华北半湿润地区中小流域降水-径流非线性物理机制与模拟研究

Hydrological nonlinearity is an importantly advanced scientific topic in the study of hydrologic cycle, and it is also an advanced topic for practically hydrological simulation and forecasting. In this project, by taking the small and medium-sized basins in the North China with the significantly precipitation-runoff nonlinear characters as the study objective, by using the field experimental basis and the new laboratory of five-water conversion, and by summarizing potential study results on hydrological nonlinearity, we mainly focus on the "unit"-"system" observed data fusion and the analyses of precipitation-runoff nonlinear processes; by using the advanced experimental techniques and the statistical analytic approaches, we obtain the new experimental data, and further identify the key factors and physical mechanisms impacting the precipitation-runoff nonlinearity. By combining the physical mechanism-based model under small scales with the statistical analyses under big scales, we find the essential precipitation-runoff relationship from the complex phenomena, and develop the new precipitation-runoff nonlinear physical model which have simple model structure but can adapt the changing environmental systems in small and medium-sized basins, mainly for improving the applicability of the model and for improving the accuracy of flood and low-flow simulation. The study results of this project can directly guide the rehabilitation of small and medium-sized basins in China, and they can also provide scientific and practical basis for the water conservancy construction, water disaster control, and water resources management in China.

水文非线性问题是水文科学研究中的重大前沿问题，也是水文模拟与预报技术发展的应用领域前沿问题。本项目以降水-径流非线性关系比较显著的华北半湿润地区典型中小流域为对象，基于野外实验流域与新型的室内"五水转换"实验平台，综合集成以往水文非线性研究成果，开展"单元"-"系统"观测数据整合与降水-径流非线性过程机理分析，利用先进的实验观测技术和统计分析手段，获取第一手实验数据，辩识降水-径流非线性的关键影响因子及物理形成机制。将具有物理基础的概念性模型与宏观系统水文非线性响应函数方法进行融合，提出"从复杂关系中找到一种简单关系"的水文非线性量化途径，构建既能够适应环境条件的变化，又具有简单结构的中小流域尺度新型的降水-径流非线性物理模型，提高模型的适应性和对洪水与枯水径流模拟精度的提升。研究成果可直接服务于当前国家中小河流治理，将对我国水利工程建设、水灾害防治和水资源管理提供水文科学依据与模型支撑。

水文非线性问题是水文科学研究的重大前沿问题，也是水文模拟与预报技术发展的应用领域难题。本项目以华北半湿润地区海河典型中小流域为研究对象，开展降水-径流非线性物理机制与模拟研究。经过4年实施，顺利完成任务与指标。发表学术论文20篇（其中SCI论文7篇），申请发明专利2项、获实用新型专利2项、软件著作权1项，培养博士、硕士研究生共5名、博士后2名。项目负责人获得2015年度中国自然资源学会优秀科技奖，获2016年度中国科技期刊农林学科年度优秀论文特等奖1项。. 主要研究工作与成果：（1）收集整理了一套完整地描述研究区水循环状况的基础数据信息集；（2）利用Mann-Kendal方法、降雨-径流双累积曲线、集中度与集中期等方法，探讨了近年来研究区降水-径流关系，发现潮河流域径流系数显著减少，产流主要来自20mm/日以上大雨，流域降水-径流非线性关系发生了显著性变化；（3）开展了野外调查与人工降水-径流实验，对传统实验装置进行了技术升级改造，完成了100多场次人工降水-径流实验，获取第一手水文实验数据；（4）结合水文实验开展了降水-径流非线性物理机制研究，主要揭示了前期土壤含水量的变化对降水入渗及产流的影响关系；（5）利用演绎推理和数值模拟方法，探讨了降雨产流、坡面汇流和河道汇流的过程机理。揭示了Green-Ampt、LCM、SCS-CN、TVGM等产流模型之间的理论联系及其物理机制，提出了适用于半湿润地区的动力波坡面流和河道汇流新算法；（6）基于机理实验与理论研究，研制了新型降水-径流非线性物理过程模型，进行了20多场次历史洪水过程模拟与重现，模型效率系数在0.85以上；在研究区划分58个子流域，开展了流域分布式降水-径流模拟与应用验证，取得较高精度；（7）基于降水-径流过程模型，改进蒸散发计算方法，实现快速模拟分析流域径流、实际蒸散发及其时空分布特性，促进模型应用推广与功能扩展。以上研究成果可直接服务于国家中小河流治理，为水灾害防治和水资源管理提供水文科学依据与模型技术支撑。