洪泛湖泊水文非线性特征及其成因分析

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:junhao1987
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水文不确定性可表现为水文系统内要素间的非线性关系。研究水文不确定性的随机现象,可以预估较长时间内水文现象的变化规律(情势),为水资源开发利用提供科学依据。鄱阳湖作为我国最大的淡水湖泊,在水位荣枯变化下,形成了世界闻名的洪泛区。洪泛区对洪水独特的调节作用进一步导致了湖泊面积变化的复杂性,使得整个湖泊系统的水文要素呈现出高度的不确定性变化。因此,基于实测水文数据,结合遥感图像和湖泊水动力模型对鄱阳湖水文要素变化特征及其机理进行分析,对鄱阳湖水资源调节与利用具有重要的意义。  本论文在考虑鄱阳湖湖泊水位、入湖流量、湖泊面积年内年际分布不均且具有空间异质性的情况下,利用实测水文数据、遥感图像、湖泊水动力模型,首先研究鄱阳湖水文要素内部(湖面水位、入湖流量、湖泊面积)之间关系的变化特征,然后分析湖泊水位与长江流量之间的非线性关系特征,结合两者探讨鄱阳湖水文非线性特征的影响因素。最后结合水动力模型改变影响因素之一——长江流量过程,模拟其对鄱阳湖水文非线性特征变化的影响。得出的主要结论如下:  (1)鄱阳湖湖泊水位-入湖流量关系以最低湖泊水位、最大入湖流量和最高湖泊水位为分界点,在一个水文年中经历三个阶段的变化,呈逆时针迟滞关系。阶段1中水位和流量均显著上升;阶段2中水位保持缓慢上升而流量迅速减少;阶段3中水位快速下降而流量缓慢减少。全湖水位-入湖流量关系呈现出空间异质的特征,从湖泊上游到下游,阶段2的天数逐渐增加,“迟滞度”受流域五河入湖位置的影响波动变化。鄱阳湖湖泊水位-长江流量呈现顺时针迟滞关系,阶段2历时和“迟滞度”从上游至下游都逐渐减小。  (2)通过交叉小波和小波相干方法对湖泊水位与入湖流量之间的响应关系进行分析。湖泊水位对入湖流量的响应过程变化复杂,湖泊不同位置的水位与入湖流量的响应关系在天数及周期上略有不同,但交叉小波与小波相干的结果佐证了湖泊水位-入湖流量关系的三阶段过程,并能在不同时频域上验证其响应关系。  (3)基于遥感影像解译与湖泊水动力模型模拟的湖面面积表现出较好的一致性,进一步表明鄱阳湖水动力模型模拟的准确度及可信性。两者的湖泊水位-湖面面积关系曲线显示:湖口站、星子站、都昌站和棠阴站处湖泊水位-湖面面积呈逆时针迟滞关系,越往上游迟滞度越低(从0.105到0.062变化);康山站处湖泊水位-湖面面积则呈现顺时针迟滞关系。其非线性关系主要体现在低水位时期(主要在阶段1和阶段3);当水位高于16m,湖泊水位与面积基本呈现线性变化关系。这种湖泊水位-湖泊面积迟滞关系的形成受到湖泊地形、流域来水和长江来水的共同影响。  (4)鄱阳湖年内湖泊水位、入湖流量和湖泊面积在鄱阳湖河流效应、湖泊效应及洪泛区作用三者的共同影响下呈现出复杂的变化关系,这三种因素在年内不同时期、湖泊的不同位置对鄱阳湖水文过程分别产生主导。其中,河流效应是造成湖泊水位-入湖流量和湖泊水位-湖泊面积迟滞关系的主要影响因素。这种河流效应在流域来水和长江来水的峰现时间差异下得到了增强,并造成逆时针的湖泊水位-入湖流量关系和顺时针的湖泊水位-长江流量关系。而洪泛区作用则是上游康山站处湖泊水位-湖面面积关系曲线与其他各站点处曲线方向不同的原因。  (5)模拟长江流量过程改变对鄱阳湖水文非线性特征的影响,进一步验证长江来水对鄱阳湖河流效应产生的影响。随着长江来水峰现时间的提前,湖泊水位-流量关系的非线性程度减弱。但流域来水、长江来水和洪泛区三要素对鄱阳湖水文过程的影响力呈非线性组合,仅改变其中一种因素不足以改变或消除鄱阳湖水文要素之间的非线性关系。在本文中,长江来水峰现时间提前流域来水峰现时间33天恰能最大程度的“中和”其他两个因素对水文过程的非线性影响,呈现最小的“迟滞度”。  本文刻画了鄱阳湖湖泊水位-入湖流量关系的三阶段变化过程,为后期进一步刻画鄱阳湖概念水文模型打下基础。同时,提出流域来水、长江来水和洪泛区三者对鄱阳湖水文要素间迟滞关系的影响呈非线性组合,对鄱阳湖系统复杂的水文过程有了进一步的认识。基于本文工作,将来可进一步提高遥感图像分辨率、加强对湖泊洪泛区的水文水动力模拟,以进一步得到影响因素对鄱阳湖水文要素非线性特征影响的定量关系。
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