代表性单元流域尺度下湿润区分布式水文物理过程模拟研究

流域尺度的水文循环过程模拟是研究宏观尺度和微观尺度水体运动规律的纽带，是陆面模式研究中的重要内容。基于代表性单元流域的水文模拟思路为该方向提供了很好的研究途径，但目前为止其整体研究尚较薄弱。本研究将尝试联立双源蒸散发模型和一维垂向非饱和土壤水运动方程，研发流域实际蒸散发量计算模块；利用TOPMODEL中地下水埋深～地形指数及饱和产流区面积～地形指数关系，建立湿润区饱和产流面积～饱和区厚度关系；将以上两个模块紧密耦合至基于代表性单元流域的水文模型中，构建一个结构完整、高效实用、同时又能考虑关键参数尺度转换机制的分布式水文物理模型；选定我国南北气候过渡带淮河中游地区进行水文过程模拟研究，测试并检验模型的适用性。研究成果将是流域尺度下水文物理过程模拟的重要工具，其定量数值模拟能力可以为气候变化和人类活动影响下湿润地区的极端气候变化事件、大尺度流域水文响应的模拟和预测提供可靠的实现平台和技术手段。

物理机制分布式流域水文模型与集总式流域水文模型相比，更容易考虑水文过程中各种要素的空间变异性。物理机制分布式流域水文模型与概念性流域水文模型相比，在考虑质量守恒关系的同时，也考虑了水文过程中的动量守恒关系和能量守恒关系。但是现有的很多物理机制水文模型中存在方程适用尺度和模型应用尺度不匹配的问题，从而使得模型的物理机制受到质疑。将热力学理论融入水文学，直接在模型应用尺度上建立物理机制的分布式流域水文模型为解决这一问题提供了新的思路和途径。项目通过学习、继承和创新，完善了基于代表性单元流域构建分布式流域水文模型的理论体系和实现方法，建立了一个具有物理机制的分布式流域水文模型，并对其进行了测试和检验。.本项目具体化了代表性单元流域的划分方法，对于代表性单元流域五子区划分法及其包含的变量，给出了系统性的详细定义。在此基础上，将连续介质力学中描述物理量守恒的微观尺度方程推导至宏观尺度，给出了构建基于代表性单元流域的分布式流域水文模型的基本方程。从基本框架角度完善了代表性单元流域水文模型构建的理论体系。.本构关系是基于代表性单元流域的水文模型构建中的重要问题。项目归纳和建立了若干宏观尺度下反映流域特性的本构关系。将这些本构关系与基本方程进行耦合，构建一个基于代表性单元流域的分布式水文模型。本项目归纳和建立的流域水文本构关系是一套适用于流域水文模拟的较为完整的本构关系，因而本项目从本构关系的角度完善了代表性单元流域水文模型构建的理论体系。.基于代表性单元流域的水文模型采用常微分方程组描述流域水文过程，与传统物理性水文模型所采用的偏微分方程组相比具有更好的数值性质，本项目充分发挥这一优势采用四阶变步长Runge-Kutta法对模型中的常微分方程进行数值求解，在此基础上通过给定假设情形对模型进行了测试。本项目不仅从方法实现角度完善了代表性单元流域水文模型的理论体系，同时保证了模型求解的稳定性。.本项目以全球能量与水循环试验亚洲季风区淮河流域强化观测的史灌河流域黄泥庄水文站控制的集水面积为应用对象，对模型进行了检验。结果表明论文构建的基于代表性单元流域的分布式水文模型对实际水文过程具有较好的模拟效果、较强的再现能力，能够应用于流域水文模拟等相关方面的研究。