考虑阻力作用的分布式坡面汇流多流向流量分配算法研究

Watersheds runoff process accurately simulation is the important goal hydrology model research pursued. Distributed hydrological model, which structure and parameters have spatial distributed characteristics and can consider the spatial heterogeneity of hydrological parameters, become the preferred to simulate runoff process. But distributed overland flow model determines flow direction and flow allocation between grid cells by gradient of slope as single factor, homogenization and ultimately ignored the influence of slope resistance. The resistance will change in different directions with the spatial variation of the grid cell surface type, slope, vegetation, and overland flow regime.Slope resistance change in different directions effect on overland flow allocation between grid cells. Neglect resistance will lead runoff simulation to larger deviation. The project aims to set up hydraulic models, experimental research hydraulic mechanism of the slope resistance directional difference. Simulation typical slope earth surfaces experimental analysis the law of slope resistance variation in difference direction effects on overland flow allocation between the grid cells under the conditions of different flow velocity, flow regime. Combined with experimental results and the St. Venant kinematic wave theory, we tend to develop a new overland flow allocation algorithm which considers the slope resistance effect, and apply the new algorithm in small watershed, try to make the overland flow process simulated by the hydrological model closer to the actual.

坡面径流过程的准确模拟是水文模型研究的重要内容，分布式水文模型因为在结构与参数上具有空间分布的特点，能够考虑水文参数的空间异质性，成为模拟坡面径流过程的首选。但目前分布式水文模型以坡度单因子决定坡面栅格单元间径流流向及流量分配，均一化处理并最终忽略坡面阻力的影响作用。而坡面阻力会随地表类型、坡度、植被以及坡面流流态等因素的空间变化而变化，并形成方向性差异。坡面阻力方向性差异将对坡面栅格单元间径流流量分配产生影响，忽略阻力作用会导致坡面流模拟的较大偏差。本项目拟建立水力模型进行阻力方向性差异水力学机理实验研究、模拟典型坡面类型实验研究不同流速、流态状态下坡面阻力方向性差异对坡面流各方向流量分配的影响规律，实验结果结合圣维南运动波理论，建立考虑阻力作用的分布式坡面汇流多流向流量分配算法，并在小流域进行应用对比，力图使水文模型对坡面流过程的模拟更接近流域实际。

坡面流运动规律远比河道水流复杂，因此如何有效模拟流域面上的坡面径流过程，是水文及相关领域研究最为关心的课题。目前分布式水文模型采用以坡度单因子决定坡面流栅格单元间径流流向与流量分配的算法，本质上是忽略坡面对水流的摩擦阻力作用，或忽略阻力作用的空间变异性,认为阻力作用在各单元都是没有变化的均一值，这在实际应用时将产生较大的对坡面水流的模拟误差。. 项目建立水力模型试验研究坡面流不同流向方向上阻力差异，研究阻力方向性差异的力学机理,建立考虑阻力作用的坡面汇流多流向流量分配算法，量化坡面阻力方向性差异对坡面流各流向流量分配产生的影响。. 项目进行了近万次循环水槽放水实验，并根据研究需要发明了5种下垫面状况的实验水槽铺设。模拟自然坡面的被覆状况，获得了大量详实的实验数据。研究主要成果是实验揭示了坡面阻力方向性差异,以及阻力方向性差异的存在对坡面流流向流量分配影响规律。改进了目前对坡面阻力的研究多采用明渠水流方式研究，利用流向单一的薄层明渠水流模拟坡面流，只关注坡度、坡面植被类型及密度、降雨量、降雨强度情况下阻力的变化规律，没有涉及坡面流多流向这一特征。而使目前的坡面阻力研究从未涉及坡面流不同水流方向的阻力差异的现状。. 本研究在以下三方面具有科学意义：. ①项目研究改善了目前坡面流研究中习惯性认定坡面流是层流或紊流的简单处理方法，使坡面流流态研究和阻力作用研究更具有理论基础。. ②建立水力模型模拟验证坡面阻力方向性差异，是对目前水力学等相关学科采用流向单一的明渠水流研究坡面阻力规律的改进，也是对地理信息等相关学科研究坡面汇流时流向及流量分配算法的改进。. ③在实验模拟研究基础上，建立考虑阻力因素的坡面汇流多流向流量分配算法，充分体现流域在土地利用、被覆类型等变化情况下所引起的阻力空间变异对水文过程的影响，提高分布式水文模型对流域坡面水文过程模拟的精度，对坡面流模拟研究具有重要意义。