流域降雨径流关系的非稳定性识别及其模拟研究

The rainfall-runoff process is the center part of the hydrological cycle and is always the key topic in hydrology simulation research. The relationship of the rainfall-runoff has been diagnosed as nonstationary for the impacts of climate change and the human activities. It is controversial to implement the traditional theory of the rainfall-runoff under the nonstationary condition. The spatial pattern of rainfall which influences the flow generation and routing is changing and time variant. And the structure of river network and the geomorphology of river are also varying for the human activities such as the dam construction and dredging from river. These variations have not been adopted in the present studies on the relationship of the rainfall-runoff. This proposal will mainly focus on the nonstationary relationship of the rainfall-runoff at the basin scale. The nonstationary relationship will be recognized first through statistical methods. Then the mechanisms of the variation will be figured out through the artificial experiments and the scale transfer functions. The nonstationary hydrological model will be developed based on the mechanisms of the nonstationary relationship of the rainfall-runoff. The results from this study will not only reveal the mechanism of nonstationary hydrological process, but also we will know more about the knowledge of the rainfall-runoff process, and improve the accuracy of flood forecasting, which will support the adaptive water resources management under the changing environment.

流域降雨径流过程是水文循环的中心环节，也是水文学研究的核心内容。由于气候变化和人类活动影响，流域降雨径流关系已呈现出非稳定性特点，传统基于稳定性降雨径流关系的降雨径流分析理论与方法面临挑战。针对现有降雨径流关系研究中忽略降雨空间分布模式非稳定性变化对产流的影响以及河网结构和河流形态变化对汇流演算的影响，本项目拟在流域尺度上，以水循环过程为主线，通过实验与数值模拟手段，结合尺度转换关系，开展流域降雨径流关系的“非稳定性识别”→“非稳定性变化机理” →“模型模拟”三个方面的研究，即为：流域降雨时空非稳定性变化的识别、流域降雨径流关系非稳定变化的机理与判别、流域非稳定降雨径流关系条件下的水文模拟研究，以期构建出流域降雨径流非稳定性识别的理论与方法体系，从而揭示非平稳水文过程机理，增强对降雨径流过程的认知和提高水文模拟精度，为解决非稳定条件下的水文预报、水资源适应性管理提供基础理论与技术支撑。

流域降雨径流过程是水文循环的中心环节，也是水文学研究的核心内容。由于气候变化和人类活动影响，流域降雨径流关系已呈现出非稳定性特点，传统基于稳定性降雨径流关系的降雨径流分析理论与方法面临挑战。针对现有降雨径流关系研究中忽略降雨空间分布模式非稳定性变化对产流的影响以及河网结构和河流形态变化对汇流演算的影响，该项目在流域尺度上，以水循环过程为主线，重点研究了：流域降雨时空非稳定性变化的识别、流域降雨径流关系非稳定变化的机理与判别、流域非稳定降雨径流关系条件下的水文模拟三个方面的内容；选择了汉江、长江上游为研究对象，从气候变化、土地利用影响下渗过程，以及水库调蓄的人类活动对降雨径流非稳定性判别，结合水文模型，在不同的时间尺度上分析了，这些条件对降雨径流关系的响应，并针对面雨量推求中时间尺度问题，进行了深入研究。主要结果如下：.（1）由于受夏季风的影响，空间相关性和自相关性在汛期尤其是夏季期和极端降雨变化不明显，在1960-2008年间，尽快相关程度有逐步增加趋势但空间异质性程度有逐步下降趋势由于随机性影响。对于非汛期，春季和秋季，降雨空间相关性增加趋势。混合插值方法在三个时间尺度上均表现俱佳，随着时间尺度的增加，7种插值方法性能差异逐渐减小。长江上游降雨空间分布模式发生了明显的变化，具有空间相关性的最大范围显著变大，但同时相关范围内各站点之间的降雨的相关关系受随机因素的影响逐渐增大。（2）气候变化和土地利用对降雨径流影响方面。在整个流域范围内，LUC的变化对径流的影响很小，但在自然流域水平上，在子流域水平上，径流组成的变化在城市地区尤为明显。（3）Budyko模型，abcd模型和SCS模型的通用公式推求出比例关系式中的各项参数，证明了该等式的成立，同时率定出了通用公式在不同时间尺度下的参数取值。