山区洪水过程模拟的宏观本构关系研究

Precise prediction is the best way to minimize the flood disasters in mountain area, while the accuracy of prediction is highly dependent on the performance of hydrological model. Scale effect caused by the mismatching problem between the scales that the equations were designed and that the models were applied limits the precise prediction flood events. In this application, one set of macroscopic constitutive relationships for hydrological model is built, which supplies an important measure in bridging the gap between grid scale equations, such as soil infiltration equation, and macro-scale model, such as river basin model. Qingshui River basin is selected as the study area in this application. Hydrological observations and experiments are to be carried out at three different spatial scales: point, hillslope and small watershed. The infiltration processes at the hillslope scale are researched through experiments and numerical simulations, meanwhile the impact of plant on this infiltration processes is also studied. The constitutive relationships built at the hillslope will be applied to small watershed based on massive numerical simulations of the designed equations. After validation, the constitutive relationships will be used in building physically based distributed hydrological model, and the model will be applied in the flood simulation in the Qingshui River basin.

准确预报是减少山洪灾害的最有效手段，而山洪模拟的准确性依赖于水文模型的可靠性。由于模型方程的微观适用尺度与模型的宏观应用尺度间的不匹配引起的水文模拟尺度效应，是限制山洪预报技术发展的瓶颈之一。本研究拟通过提出宏观本构关系的手段，完善山洪模拟的模型方法。研究选择北京市清水河流域为研究区，以山坡为基本单元，通过设计“样点（点）—山坡（面）—小流域”的三级尺度嵌套水文控制实验和野外观测实验，深入研究基于土壤渗透性差异的山洪产流机制、植被地形等要素对其的影响以及产流机制的点-面转化规律，进而通过数值模拟实验在山坡尺度构建参数规律较为稳定、普适性较强的宏观本构关系方程。结合小流域观测实验检验所建本构关系在小流域水文过程耦合模拟中的尺度协调程度，进而构建尺度协调、物理性强的分布式水文模型。在统计分析北京市历年山洪数据的基础上，选择清水河流域典型洪水过程检验新模型方法的可靠性。

本研究以山坡为基本单元，通过三级尺度嵌套水文控制实验和野外观测实验，以具有物理机制的入渗模型和山坡数值产流模型为基本方法，重点考虑土壤分层以及不同环境对入渗和产流过程的影响，通过改进入渗Richards方程和构建耦合运动波方程的数值模型，完善对坡面入渗及产流过程的预测模拟，揭示产流过程受环境因子影响的特征规律和机制，进而总结相应的产流特征关系式。主要研究结果表明：入渗过程中，山坡上各层土壤含水量对不同降雨模式的响应规律不同，表层土壤含水量与降雨呈负相关，而深层土壤含水量变化存在明显的响应峰，且具有响应滞后现象。各层土壤含水量变化的控制因子不同，表层土壤水分运动中，毛管力占据主导地位，孔隙度也是重要影响因子之一。对于深层土壤，毛管力不再是唯一主导作用力，坡面上的入渗过程，需考虑坡度造成的重力分力对入渗过程的影响。基于以上发现，选取Richards入渗模型，结合不同土壤层对应的主控因子进行改进，结果表明，改进后的Richards方程对入渗过程的模拟效果有所提高，受到优先流和坡面侧向流的影响，深层土壤的入渗模拟效果较表层更好。基于此构建耦合入渗方程和运动波方程的数值模型，设定多种不同虚拟山坡情景及相应数值实验方案，并对各情景下的产流过程进行模拟，模拟结果显示各个因子对产流响应时间影响的显著程度依次为：降雨强度>土壤前期含水量>坡度>土壤性质，对产流速率影响的显著程度依次是：降雨强度>坡度，对降雨-产流线性阈值影响的显著程度分别为：坡度>土壤前期含水量>降雨强度>土壤性质。结合各个因子的作用机理，分别得到产流响应因子、产流速率及降雨-产流线性阈值在山坡尺度的特征关系式，为评估所得特征关系式的适用性，选取试验小区内自然山坡上的场次自然降雨产流数据进行验证。模拟值和实测值的拟合效果较好。故本研究所构建的数值模型可有效地模拟山坡尺度产流过程，揭示山坡产流过程响应规律，且山坡尺度降雨-产流特征关系式，能较好反映山坡尺度的产流特征。