《基於土地利用變化的水文-水力耦合數學模型研究》是依託北京大學，由楊小柳擔任負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於土地利用變化的水文-水力耦合數學模型研究
- 項目負責人：楊小柳
- 項目類別：面上項目
- 依託單位：北京大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
土地利用變化對水循環造成的影響是土地科學和水科學共同的熱點問題，引發了國內外廣泛的討論。水循環諸因素中對土地利用變化最敏感者莫過於地表徑流，如何定量地分析土地利用變化與地表徑流的關係，一直是研究的焦點。本項目綜合土地科學、水文學和水力學的理論和方法，以土地利用模型為基礎，探索水文模型與水力學數學模型在流域尺度上的耦合。首先，重建土地利用的歷史過程，找到土地利用變化的關鍵驅動因子和時間拐點；其次，以水文模型模擬降雨-徑流關係，從其產流計算中獲取地表徑流過程；再次，將流域格線化，依據土地利用信息，生成地表徑流的空間過程，針對土地利用類型選定曼寧係數，連同DEM數據輸入每個格線；然後，改進水力學數學模型的動量平衡計算，建立基於土地利用變化的水文-水力耦合數學模型；最後，檢驗耦合模型的合理性。本項目旨在從空間和時間上準確量化土地利用變化對地表徑流的擾動，為土地利用和水利建設的綜合管理提供技術支持。
結題摘要
土地利用變化對水文過程造成的影響是土地科學和水科學共同的熱點問題，引發了國內外廣泛的討論。水文過程諸因素中對土地利用變化最敏感者莫過於地表徑流，如何定量地分析土地利用變化與地表徑流的關係，一直是研究的焦點。本研究綜合土地科學、水文學和水力學的理論和方法，以土地利用模型為基礎，探索水文模型與水力學數學模型在流域尺度上的耦合。本研究的主要工作包括：首先，基於土地利用信息將新安江水文模型的產流過程空間化。從水文學的角度，重組土地利用類型；根據不同土地利用類型的產流特性，得出土地利用類型與產流面積的對應關係。籍此，將蓄水容量曲線離散化，並將新安江水文模型的地表徑流過程空間化。其次，基於土地利用信息，從GDEM數據中提取地面高程。再次，基於土地利用信息，建立曼寧係數表，並藉助野外實驗手段，驗證其中變幅較大的係數。最後，統合上述三部分工作，建立基於土地利用信息的水文-水力耦合數學模型。將空間化的地表徑流過程作為水力學數學模型的輸入，在保證質量平衡的前提下，無縫融合水平和垂向的輸入，模擬地表洪水過程。為此，採用能夠有效捕捉激波的HLLC近似黎曼運算元計算數值通量，採用MUSCL法、兩步Runge-Kutta法，以及基於GPU的高性能計算技術等，在保證時空精度的前提下，解決模型計算量過大的問題。本研究以浙江省的密賽流域為研究對象，採用資料中的17場次洪水，對該耦合模型進行驗證。綜合來看，水文-水力學耦合數學模型取得了令人滿意的結果，耦合模型對不同規模洪水的模擬精度與新安江模型的精度相當，甚至在對大洪水模擬中的表現還要優於水文模型。
