黄土高原典型小流域关键水力参数的几何关系模型研究

Determination of the key hydraulic parameters plays a decisive role in the prediction accuracy enhancement of the hydrological models and soil erosion models, and therefore has received a great deal of attention when studying watershed hydrological models. The hydraulic geometry theory is an effective tool of quantifying the relationship between channel morphology and hydraulic variables, however, it is seldomly used to determine hydraulic parameters in watersheds. In this project, the hydraulic geometry theory is introduced to four typical small watersheds in the Loess Plateau region. Possible function expressions of watershed hydraulic geometry are first discussed and then the optimal hydraulic geometry models are established via multiple evaluation criteria, to decribe the relationships between discharge rate and flow velocity, flow water width, and flow water depth respectively for the study watersheds. In addition, the spatial-temporal variation of watershed hydraulic geometry is discussed; on this basis, mechanisms of the effect of factors on the watershed hydraulic geometry relationship are analyzed, including sediment concentration, discharge rate, watershed area and watershed land use pattern. Also, the stability of the hydraulic geometry models is evaluated and the physical meanings of model parameters are analyzed. Furthermore, the hydraulic geometry models are validated. The causes of errors are investigated and the adaptability of the hydraulic geometry models is discussed as well. In summary, this research aims to provide a new method of determining watershed hydraulic parameters, and a critical tool for watershed hydrology forecast and soil erosion prediction in the Loess Plateau region. Also, the study could supply some scientific insight for related research in other areas of China.

关键水力参数的确定对提高流域水文及土壤侵蚀预报模型的精度起着举足轻重的作用，是当前流域水文模型研究和应用的重要内容。传统的水力几何理论是对河道形态与水力学特征之间的关系进行定量描述的一种重要方法，但很少用于确定流域水力参数。本项目将河道水力几何理论引入流域，以黄土高原四个典型小流域为研究对象，探讨流域水力几何关系的各种可能表达，通过多种评价标准优选流域水力几何模型，用以表征流域流量-流速、流量-水面宽、流量-水深关系，并揭示流域水力几何关系的时空变异规律；在此基础上，研究含沙量、流量、流域面积、土地利用方式等因素对流域水力几何关系的影响机制，评价水力几何模型的稳定性，解析模型参数的物理含义；最后对流域水力几何模型进行验证，分析模型的误差来源并评价其适用性。本研究旨在提供一种确定流域水力参数的新方法，为黄土高原流域水文及土壤侵蚀预报提供有力工具，为我国其他地区类似研究提供科学参考。

关键水力参数的确定对流域水资源管理及土壤侵蚀预报模型的精度起着举足轻重的作用，是当前流域水文及土壤侵蚀模型研究和应用的重要内容。水力几何理论一般用于河道水力几何形态特征的定量描述，本项目旨在将水力几何理论应用于流域出口断面水力几何关系拟合，以黄土高原四个不同尺度典型小流域（1-100 km2）为研究对象，探讨流域水力几何关系适宜表达形式，优选流域水力几何模型，确定模型参数取值，对流域水力几何模型进行验证，评价水力几何模型的稳定性及适用性，揭示流域水力几何关系的时空变异规律及流域尺度对水力几何关系的作用机制。通过引入稳定入渗参数（Fc）对曲线数（CN）方法修正得到MCN方法，用于小流域入渗模拟。研究结果表明，应用幂函数模型刻画黄土高原不同尺度小流域水面宽-流量（W=aQb）、水深-流量（D=cQf）及流速-流量（V=kQm）均具有较强的适用性，但模型系数（a、c、k）取值因流域而异，而且在长时间序列中具有显著的下降趋势，特定流域的模型指数（b、f、m）则具有较强的稳定性。水力几何模型系数a、c与流域尺度无显著相关性，系数k则与流域尺度呈正相关关系（P<0.05）。水力几何模型指数b、f与流域尺度呈负相关关系（P<0.05），而指数m与流域尺度呈正相关关系（P<0.05）。应用CN方法和MCN方法分别对小流域入渗进行模拟。结果表明，MCN方法应用观测初损值计算流域入渗(E=0.9；RMSE=24.4%)比CN方法模拟流域入渗（E=0.6；RMSE=53.5%）精度有较大提高。本研究提供了一种确定流域水力参数新方法，并修正建立了流域入渗MCN模型，为黄土高原流域水文及土壤侵蚀预报提供有力工具，为我国其他地区类似研究提供科学参考。