移民工作以及城市的建迁都会加剧人地矛盾，同时也会加剧植被破坏、生态恶化和水土流失，而河流的水文情势，比如水量、水文、流速、水位及泥沙等都或将被改变。

其中，影响最大的是多年调节型水库，影响相对较小的是日调节型水库。

水库水位的变化与天然江河大不相同，这取决于不同类型的调节方式，以防洪为主要目的的水库，其水位的变化在季节上与天然河流是相反的，水位变幅较大，讯期水库处于低水位运行；在汛末蓄水，水库处于高水位运行[1]。

在这样的大背景下，陆面水文过程的研究逐渐称为了水文研究的热点之一。

陆面水文过程通过下垫面蒸散发等途径与大气层进行水汽及热量通量等的交换，从而影响降水、气温等天气、气候过程；而天气与气候状况的改变又会反作用于陆面水文的循环过程，如气候变化引起流域水文特性的改变。

这一问题使得气象学家们更加关注大气模式中陆面水文过程的处理，例如早在上世纪60年代，美国GFOL（地球物理流体力学实验室）在全球气候模式GCM（GeneralClimateModel）中融入了陆面水文元素，从而使陆面水文过程称为气候模式的重要研究内容之一。

作为描述和模拟水文循环过程而构建的数学模型，水文模型是对水文循环物理规律进行研究的必然产物，是解决水文预报、水资源规划与管理等传统水文问题的有效工具；同时，陆面水文模型还可用于研究气候变化以及人类活动对洪水、水资源量以及水环境的影响等。

海河流域地处我国华北平原，人口密集，大中城市众多，在我国政治经济中具有重要地位，流域内有包括首都北京、直辖市天津、以及石家庄、唐山等在内的25座大中城市。

近年来受气候变化和人类活动影响，该地区干旱灾害的发生频率和程度日趋严重，严重威胁着海河流域人民的饮水用水问题，制约着当地经济的发展和转型。

因此认识海河流域山区的干旱变化规律对于流域水利工程措施运营、区域水资源规划管理等方面具有重要科学意义和实际应用价值。

1.2国内外研究进展

人类活动的水文效应具有双向性以及诸多的不确定性，故而其研究相对复杂并且开发缓慢。

国内早在70年代末期就展开了人来活动对水文资源影响的研究，而国外在这方面的研究还要更早。

在2001年国际实施的全球水系统计划（GlobalWaterSystemProject）中，大规模水利工程建设等剧烈人类活动对区域水循环及水安全的影响时其重要研究内容之一。

1.2.1国外研究进展

就人类活动对水文循环的影响，国外有很多学者都进行了不同程度、不同方向的探索和研究。

如Nisson等人分别于1994年和2005年，对占世界三分之一的北部地区（墨西哥、美国、加拿大、欧洲和前苏联国家）以及全球范围内的人类活动对河流的影响进行了评估。

他们制定了主要河流的流量控制指数，同时结合考虑水库调度、跨流域调水以及灌溉用水。

而对水库调度的影响，他们则采用计算水库容与流域年平均入流的比值。

Vorosmarty等人[2]1997年针对世界各大型水库，评估了水库内陆地径流的储存量及滞留时间。

他们在全球河网数字地图上设置了622座水库，每座水库的库容均超过了5亿m³。

对于流域内的每座水库，通过检测水库的存储能力和年平均入流来讨论河道水流的滞留时间。

并且采用水库年平均入流和水库最大存储量的比值，作为水库调度的潜在影响指数。

但是，该指数忽略了河流在不同季节的差异性、水库最基本的功能以及不同年份存储量的变化。

另外，丹麦水利研究所DHI（DanishHydraulicInsititute）最新开发的MIKEBASIN综合性管理模型同样具有水库调度模块。

它是应用于流域或者大尺度上的，可以同时综合考虑时间，空间等要素影响的水资源配置及水资源供需平衡的数学模拟工具，已经在世界上的多个区域/流域的水资源管理中取得满意的结果。

其中攻包括三种类型的水库：

规则曲线水库、分配水域水库以及湖泊。

因此，用户可以向该模型中输入诸多水库控制规则，如库容曲线与坝顶溢洪道的泄流能力曲线等，其中较为重要的是汛限水位、最小环境需水量以及用水优先权与消落曲线[3]。

1.2.2国内研究进展

在我们国内，目前研究中考虑水库调度方案的水文模型还相对较少。

如李致家等人[4]在2006年指出，可以把研究区域上小水库、小塘坝、小蓄水坝等小型水利工程，等效处理为植被截流的过程，从而可以将其归并到模型产流部分，而不对水利工程本身做专门处理。

此外，郭延祥和金勇[5]在2010年基于水文模型的水文预报结果中，采用一维水动力学模型，并结合水库的调度参数，完成了三峡和葛洲坝两座水库的洪水演进过程。

杨传国等人[6]2010年在陆面水文耦合模式LSX-HMS的基础上，针对人工河道取水的人类活动影响方式进行了研究，分别采用实测径流校正法和添加人类活动影响模块的水文模拟法，并取得了较好的效果。

但是，也存在一个问题，即该人类活动影响模块中的计算方法与真实的水库调度联系不多，更多的是对河道人工取水的描述。

张永勇和夏军等人2010年，在淮河流域水利工程对河流动态及水质影响的研究中，由于收集到四种不同的水库出流数据，无法直接应用SWAT模型进行计算，因此针对原有水库调度模块进行了改进。

基于下泄流量、库容、水库水面面积以及水位之间的关系（即利用水位～库容等曲线）确定水库的出流过程，每一座水库或者闸门的这种“关系”被写入单独的输入文件

1.3研究内容和技术路线

在大尺度陆面水文模型CLHMS的基础上，综合考虑而来水库对于径流可能形成的影响，以实现水库与水文过程的相互反馈。

并以海河流域为研究对象，特别是对册田水库至三家店区间的4.7万平方公里流域面积的水文过程进行模拟分析，以考察以水库部分为代表的人类活动对径流模拟的影响。

最后对于自然气候变化与人类活动对径流造成的影响分别进行比较，主要包括以下研究内容：

（1）近50年来海河流域的气候变化及气候变化对于水文径流过程的影响；

（2）对以人类活动影响为核心的侧支循环进行评价和分析；

（3）在不考虑水库调度影响的前提下，运用陆面水文模型对海河流域山区径流惊醒模拟，以揭示有无水库调度情况下的水文径流差异。

本文技术路线如下：

第二章流域概况

2.1海河流域水文站概况

以海河流域永定河册田水库至三家店区间为研究对象，选取其中六个长期水文站为观测点，分别是：

桑干河册田水库站、桑干河石匣里站、洋河响水堡站、二道河兴和站、东洋河友谊水库站及永定河雁翅站。

包含了北至张家口、南到涞源、西起大同、东临北京在内的4.7万平方公里土地，其中山区面积4.5万平方公里，平原面积1953平方公里。

永定河是海河流域北系一条主要河道，上游有桑干河、洋河两大支流，分别发源于内蒙古高原的南缘和山西高原的北部，两河在河北省怀来县朱官屯汇合后称永定河，流域面积5.08万平方公里。

流经山西、河北两省和北京、天津两市入海河，注入渤海。

主要支流有壶流河、洋河、妫水、清水河等。

二十世纪七十年代以来，随着全球气候变化，永定河流域持续多年干旱少雨，下游常年处于断流状态[7]。

该区处于中国干旱和湿润气候的过渡带，是东部沿海降水最少的地区,1956~1984年多年年平均降水量为546.6mm。

由于气候、地形等因素的图1-1海河流域径流区域划分图

影响，降水量的分布呈较明显的地带性差异。

沿太行山、燕山山脉迎风坡有一条年雨量达600mm的弧形多雨带，其间由北到南分布着大于700~800mm

的多雨中心，五台山最大达925mm。

西北部的雁北和冀北山地大部分地区降水量为400~500mm，局部地区如阳原、大同盆地不足400mm。

平原地区降水量一般为500~600mm。

2.2水文概况

本文水文资料取用1968~1989年以及2001~2009年（2004年缺失）共30年逐日水文观测资料。

由于受季风气候的影响，流域降水量年内分配很不均匀，75％~85％集中在汛期，在汛期又往往集中于几场暴雨，而流域内作物需水最集中的3~5月月平均降水量仅50~100mm。

降水量的年际变化很大，1964年为最丰水年，流域平均降水量达798mm，比多年平均值偏丰43％；1965年为最枯水年，流域平均降水量为358mm，比多年平均值偏枯36％，丰枯年降水量相差2.23倍。

2.3水库概况

册田水库位于山西省大同县西册田乡。

始建于1958午3月，它横截桑干河水，东西长30公里，下游为乌龙峡，长约10公里，兴利水位面积约5万亩，蓄水8600万立方米，可浇灌农田40多万亩，年产鱼五万多公斤。

水库的主要任务是为下游官厅水库拦沙、防洪和渡汛，还起着保障首都防洪安全的重要作用，同时还担负着大同城市部分工业和生活用水及农田灌溉。

册田水库风景秀丽，景点众多，空气清新，交通便利，集住宿、餐饮、休闲港与一体，是不可多得休闲旅游胜地册田水库位于桑干河中上游，山西省大同县西册田村北、属海河流域永定河水系，距大同市60公里[8]。

友谊水库位于河北省张家口市尚义县和内蒙古兴和县交界处永定河支流东洋河的上游，控制流域面积2250km2，总库容1.16亿m3，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾养殖等综合利用的大型水利枢纽工程。

下游控制灌溉面积240hm2，原设计灌溉面积133hm2。

由于未设排沙设施，水库淤积严重，致使兴利库容减小，目前，实际灌溉面积为67hm2左右。

灌溉供水保证率为50%。

由张家口专区水电局完成初步设计，河北省水利水电勘测设计院完成扩建设计。

该水库始建于1958年8月，1960年开始拦洪，1964年12月完成了大坝、输水洞工程，并投入运用。

2.4海河流域的降水特点与流域形态

2.4.1海河流域的降水分布

海河流域河流众多，其中较大的主要有9条，从南往北分布依次是徒骇河、马颊河、子牙河、大清河、独流河、海河、潮白新河、蓟运河和滦河。

河流多发源于山西山区，而其下游则流经河北、天津和山东，并分别从塘沽、乐亭、遵化和庆云等地汇入渤海湾，总流域面积31.8万平方公里，其中册田水库至三家店区间的永定河上游流域面积4.7万平方公里，占总流域面积的14.78%。

上游山区以及高原面积约占全流域的60%，而其余的40%左右则为平原。

各条河流均直接汇入下游段，几乎没有明显的中游河段。

流域内的平原均为河流冲积平原，部分由流域内河流冲积形成，部分则由黄河泛滥冲积而成，发育形成了颇为复杂的微地形，因而产生了情况相差迥异的下垫面形态。

流域内降水分布表现出明显的区域差别，由于流域内盛行太平洋季风，水汽输送全仰仗于此，于是降水由山区到平原呈现出明显的下降阶梯形势。

首先是在燕山南麓，由于水汽输送遇到山体爬升气温下降会形成大量的地形雨，故而这里的降水多在600mm以上，而紧接着的太行山东麓降水也多在550mm以上，到了西北部雁北和冀北高原地区，水汽相对难以到达，降水量已明显不足400mm，而在冀南平原的晋州、辛集、宁晋则形成了一个降水量不足500mm的少雨中心。

总体来说的趋势就是以太行山以及燕山为地标，降水分别沿其迎风区分别向西北和东南两侧减少。

其中流域内降最多的地方为五台山以及遵化附近，其次降水比较丰沛的是中部地区的晋州、辛集、宁晋等平原地区，而流域西北部的冀北以及雁北高原地区则多年降水量都相对较少，但沿海地区的降水量却略高于中部平原地区。

2.4.2降水在时空上的规律性

在年内尺度上，由于流域整个处在太平洋季风气候的控制之下，因而降水多集中在6~9月份的夏季，伴随着大量的降水，这一时间段内的径流总量可以占到全年的70%~80%，甚至90%以上，即使是个别调节能力良好的河流这一比例也高达60%。

因此海河流域河流径流的年际变化年内分配主要有两个特点：

枯水期洪水的可能性极小，几乎可以说没有，而丰水期洪水的可能性极高，可能某一场降水过程就下完了全年的雨，降水相当之集中，就导致了夏季极高的洪水爆发率。

在年际变化和年代尺度上，海河流域的降水量存在着明显的周期变化，年际3~7年比较突出,10年尺度变化明显,年代际19~28年尺度明显。

时间序列存在4、7、10、24年的主周期变化,且大时间尺度变化较为规则,为准周期振荡。

4年周期最为明显,其次是7、24和10年。

海河流域的降水量在时间和空间上存在着差异,且差异是带有比较明显的规律性[13]。

这些时空上的分布特征都决定了海河流域冬春易旱夏秋易涝的显著特点，也奠定了人类活动对此加以影响的必然性。

2.5气候变化对海河流域径流变化的影响

气象和水文资料均表明近50年来，海河流域的降水呈现出明显的下降趋势。

据统计，1956~1979年间，海河流域内年平均降水量为1806亿m³，而到了20世纪末期，这一数值仅为1604亿m³，相比较减少了11%，平均每年减少21.5mm。

与此同时，流域内年气温呈明显升高的态势，大约每10年升高0.31℃。

流域内的气候暖化已经造成地标水资源的大量流失，平均每年径流量减少18%左右，而早20世纪