结构相似的年月日尺度概念性水文模型参数与流域特性的关系研究

Conceptual hydrological models have been successfully applied for flood forecasting and water resources assessment at gauged watersheds. This type of models identifies simple and robust spatial and temporal patterns of hydrologic behaviors based on a large number of observations, and postulates a concept for connecting the observed patterns to the processes that created them. Due to the simplification, model parameters are lack of physical meanings. It is difficult to understand the impacts of controlling factors (e.g., slope, vegetation cover and rainfall frequency) on hydrologic processes from model parameters, which limits the applications of conceptual models to evaluate hydrologic responses to watershed properties changes at ungauged watersheds. This project aims at understanding the relationships between controlling factors and model parameters of three conceptual models which have identical structure at daily, monthly and annual time scales, respectively. Ultimately, the potential connections of these relationships across time scales can be identified. A total of 175 watersheds in China with available data are selected for this project.

概念性水文模型具有结构简单、结果可靠等优势。但该类模型是对流域水文过程的一种高度概括和简化，模型参数往往综合了多个物理过程，这就使得厘清模型参数与不同水文过程的关系变得困难。研究表明，探索模型参数与降水、植被、土壤和地形等流域特性间的关系可有助于解答这一难题。本项目拟选用结构相似的三个时间尺度的概念性水文模型，即年尺度Budyko模型、月尺度“abcd”模型以及日尺度SCS模型，运用中国175个典型小流域实测数据，系统地开展不同尺度的概念性水文模型参数与流域特性的关系研究，以期实现如下研究目标：1）探明不同尺度概念性水文模型参数与流域特性间的成因关系，重点构建年月日尺度模型参数与流域特性间的经验和数学公式；2）揭示不同尺度的概念性水文模型参数与流域特性关系的差异与联系，主要明确年月日尺度模型参数的经验和数学公式间相互转换的可能性及潜在关联。最终，为理解概念性水文模型参数提供一种新的尝试。

本项目围绕不同时间尺度的概念性水文模型的发展和应用展开，在多年尺度下，将影响水文过程的人类活动与概念性水文模型Budyko模型的参数建立联系，提出了量化人类活动对多年尺度径流变化贡献率的理论计算公式；在年尺度下，揭示了土壤水储量变化对于流域年径流敏感性的显著影响，建立了定量研究年径流对气候变率变化（如极端值、季度值等）敏感性的理论框架，构建了中国典型中小流域的影响水文过程的流域特性数据库。研究取得以下成果：1）提出了量化人类活动对多年尺度径流变化贡献率的理论计算公式，将该理论计算公式运用到已发表的流域中，结果显示该理论公式计算求得的气候和人类活动对径流变化的相对贡献率与传统的水文模型模拟方法和其他方法计算的结果接近，并且该方法的计算效率却远大于其他方法，此外，将该理论公式运用到跨境流域之一的澜沧江-湄公河流域，定量评估了不同历史时期干流水文控制站中气候和人类活动对径流变化的相对贡献率，为该跨境流域的水资源管理提供了理论支撑；2）构建了年径流对气候变率变化敏感性的理论框架，基于年尺度的概念性水文模型，建立了年降水和年潜在蒸散发的径流弹性系数理论计算公式，将该理论框架应用到数据相对完备的美国335个典型小流域，揭示了美国地区径流对气候变率变化敏感性的区域规律；3）整理形成了中国典型中小流域的影响水文过程的流域特性数据库，基于该数据库定量评估了中国典型小流域不同历史时期径流对降水响应规律的变化特点，结果发现20世纪80年代以后，径流对降水变化的敏感性有增大的趋势。在项目支持下，在水文学领域的权威SCI期刊《Water resources research》和《Journal of Hydrology》上发表论文2篇，同时，参编剑桥大学出版社出版的英文专著1部，正在撰写的SCI论文1篇。