采煤沉陷区分布式水循环模拟与水利工程效用研究

• 序

• 前言

• 1绪论

• 2模型开发设计与模型原理

• 3模型构建与检验

• 4采煤沉陷区蓄洪除涝作用研究

• 5采煤沉陷区水资源开发利用潜力研究

• 6采煤沉陷区水环境安全保障研究

• 7研究结论与展望

• 参考文献

《采煤沉陷区分布式水循环模拟与水利工程效用研究》主要介绍面向对象模块化的“河道－沉陷区－地下水”分布式水循环模拟模型的开发及其在采煤沉陷区应用的相关内容。通过建立符合当地水循环形成转化特征的分布式水循环模拟模型来论证采煤沉陷区的积水机理和水资源形成转化机制，不同沉陷发展阶段的蓄洪除涝能力、可供水量，及沉陷区水资源开发利用对淮河干流的环境影响、矿区环境对沉陷区水质的影响和水质保护等方面内容。

《流域水循环分布式模拟与调控》基于天然水循环和人工侧支用水过程耦合模拟的思想，利用数字高程模型和数字河湖网资料，构建了基于“天然-人工”双拓扑结构的数字河网和分布式水资源模拟模型。针对大流域配水供需单元之间往往存在时延性的情况，利用等流时带概念，通过空间上等流时带的平移反映调蓄工程放水在时间上的滞后性影响，建立流域水资源优化配置模型。利用大系统优化的分解协调方法进行求解，实现整体系统不同层次的优化。所建模型，不仅可用于模拟土地利用/土地覆被变化等不同下垫面条件对水资源形成转化的影响，而且可用于模拟人工侧支用水对水资源形成转化与利用的影响，以及大流域水资源的优化调控。

目录

前言

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 分布式水资源模拟 3

1.2.1 国外分布式水资源模拟研究进展 3

1.2.2 我国分布式水资源模拟研究进展 5

1.3 水资源配置 6

1.3.1 国外水资源配置研究 7

1.3.2 我国水资源配置研究 10

1.4 本书的主要内容 14

1.5 技术路线 15

第2章 水循环过程 17

2.1 天然状态下的水循环过程 17

2.2 人类活动影响下的水循环过程 18

2.3 “天然-人工”双驱动因素相互影响与耦合 19

2.3.1 人工驱动因素对天然状态下水循环过程的影响 19

2.3.2 天然驱动因素对人工侧支用水的影响 21

2.3.3 “天然-人工”双驱动因素的耦合 21

2.4 基于“天然-人工”双驱动因素的径流演化 22

2.5 本章小结 23

第3章 “天然-人工”双拓扑结构数字水系构建 24

3.1 地理信息系统 24

3.1.1 地理信息系统的概念 24

3.1.2 数字地面模型概述 26

3.1.3 地理信息系统在分布式水资源模拟模型研究中的应用 29

3.2 传统的基于DEM提取流域排水结构方法 30

3.2.1 基于DEM的单元划分方法 30

3.2.2 DEM的预处理 31

3.2.3 流向判断 32

3.2.4 河网提取 35

3.3 基于“天然-人工”双拓扑结构建立数字水系 37

3.3.1 双拓扑结构数字水系构建流程 37

3.3.2 基于DEM与DRLN自动提取河网 38

3.3.3 基于等流时带的子流域划分方法 46

3.3.4 引入人工影响因素的数字河网的构建 50

3.4 土壤类型和土地利用分布概化 54

3.4.1 下垫面条件变化对水循环的影响 54

3.4.2 遥感信息反演 54

3.4.3 土壤类型和土地利用在子流域内的概化 61

3.5 本章小结 61

第4章 基于“天然-人工”双拓扑结构的水资源模拟 63

4.1 建模思路及整体框架 63

4.1.1 建模思路 63

4.1.2 整体框架 64

4.2 地表能量平衡 67

4.2.1 太阳辐射量 67

4.2.2 大气对太阳辐射的影响 68

4.2.3 日净辐射 69

4.3 气象资料模拟 70

4.3.1 实测资料生成 70

4.3.2 自动生成资料 73

4.3.3 气象资料的高程修正 74

4.3.4 降雪和融雪 75

4.4 天然因素的模拟 77

4.4.1 蒸散发 77

4.4.2 截留 81

4.4.3 下渗与土壤水分运动 82

4.4.4 地表径流 85

4.4.5 汇流 88

4.5 人工影响因素的模拟 89

4.5.1 灌区水循环模拟 89

4.5.2 城镇地区水循环模拟 92

4.5.3 水利工程调蓄作用模拟 95

4.5.4 其他用水模拟 96

4.6 本章小结 97

第5章 分布式水资源模拟模型参数率定 99

5.1 目标函数及评价指标 99

5.1.1 模型率定目标函数 99

5.1.2 模型模拟效率评判准则 100

5.2 分布式水资源模拟模型参数率定方法 102

5.2.1 试错法 102

5.2.2 传统数学优化方法 103

5.2.3 几种常用的全局优化算法 105

5.3 分布式水资源模拟模型参数灵敏度分析 113

5.3.1 扰动分析法 113

5.3.2 RSA方法 113

5.3.3 GLUE方法 114

5.4 本章小结 114

第6章 用水部门需水预测 115

6.1 需水概念及分类 115

6.2 需水要素的预测 117

6.2.1 生活需水 117

6.2.2 工业需水 119

6.2.3 建筑业和第三产业需水 125

6.2.4 农业需水 126

6.2.5 生态需水 131

6.2.6 综合需水分析与计算 143

6.3 需水要素的时间展布 144

6.3.1 生活需水 144

6.3.2 生产需水 144

6.3.3 生态需水 145

6.4 需水要素的空间展布 145

6.4.1 没有辅助数据的面插值 146

6.4.2 有辅助数据的面插值 148

6.4.3 需水要素的空间展布 148

6.5 用水效益计算方法 149

6.5.1 农业用水效益计算 149

6.5.2 工业供水效益计算 154

6.5.3 其他部门用水效益计算 156

6.6 本章小结 157

第7章 流域水资源优化配置模型的构建 159

7.1 水资源优化配置的概念 159

7.1.1 水资源优化配置的目标 159

7.1.2 水资源优化配置的原则 160

7.1.3 水资源优化配置的手段 161

7.2 基于“天然-人工”双拓扑结构的水资源系统基本框架 163

7.2.1 系统概化方法 163

7.2.2 系统框架 165

7.2.3 供水的时延性 166

7.3 流域水资源优化配置模型 168

7.3.1 全流域水资源优化配置数学模型 168

7.3.2 计算单元水资源优化配置数学模型 170

7.4 本章小结 171

第8章 流域水资源优化配置模型的求解 172

8.1 大系统概述 172

8.1.1 大系统优化的分解协调技术 172

8.1.2 大系统优化方法概述 175

8.1.3 水资源大系统优化 179

8.2 分解协调方法 181

8.2.1 系统描述 181

8.2.2 系统分解与协调 183

8.2.3 非线性耦合的推广 189

8.3 水资源优化配置大系统递阶结构 190

8.3.1 水资源优化配置模型分析 190

8.3.2 各层目标函数的选取 191

8.4 协调步骤 192

8.4.1 空间分解法分解协调 192

8.4.2 混合法分解协调 195

8.5 本章小结 196

第9章 实例研究 197

9.1 流域概况 197

9.1.1 自然地理 197

9.1.2 地形地貌 197

9.1.3 土壤植被 198

9.1.4 气候 199

9.1.5 河流水系 200

9.2 资料分析 200

9.2.1 地理信息 200

9.2.2 气象资料 202

9.2.3 水文资料 202

9.2.4 宏观经济资料 205

9.3 黄河流域基于“天然-人工”双拓扑结构数字河网的建立 210

9.3.1 黄河流域数字河网的生成 210

9.3.2 等流时带的划分及参数率定 212

9.3.3 人工影响因素的引入 212

9.3.4 子流域间拓扑关系的建立 213

9.4 黄河流域基于“天然-人工”双拓扑结构分布式水资源模拟 213

9.4.1 模型参数率定 213

9.4.2 模拟结果及分析 214

9.5 黄河流域水资源优化配置 219

9.5.1 系统概化 219

9.5.2 情景选取 220

9.5.3 配置结果 228

9.6 本章小结 238

第10章 结论与展望 239

10.1 结论 239

10.2 展望 242

参考文献 243 2100433B

《流域水循环分布式模拟》是国家重点基础研究发展规划项目（“973”，G19990436）的研究成果之一，主要内容是分布式水文模型系统的研发与集成。全书共分10章。第一章介绍了分布式水文模型的基本概念和国内外研究进展；第二章探讨了分布式水文模型的理论基础；第三章阐述了分布式水文模型的相关支撑技术；第四章介绍了自主开发的流域分布式水文模拟系统HIMS的结构和功能；第五章至第七章介绍了自主开发的三种时空民度的分布式水文模型；第八章和第九章介绍了国外分布式水文模型在黄河流域的应用；第十章对分布式水文模型的研究进行了总结，分析子分布式水文模型存在的问题及其发展前景。

《流域水循环分布式模拟》重在理论研究与应用实践的结合，在流域水循环分布式模拟研究方面，具有很好的指导和示范作用，可供水利工程、环境工程、地质工程、地球科学等专业的科技工作者参考，也可作为相关专业教师、研究生、本科生的辅助教材。