解析山坡結構與降雨徑流回響關係的水文相似性研究

《解析山坡結構與降雨徑流回響關係的水文相似性研究》是依託河海大學，由劉金濤擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：解析山坡結構與降雨徑流回響關係的水文相似性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉金濤
• 依託單位：河海大學

項目摘要

山丘區野外實驗向人們展示了山坡結構特徵的巨大變異性以及其對降雨徑流過程影響的複雜性，但目前對兩者關係的描述多為經驗性的或定性的，難於在無資料流域進行外推或者區域化，這也成為國際水文科學協會發起組織的PUB計畫所遭遇的理論瓶頸。一個可行的方法就是依據流域下墊面結構特徵構建水文相似因子，並對流域進行分類，在相似框架下完成觀測成果從有測站向無（缺）測站流域的轉化。本研究選取和睦橋小流域為對象，通過建立小流域嵌套式的降雨徑流過程強化觀測網路，分析不同山坡結構特徵作用下的降雨徑流回響規律，並揭示其對徑流影響的動力學機制；構建描述實際流域山坡結構特徵空間變異的蓄量動力學方程；導出描述山坡降雨徑流回響的無因次相似因子，發展山坡水文相似理論。水文相似性研究為小流域（山坡）間徑流回響相關分析提供了一種新的途徑，使得野外觀測成果的合理外推成為可能，將為解決無資料小流域洪水預測等問題提供理論依據。

結題摘要

摘要：本研究選取太湖源頭區和睦橋小流域為對象，我們建成了由5個斷面水位觀測點、2個雨量觀測點、1個氣象觀測點和1處強化觀測山坡H1所組成的水文實驗站，圍繞原位觀測開展了大量的野外查勘和室內分析工作。在H1山坡上，根據收集到的46場降雨徑流事件，分析發現壤中流是和睦橋流域的主要徑流成分，形成壤中流所需的最小降水量閾值為14.4mm。我們分析了山坡土壤厚度的分布規律，遴選出與土壤厚度密切相關的高程，坡度，水平曲率，剖面曲率，地形指數等五種地形指標，構建了這五種主要地形指標與採樣點土壤厚度的統計模型，發現格線寬度3.5m為統計預測的最佳解析度。在統計分析的基礎上，構建了和睦橋流域山坡土壤厚度預測模型，該模型基於地貌演化的動力方程，分別採用一指數型函式和蠕動模型描述土壤生成以及輸移的過程。隨後，導出了兩類可用於該模型參數化的方法，這些方法均是基於局地穩定這一前提假設的，即適用於線性模型的脊部區域穩定假設的方法和適用於非線性模型的邊坡穩定的方法。成果已分別發表、投稿於WRR和JGR。通過對山坡結構（如寬度和土壤厚度）的合理概化，研究還構建了山坡蓄量Boussinesq和運動波方程，分別對方程進行了理論解析，給出了12種基本山坡類型的退水公式，並用於想山坡的退水規律研究。該系列方程在和睦橋流域的套用表明，考慮實際流域結構的退水方程能顯著提高山丘區水文過程的模擬精度。最後，在實驗和理論分析的基礎上，我們在國內權威水科學期刊《水科學進展》上發表了“水文相似概念與理論發展探析”，系統定義了水文相似的概念，給出了構成流域水文相似的三要素，即驅動力、結構和水動力要素。成果套用於淮河流域的山丘區，發現所導出的相似因子遴選方法及因子對淮河流域山區流域高流量具有指示作用，可以用來進行水文區劃。成果撰寫學術論文16餘篇，發表（含錄用）論文13篇，其中SCI4篇，Ei3篇。申報了專利4項，軟體著作權1項。