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在中国东部地区,特别是长江和珠江三角洲等广阔的平原地区,分布着平原河网体系,水网密集,湖垸众多。而同时平原水网地区又大多是经济发达地区,河网受城市化进程的影响显著,许多河流被填没、淤堵,河流数量大为减少,河网结构发生了重大改变,河湖面积严重缩减。河网水系的径流过程发生变化,在遭受暴雨和外来洪水的情况下,洪水造成的损失增加。
前人的研究中,得出河网水系的洪水特征以及调蓄能力与水系的结构参数具有明显的相关性,然而这些结论是通过对洪水和结构参数的相关性分析得到的,对于其中详细的机制并没有作进一步的说明。而本文对代表性单元流域水文模型(REW)的核心--动量和质量守恒方程进行了分析,将河网水系常用的几个水系结构参数和河网水系的调蓄能力联系起来。在分析过程中描述了这些参数的变化对洪水特征发生影响的机制,从而可以进行定性的预测和验证,并且分析城市化的不同措施可能对河网水系发生何种不同的结果。
本文以太湖流域腹地为研究区域,利用相隔30年的两段河网结构参数的资料和水位资料,分析河网密度和水面率的变化情况,并使用Hurst指数作为度量调蓄能力的标准,确定水系结构参数和调蓄能力关系方程中的系数。关系方程得到确定以后,再用它分析河网的分维与河网调蓄能力的关系。
本文的主要结论如下:
(1)从流域REW水文模型出发,详细分析了河网调蓄能力的物理机制,而非仅仅是对二者进行简单的统计分析。分析的结果将河网结构参数应用到定性描述中来,为人类活动对河网调蓄能力的影响提供理论基础。
(2)逋过对不同时期水系资料的分析,得出了同一河网水系在近几十年城市化发展中的变化,具体表现为河网密度,水面率和分维的降低。河网密度由1969年的3.42km/km2减少为2003年的2.85 km/km2;水面率由20世纪70年代的12%变为2005年的6.9%;河网的分维由1.54下降到了1.34。这表明了城市化进程正在使河网水系走向简单化。
(3)对两个站点在不同时期的水位序列进行R/S分析,所得到的Hurst指数可以确定水位序列的随机程度。由于河网调蓄作用减少了水文过程时间序列的短期波动,因而Hurst指数可以反映河网的调蓄能力。为此统计得出研究区Hurst指数在1968-1974时段为0.6749,2000-2006时段为0.5229。Hurst指数越低的情况下,水文过程随机度越高,反映了河网结构简单化导致蓄能力下降,间接反映了城市化发展、人类活动干扰降低了河网的调蓄能力。
(4)河网结构参数与河网调蓄能力的关系式,根据上述的实测数据进行了确认和验证,证明了可以在明确物理意义的基础上,将河网结构参数与调蓄能力联系起来,从而为城市化进程中优化河流的管理措施起到一定的指引作用。