解析山坡结构与降雨径流响应关系的水文相似性研究

Extensive field studies in diverse catchments around the world continue to characterize and catalogue the enormous heterogeneity of hillslope structures and complexity of rainfall runoff processes in more and more watersheds, in different hydroclimatic regimes, and at different scales. Nevertheless, attempts to extrapolate or regionalize observations of watershed behavior have been of limited value because of the difficulty in producing concise, easily understood explanations of watershed behavior, which has became theoretical bottleneck faced by Prediction in Ungauged Basins (PUB) of International Association of Hydrological Sciences (IAHS). A time-honored method is to develop and use a classification system based on dimensionless similarity indices, which would allow us to group watersheds into distinct groups, and to transfer observed results from gauged to ungauged basins under the frame of hydrologic similarity. In this study, Hemuqiao Catchment is selected as the experimental station and we try to reveal rainfall-runoff responses affected by different hillslope structures and its hydrodynamics through setting up nested observations in the catchment. Then a hillslope storage dynamics model which is suitable for describing rainfall-runoff processes for a real catchment by considering the heterogeneity of hillslope structures will be developed, and thereby dimensionless similarity indices will be derived. Studies about hydrologic similarity provide a new way for evaluating rainfall-runoff response among different catchments or hillslopes, which will make it possible for extrapolation or regionalization and will be the theoretical basis for solving PUB problems.

山丘区野外实验向人们展示了山坡结构特征的巨大变异性以及其对降雨径流过程影响的复杂性，但目前对两者关系的描述多为经验性的或定性的，难于在无资料流域进行外推或者区域化，这也成为国际水文科学协会发起组织的PUB计划所遭遇的理论瓶颈。一个可行的方法就是依据流域下垫面结构特征构建水文相似因子，并对流域进行分类，在相似框架下完成观测成果从有测站向无（缺）测站流域的转化。本研究选取和睦桥小流域为对象，通过建立小流域嵌套式的降雨径流过程强化观测网络，分析不同山坡结构特征作用下的降雨径流响应规律，并揭示其对径流影响的动力学机制；构建描述实际流域山坡结构特征空间变异的蓄量动力学方程；导出描述山坡降雨径流响应的无因次相似因子，发展山坡水文相似理论。水文相似性研究为小流域（山坡）间径流响应相关分析提供了一种新的途径，使得野外观测成果的合理外推成为可能，将为解决无资料小流域洪水预测等问题提供理论依据。

摘要：本研究选取太湖源头区和睦桥小流域为对象，我们建成了由5个断面水位观测点、2个雨量观测点、1个气象观测点和1处强化观测山坡H1所组成的水文实验站，围绕原位观测开展了大量的野外查勘和室内分析工作。在H1山坡上，根据收集到的46场降雨径流事件，分析发现壤中流是和睦桥流域的主要径流成分，形成壤中流所需的最小降水量阈值为14.4mm。我们分析了山坡土壤厚度的分布规律，遴选出与土壤厚度密切相关的高程，坡度，水平曲率，剖面曲率，地形指数等五种地形指标，构建了这五种主要地形指标与采样点土壤厚度的统计模型，发现网格宽度3.5m为统计预测的最佳分辨率。在统计分析的基础上，构建了和睦桥流域山坡土壤厚度预测模型，该模型基于地貌演化的动力方程，分别采用一指数型函数和蠕动模型描述土壤生成以及输移的过程。随后，导出了两类可用于该模型参数化的方法，这些方法均是基于局地稳定这一前提假设的，即适用于线性模型的脊部区域稳定假设的方法和适用于非线性模型的边坡稳定的方法。成果已分别发表、投稿于WRR和JGR。通过对山坡结构（如宽度和土壤厚度）的合理概化，研究还构建了山坡蓄量Boussinesq和运动波方程，分别对方程进行了理论解析，给出了12种基本山坡类型的退水公式，并用于想山坡的退水规律研究。该系列方程在和睦桥流域的应用表明，考虑实际流域结构的退水方程能显著提高山丘区水文过程的模拟精度。最后，在实验和理论分析的基础上，我们在国内权威水科学期刊《水科学进展》上发表了“水文相似概念与理论发展探析”，系统定义了水文相似的概念，给出了构成流域水文相似的三要素，即驱动力、结构和水动力要素。成果应用于淮河流域的山丘区，发现所导出的相似因子遴选方法及因子对淮河流域山区流域高流量具有指示作用，可以用来进行水文区划。成果撰写学术论文16余篇，发表（含录用）论文13篇，其中SCI4篇，Ei3篇。申报了专利4项，软件著作权1项。