流域下垫面综合特征与产流能力定量研究

The underlying surface comprehensive feature is composed of different underlying surface features and makes different hydrological features from place to place. The underlying surface comprehensive feature is still lacking the quantitative “describer”, and unable to comprehensive and quantitatively reflect runoff ability. This project takes the upstream of the Huai Rive as the research area. Underlying surface factors including land use, LAI, terrain parameters, soil parameters and so on, are extracted by applying GIS and RS. Based on rainfall-runoff relationships and runoff features, the influences of underlying surface factors and runoff formation are analyzed to reveal integrated mechanism in the runoff process and provide underlying surface key features. The comprehensive CN is proposed to represent watershed runoff ability based on SCS model. Watershed underlying surface comprehensive features are quantitatively formulated in watershed scale and grid scale, which could be used to estimate surface runoff in ungauged catchments. The result of this study will not only deepen the understanding of underlying surface and hydrological process, but also provide a new method in the study of regional water research resource.

流域下垫面各要素构成的综合特征使得各地的水文特征表现千差万别，目前下垫面综合特征还缺乏综合定量的“描述器”，难以全面定量描述流域产流能力。本项目以淮河上游地区为例，通过遥感和GIS技术提取土地利用、LAI、地形参数和土壤参数等下垫面各类要素，基于降雨径流关系和产流特征，研究下垫面各要素对产流形成的影响，揭示下垫面关键特征要素；基于SCS模型分析，提出以综合曲线数（CN）代表流域产流能力；分别建立流域尺度和栅格尺度的下垫面产流能力定量描述模型，应用于缺资料地区地表径流的估算。研究成果不仅可以深化下垫面与水文过程的认识，也为区域水资源研究提供一种新的途径。

流域下垫面各要素构成的综合特征使得各地的水文特征表现千差万别。目前下垫面综合特征还缺乏综合定量的“描述器”，难以全面定量描述流域产流能力。本项目以淮河上游地区为研究区，开展了流域下垫面产流能力定量研究。研究成果如下：.（1）建立了研究区下垫面各类要素的数据集，包括：地形、土壤、植被和土地利用等；特别是针对与地表产流有重要影响的土壤厚度因子，提出了通过机器学习方法预测土壤厚度，得出了地形指数、坡度、高程、土地利用和增强型植被指数是影响土壤厚度的关键因子，建立的集成学习模型可提高预测精度。.（2）通过地理探测器，解释了气候、地形和归一化差异植被指数对径流系数有显著影响，任何两个因素的相互作用都会对径流系数产生非线性或相互增强效应；通过8种基流分割方法，得出了Chapman-Maxwell方法最适合研究区流域基流计算；分析了研究区总径流、基流和地表产流演变规律，得出淮河上游流域径流特征年变化趋势并不显著。.（3）基于SCS-CN模型的参数敏感性分析和模拟结果分析，得出原始模型并不能直接应用于研究区；提出以ERA5土壤湿度产品决定模型前期径流条件，提高了模型模拟精度；将参数b值作为模型需要修正的参数；随着空间尺度增加，下垫面各要素的尺度变化使得修正的参数b呈指数递减趋势；模型模拟精度的最佳空间尺度范围是250 m-500m 尺度。.（4）提出以综合曲线数CN代表流域产流能力，得出地形指数、坡度、土壤厚度和土地覆盖是流域综合特征定量描述的关键因素，揭示了下垫面综合特征与径流形成的相互关系与作用机理，提出了下垫面综合特征定量描述方法。.（5）根据建立定量描述模型，实现了改进的SCS模型在缺资料地区的应用，能够满足在栅格单元、流域单元和市县单元等不同单元尺度下地表水资源估算需求。.研究成果可深化下垫面与水文过程的认识，并与水文模型有机融合，实现对不同单元尺度，特别是缺资料地区的水资源估算具有重要的科学意义和实际应用价值。