現代流域分散式坡面匯流模擬的矢量糙率理論

《現代流域分散式坡面匯流模擬的矢量糙率理論》是依託山東科技大學，由張升堂擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：現代流域分散式坡面匯流模擬的矢量糙率理論
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張升堂
• 依託單位：山東科技大學

項目摘要

現代流域在人類活動影響下呈破碎斑塊狀分布，自然條件下植被分布、坡面延續、土壤物理性狀等所具有的連續分布的空間屬性被破壞，形成人為間斷，使流域特徵參數的空間變異性劇增，糙率因子空間變異性的增強將明顯影響坡面匯流過程，而目前分散式水文模型對坡面糙率因素考慮不足。因此，如何表征與度量現代流域坡面糙率空間變異性，將糙率因子的影響有效反映到分散式坡面匯流模擬中，成為急需研究的課題。本研究在總結前期工作基礎上提出矢量糙率理論，認為現代流域坡面斑塊條帶分布使不同柵格單元糙率取值不同，同一柵格單元內不同方向也會因為條帶走向而具有不同糙率取值，從而使坡面糙率具有矢量屬性，並對徑流流向與流量分配產生影響。本項目擬採用水力模型實驗、運動波理論分析和小流域徑流模擬對比相結合的方法，實驗研究糙率矢量屬性，建立考慮矢量糙率洪晚凝因子的坡面匯流流向與流量分配數學模型，使分散式坡面匯流模擬結果更接近人類活動影響下的流域實況。

結題摘要

本項目認為現代流域在人類活動影響下其下墊面呈條帶分布狀斑塊，由於不同植被、地質、鋪裝類型的地表斑塊具有不同的糙率，從而使坡面糙率具有高度空間變異性，用分散式坡面匯流模型模擬坡面降水徑流過程時，坡面各柵格單元不同徑流流向方向上的糙率取值不同，使坡面糙率取值具有矢量性質，並對流域匯流產生影響。本項目通過現代流域地表各種條帶走向類型的野外調查與測定，運用水力學模型實驗方法，建立相似模型模擬現狀地表進行水流流向與條帶走向呈不同夾角設霸她情況下水流流速、水深、流態等水力要素與糙率取值之間的變化規律研究，實驗中模擬具有走向種植的樹木、人工草地、農田等地表，鋪設實驗水槽底部，並在不同水流流速、水深情況下率定其糙率值。一組流速實驗操作後改變鋪設條帶走向與水槽軸享婚獄線的夾角，然後再進行不同流速的另一組實驗操作。實驗數據經計算分析，證實現代流域面的條帶走向使地表糙率具有矢量屬性，這種矢量屬性會對地表徑流在各方向的流量分配產生影響，本項目在實驗基礎上結合一維聖維南運動波方程建拒訂拔辯立了考慮糙率不同方向取值的分散式坡面匯流多流向的流量分配模型，並運用於小流域進獄紋行降水徑流模擬對比，結果顯示其模擬的精度優於傳統忽略糙率空間變異性的分散式坡面匯流模型。項目完成了各項計畫任務，實驗證實現代流域地表的糙率矢量屬性，並建立了考慮矢量糙率屬性的坡面匯流流量分配模型。另外，結合分散式水文模型對降水數據的分散式需求，而目前小流域的蘭榜虹實測數據多為以測站為基礎的點數據，不滿足分散式降水數據的需求，進行了降水數據的空間插值方法研究。結合城市下墊麵條帶測定和模擬，研究了城市硬化路面的集雨潛力以及城市化的水文效應研究，以及城市化導致降水徑流異常效應，分析研究了濟南“7.18”暴閥拘背微雨洪水以及我國北方地區大面積乾旱成因。項目實施過程中發表相關學術論文8篇（另有3篇待刊出），其中EI收錄3篇，ISTP收錄1篇，中文核心3篇。參加國際學術會議4人次，並實現對美國亞利桑那大學水文與水資源學院的學術訪問與交流。培養碩士研究生5名，其中2名畢業，3名在讀。目前項目組證實現代流域地表的矢量糙率屬性的存在，並初步套用於小流域降水徑流的模擬，但糙率各方向其取值與影響因素之間的關係規律研究、矢量糙率理論如何在非一維水流相關公式中推廣套用以及適用條件等等依然有待於進一步探索研究。