半湿润半干旱流域用于水文预报的新一代降雨径流水文模型研究

在现有三层蒸散发与河道汇流水文模型基础上，建立能够像湿润地区的蓄满产流模型一样的新一代降雨径流水文模型，提高我国半湿润半干旱地区洪水预报的精度。通过两个研究途径，其一是建立精度比较高的流域降雨-径流关然后采用分水源等进行洪水预报，另一个就是采用控制体积方法建立产汇流数学物理方程等方法组成的洪水预报模型。有5方面研究内容：对国内外径流实验文献进行分析及对采用半湿润半干旱降雨-径流水文模型进行洪水模拟与预报的精度进行剖析并探讨精度不高的原因；像蓄满产流模型一样分析半湿润半干旱流域的产流计算模型，如在产流计算中增加暴雨中心与下垫面变化等指标；采用控制体积方法探讨根据物理定律建立降雨-径流分布式水文模型数学物理方程以及单元流域下垫面地理与水文特征空间变化的参数化方程；水源划分结构与流域退水规律分析；采用加密观测的典型流域水文资料对新建模型进行验证。预期成果为出版专著、发表论文与培养硕博研士研究生。

半湿润半干旱地区精度较低，人类活动影响导致了流域下垫面剧烈变化，改变了流域的产汇流特性。研究半湿润半干旱地区的产汇流机制，建立适合降雨~径流预报水文模型，是急需解决的一个难题。本申请从6个方面进行了研究：（1）降雨径流区域规律。针对无资料地区产流量预报难题，通过分析由2000多场洪水得到的30多个湿润、半湿润半干旱流域的降雨～径流相关关系，发现了具有相同降雨～径流相关图的降雨径流响应相似流域，在分析流域下垫面特征的基础上，揭示了流域降雨径流响应相似的成因本质，实现了在一定条件下降雨径流关系向无资料流域的移植。（2）水文模型比较与集合预报。采用十一个水文模型应用于六个流域，分析不同模型的优缺点。使用贝叶斯模型平均法对模拟结果进行集合，得出精度较高的均值预报结果和概率预报结果，定量评价模型不确定性的影响。（3）产汇流机理方面研究。提出了蓄满与超渗两种产流模式时空动态组合理论。基于下垫面地形地貌、土壤、植被遥感等多源信息，挖掘产流模式空间分布与下垫面特性间的关联，确定了蓄超产流区空间组合模式。针对流域中小水库与水土保持工程等人类活动引起的流域蒸散发、下渗与产汇流过程的时空局部变化，提出了“带门槛水库”这一概念性元件描述人类活动非线性流域水文响应的新方法。（4）模型构建研究。以自然子流域为流域单元，提出了新安江-海河模型、增加超渗产流的新安江模型及蓄超空间组合的分布式水文模型；以正交网格为流域单元，建立了以新安江模型为基础的网格新安江精细化模型和蓄超组合的精细化水文模型；进行大数据挖掘研究，提出了数据驱动模型以及智能化校正模型。（5）模型参数估计方面。进行了精细化产汇流参数地理规律与空间分布分析方法研究。基于高分辨率地形特征和土壤属性数据，根据参数物理意义，建立了产流、分水源参数与土壤水文常数、土层厚度等流域下垫面特性间的定量关系，为无资料地区参数估算提供了新的技术和方法。在模型参数优化方法研究。提出通过“降维”的思想固定一些参数，使寻优结果稳定，得到唯一的最优解；（6）流域分块研究。选择3个典型流域，挑选合适的目标函数，采用单纯形法率定参数，研究流域分块对模型敏感参数以及模拟精度的影响。当分块数从1块到3块时，模拟精度明显改善；大于3块时，模拟精度有改善但不明显。分3块时，子流域面积约一千平方公里，这说明流域分块子流域面积不宜大于一千平方公里。