现代流域分布式坡面汇流模拟的矢量糙率理论

现代流域在人类活动影响下呈破碎斑块状分布，自然条件下植被分布、坡面延续、土壤物理性状等所具有的连续分布的空间属性被破坏，形成人为间断，使流域特征参数的空间变异性剧增，糙率因子空间变异性的增强将明显影响坡面汇流过程，而目前分布式水文模型对坡面糙率因素考虑不足。因此，如何表征与度量现代流域坡面糙率空间变异性，将糙率因子的影响有效反映到分布式坡面汇流模拟中，成为急需研究的课题。本研究在总结前期工作基础上提出矢量糙率理论，认为现代流域坡面斑块条带分布使不同栅格单元糙率取值不同，同一栅格单元内不同方向也会因为条带走向而具有不同糙率取值，从而使坡面糙率具有矢量属性，并对径流流向与流量分配产生影响。本项目拟采用水力模型实验、运动波理论分析和小流域径流模拟对比相结合的方法，实验研究糙率矢量属性，建立考虑矢量糙率因子的坡面汇流流向与流量分配数学模型，使分布式坡面汇流模拟结果更接近人类活动影响下的流域实况。

本项目认为现代流域在人类活动影响下其下垫面呈条带分布状斑块，由于不同植被、地质、铺装类型的地表斑块具有不同的糙率，从而使坡面糙率具有高度空间变异性，用分布式坡面汇流模型模拟坡面降水径流过程时，坡面各栅格单元不同径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质，并对流域汇流产生影响。本项目通过现代流域地表各种条带走向类型的野外调查与测定，运用水力学模型实验方法，建立相似模型模拟现状地表进行水流流向与条带走向呈不同夹角情况下水流流速、水深、流态等水力要素与糙率取值之间的变化规律研究，实验中模拟具有走向种植的树木、人工草地、农田等地表，铺设实验水槽底部，并在不同水流流速、水深情况下率定其糙率值。一组流速实验操作后改变铺设条带走向与水槽轴线的夹角，然后再进行不同流速的另一组实验操作。实验数据经计算分析，证实现代流域面的条带走向使地表糙率具有矢量属性，这种矢量属性会对地表径流在各方向的流量分配产生影响，本项目在实验基础上结合一维圣维南运动波方程建立了考虑糙率不同方向取值的分布式坡面汇流多流向的流量分配模型，并运用于小流域进行降水径流模拟对比，结果显示其模拟的精度优于传统忽略糙率空间变异性的分布式坡面汇流模型。项目完成了各项计划任务，实验证实现代流域地表的糙率矢量属性，并建立了考虑矢量糙率属性的坡面汇流流量分配模型。另外，结合分布式水文模型对降水数据的分布式需求，而目前小流域的实测数据多为以测站为基础的点数据，不满足分布式降水数据的需求，进行了降水数据的空间插值方法研究。结合城市下垫面条带测定和模拟，研究了城市硬化路面的集雨潜力以及城市化的水文效应研究，以及城市化导致降水径流异常效应，分析研究了济南“7.18”暴雨洪水以及我国北方地区大面积干旱成因。项目实施过程中发表相关学术论文8篇（另有3篇待刊出），其中EI收录3篇，ISTP收录1篇，中文核心3篇。参加国际学术会议4人次，并实现对美国亚利桑那大学水文与水资源学院的学术访问与交流。培养硕士研究生5名，其中2名毕业，3名在读。目前项目组证实现代流域地表的矢量糙率属性的存在，并初步应用于小流域降水径流的模拟，但糙率各方向其取值与影响因素之间的关系规律研究、矢量糙率理论如何在非一维水流相关公式中推广应用以及适用条件等等依然有待于进一步探索研究。