基于土地利用变化的水文-水力耦合数学模型研究

Identifying the effect of land use change on hydrological cycle is a topic shared among the experts of land use science and water science, triggering debates and discussion at home and abroad. Among elements of water cycle，surface flow is the most sensitive to land use change. How to quantitatively analyze the impact of land use change on surface flow has been the focus of research. At basin level, the project intends to couple hydrological and hydraulic models on the basis of land-use analysis by integrating the theories and methods from land use science, hydrology and hydraulics. Firstly, the historical process of land use change will be reconstructed to find key driving factors and time inflection point. Secondly, hydrological models will be calibrated and used to simulate the rainfall-runoff relation and surface flow will be derived from the runoff yield calculation. Thirdly, the studied basin will be divided into grids for computation and each grid will be given surface flow, Manning coefficient, according to the land use information, as well as DEM information. Fourthly, the hydrological and hydraulic models will be coupled with the above information and improving the momentum computation. Finally, the coupled model will be validated in terms of reasonability and sensitivity. This project aims to quantify the relationship between land use change and the disturbance to water cycle and provide technical support to coordinate land use planning and water resources development planning.

土地利用变化对水循环造成的影响是土地科学和水科学共同的热点问题，引发了国内外广泛的讨论。水循环诸因素中对土地利用变化最敏感者莫过于地表径流，如何定量地分析土地利用变化与地表径流的关系，一直是研究的焦点。本项目综合土地科学、水文学和水力学的理论和方法，以土地利用模型为基础，探索水文模型与水力学数学模型在流域尺度上的耦合。首先，重建土地利用的历史过程，找到土地利用变化的关键驱动因子和时间拐点；其次，以水文模型模拟降雨-径流关系，从其产流计算中获取地表径流过程；再次，将流域网格化，依据土地利用信息，生成地表径流的空间过程，针对土地利用类型选定曼宁系数，连同DEM数据输入每个网格；然后，改进水力学数学模型的动量平衡计算，建立基于土地利用变化的水文-水力耦合数学模型；最后，检验耦合模型的合理性。本项目旨在从空间和时间上准确量化土地利用变化对地表径流的扰动，为土地利用和水利建设的综合管理提供技术支持。

土地利用变化对水文过程造成的影响是土地科学和水科学共同的热点问题，引发了国内外广泛的讨论。水文过程诸因素中对土地利用变化最敏感者莫过于地表径流，如何定量地分析土地利用变化与地表径流的关系，一直是研究的焦点。本研究综合土地科学、水文学和水力学的理论和方法，以土地利用模型为基础，探索水文模型与水力学数学模型在流域尺度上的耦合。本研究的主要工作包括：. 首先，基于土地利用信息将新安江水文模型的产流过程空间化。从水文学的角度，重组土地利用类型；根据不同土地利用类型的产流特性，得出土地利用类型与产流面积的对应关系。籍此，将蓄水容量曲线离散化，并将新安江水文模型的地表径流过程空间化。其次，基于土地利用信息，从GDEM数据中提取地面高程。再次，基于土地利用信息，建立曼宁系数表，并借助野外实验手段，验证其中变幅较大的系数。最后，统合上述三部分工作，建立基于土地利用信息的水文-水力耦合数学模型。将空间化的地表径流过程作为水力学数学模型的输入，在保证质量平衡的前提下，无缝融合水平和垂向的输入，模拟地表洪水过程。为此，采用能够有效捕捉激波的HLLC近似黎曼算子计算数值通量，采用MUSCL法、两步Runge-Kutta法，以及基于GPU的高性能计算技术等，在保证时空精度的前提下，解决模型计算量过大的问题。. 本研究以浙江省的密赛流域为研究对象，采用资料中的17场次洪水，对该耦合模型进行验证。综合来看，水文-水力学耦合数学模型取得了令人满意的结果，耦合模型对不同规模洪水的模拟精度与新安江模型的精度相当，甚至在对大洪水模拟中的表现还要优于水文模型。