洪水预报降雨径流分布式水文模型中新一代流域汇流模型及尺度规律研究

在我国现有洪水预报的蓄满与超渗产流、水源划分及河道汇流模型基础上，以代表性基本流域为基本单元流域，探讨采用控制体积法建立流域汇流数学物理方程与尺度地理规律，为洪水预报分布式降雨径流水文模型提供新一代流域汇流模型以及尺度变化规律。4方面研究内容：采用控制体积法以代表性基本流域为流域单元根据物理定律分析出饱和坡面流、非饱和坡面流、壤中流和地下径流的坡面与河网汇流的数学物理方程以及考虑单元流域内下垫面各种地理与地形特征空间变化参数化方程；流域汇流模型尺度变化的地学基础和规律；通过流域查勘测量、室内径流实验与下垫面遥感分析估算参数化方程中的参数和假定；探讨在代表性基本流域内套用正交网格进行流域汇流的问题。预期研究成果为提出采用控制体积法分析与推导流域汇流数学物理方程与提出建立考虑单元流域汇流下垫面变异的参数化方程、采用新的流域汇流模型的实时洪水预报软件、出版专著、发表论文与培养硕博士研究生。

水文模型的参数与单元流域尺度有关，目前还没有找到不同尺度之间的转换规律。新安江模型是一个概念性的分布式降雨径流水文模型，在我国洪水预报中得到普遍的应用。模型中流域坡面与河网汇流采用线性水库。在应用中发现，如河网汇流消退系数非常敏感，与地理特征的关系不明确，对洪峰影响很大，必须通过流域出口断面的实测流量资料率定；本申请从三个方面研究了河网消退系数CS与流域分块、流域河系特征及下垫面地理特征的关系：（1）国内水文模型模拟常采用流域分块的方法，研究分块数目对模型模拟的影响具有重大现实意义与科研价值。选择屯溪、东湾及王快流域为典型流域，挑选合适的目标函数，采用单纯形法率定参数，研究流域分块对新安江模型SM、CS、CI及CG等参数的影响。研究结果表明，随流域分块数增加，降雨资料均化程度减小，SM呈增大的趋势，CS呈减小的趋势，CI及CG基本保持不变。随流域分块数增加，洪量、洪峰合格数及确定性系数也呈增大趋势，当子流域面积小于一千平方公里时，模拟精度大为改善。（2）新安江模型河网汇流参数 主要取决于河网形态及地貌特征规律，从物理机理分析的角度，构建描述河网汇流动态变化的闭合微分方程，并给出适当的定解条件，用解析法得出微分方程的解，从而探索出在无实测水文资料地区适用的 计算方法。选取我国湿润地区和半湿润地区25个流域，统计并分析了各流域次洪模型的 计算值和率定值。结果表明，从总体来看计算值和率定值基本上相等；不论流域是否分块，均不会影响本文所用到的 计算方法的可靠性及稳定性；参数 的改变主要对次洪过程的洪峰值有较大影响，虽然 取计算值时所得到的次洪模拟结果略逊于取率定值的模拟结果，但误差在可接受的范围之内，也能取得良好的模拟效果。采用该法可推求无实测资料地区的汇流参数 值，使模型在无资料地区的应用成为一种可能。（3）根据实测资料率定参数CS然后建立与下垫面特征值的统计关系。为了提高山区中小河流防洪能力，基于数字高程对大别山区和皖南山区16个中小流域进行数字化，分别提取各个研究流域面积、河道平均坡度、主河道长、形状系数等地貌特征，并以新安江模型汇流参数CS物理意义为基础，分析其和地貌特征指标的规律。结果表明，河网消退参数CS和主河道长，河道平均坡度之间能拟合出较好的数学表达式，且精度较高，可以此作为推求中小流域无资料地区的河网消退参数初值提供参考。

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