耦合融雪的分布式流域降雨-径流过程数值模型的研究

In response to the present conditions in China on hydrological research such as 1) It is difficult to estimate water resources in a basin accurately; 2) lack of numerical model for rainfall-runoff process combined with snowmelt; 3) Less generalization of the exsiting numerical model for rainfall-runoff.With the aim to provide a scientific method for accurate assessment of water resources in a basin, a basin which has representitivenesses of semiarid area of Western of Heilongjiang Province is to be chosen as the study area. To achieve the basic data by meteorologcial and hydrological observation, to develop hydro-geological model basing on the geographical survey,to generate the DEM and river channel networks by GIS, to develop modules on rainfall-runoff and snowmelt by kinematic wave theory and energy budget method, respectively, to develop program for numerical calculation by Forturn,to test and verify validity of the numerical model through numerical simulation of the observed hydrologcial data, and to apply model primarily at the study area. In the process of model development, we will focus on the openness and generalization of the model in order to achieve its popularization and application under different geographical conditions. As the results, a practical numerical model which applies to calculate the rainfall-runoff process combined with snowmelt for the small and medium-sized basin will to be proposed, and the results are significant for realization of basin digitization and development of cold region hydrology, and to provide scientific basis for major policy decision of basin water resources.

针对水文学上对流域水资源难于准确推求及我国耦合融雪的降雨-径流数值模型较少且现有的降雨-径流数值模型普遍存在通用性较差的现实，本项目以黑龙江省西部半干旱区的典型流域为依托，研发适用于中小流域尺度的耦合融雪的降雨-径流数值模型，为准确评估中小流域水资源提供科学的计算方法。研究通过实际的水文、气象观测获取基础数据，基于对实际地理情况的调查构建水文地质模型，以GIS为平台构建流域数字高程模型及河网，基于能量平衡法构建融雪计算模块，基于运动波理论基础方程式构建降雨-径流计算模块，以计算机语言开发耦合融雪的降雨-径流过程计算程序，以对观测水文数据的数值模拟检验模型的实用性并在研究流域实现应用。在开发数值模型过程中，注重其开放性和通用性，以利于模型在不同地理条件流域的降雨-径流计算中推广应用。研究结果对实现流域数字化特别是寒区水文学的发展具有重要的学术价值，可为流域水资源重大决策问题提供科学的依据。

研究背景：我国自主研发的分布式水文模型相对缺乏，黑龙江省西部的松嫩平原处于半干旱区，是我国重要的粮食生产基地之一，该区季节性水资源相对缺乏，揭示该区降雨-径流特性和实现对地表水资源的准确评估，对于确保该区粮食产能，实现水资源可持续性开发利用意义重大。研究内容：依托流经内蒙古东部和黑龙江省西部的阿伦河流域，基于实际调查构建流域土壤垂直剖面模型，基于GIS结合运动波理论基础方程式以及能量平衡法研发耦合融雪的分布式水文模型；基于数值模拟检验模型实用性和计算效率；对研究区2011～2015的降雨-径流及融雪过程进行了数值计算并对结果进行了解析；在构建位于平原区的阿伦河流域和前期研究中位于沟壑区黄土高原北部六道沟流域分布式水文模型等研究的基础上，筛选不同地形条件下分布式水文模型的结构共性，研发适用于不同地形中小尺度流域具有结构通用性的分布式水文模型。主要结果：（1）推求了阿伦河流域2011～2015年各年、月的径流量和径流系数，年径流系数分别为0.37、0.35、0.42、0.41、0.34，5年平均0.38；5年6～8月降雨集中时期的径流系数分别为0.44、0.39、0.40、0.53、0.49，均值为0.45；（2）2011～2015各年主要融雪期的径流占当年总径流量的1.4%、1.4%、0.6%、2.0%、2.2%；5年平均融雪径流贡献率为1.5%；（3）阿伦河流域耦合融雪分布式水文型的计算精度误差小于3%；（4）构建了适用于不同地形具有结构通用性中小尺度流域分布式水文模型并检验了其实用性。科学意义：（1）一定程度上揭示了近5年来黑龙江省西部半干旱区降雨-径流的季节性特征和融雪径流过程的特点，为准确评估该区的水资源量和实现该区季节性水资源的合理开发和利用提供了数据基础；（2）为不同地形条件下中小尺度流域的降雨-径流以及寒区中小尺度流域耦合融雪降雨-过程计算提供了实用的方法；（3）对我国自主研发物理性分步式水文模型以及基于分布式水文模型搭建数字流域平台提供了研究基础。