中小河流及无测站流域径流形成非线性机理及其模型的应用基础研究

Runoff generation and transformation is rather complex in hydrology. It is very important to understand its action mechanism for flood control and water security. Applied basic research on nonlinear runoff generation and river flow forecasting in middle & small rivers and ungauged basins is also major task of present international hydrologic programme, such as Prediction in Ungauged Basins (PUB). This application project will focus on time-variant nonlinear runoff generation and transformation to changing environment. Major research contents: (1) identifying the multi-source time variant nonlinear mechanism of runoff generation in small- to medium-size catchments through indoor and field runoff experiments and measured hydrological data; (2) establishing the nonlinear hydrological time variant gain model (TVGM) which has the characteristics of simple model structures, parsimonious model parameters and high predictive performance; (3) researching on the model parameters regionalization especially for the prediction in ungauged basins (PUB); (4) validating and applying the established TVGM to flood forecasting and warning in representative small- to medium- size catchments in Hubei province in South China. The purpose is to approach non-linear runoff generation mechanism and to develop a new river flow forecasting model that is available to application in small and medium catchments and ungauged basin. This proposed project will provide a scientific and solid foundation for watershed flood control security in China.

径流形成与转化关系十分复杂，认清其规律对流域防洪和水资源安全关系重大。中小河流洪水预报及无测站流域的水文预报应用基础研究是近十年国际水文科学积极倡导的科学计划（PUB）与难题。本项目针对我国南方中小河流洪水灾害频繁、人员与财产损失严重并多数面临无测站流域的径流估算与预报的科学问题，重点开展流域径流形成与转化的时变非线性机理与水文非线性模型的研究。主要内容：（1）通过室内外径流实验和实测水文资料分析，辨识中小河流径流形成的多水源时变非线性机理；（2）建立结构简单、参数适宜、模拟效率高的水文时变非线性模型；（3）开展模型的地理水文区域化，尤其重点针对无测站流域的模型参数化相关研究；（4）初步开展在湖北等南方典型中小河流洪水预警预报的检验与应用研究。目的是探讨流域径流形成的非线性机理，发展适合中小河流和无资料地区应用的径流估算与洪水预警预报模型与方法，为我国的流域防洪安全提供科学基础与支撑。

近年来中小河流洪水灾害频发，人员与财产损失严重。正确认识降雨径流形成与转化过程的非线性机理与构建水文非线性系统模型对流域防洪与水资源安全极为重要。本项目面向我国南方洪水灾害频发的中小河流，以湖北省中小河流为代表性研究对象，开展了变化环境下径流形成与转化的非线性机理研究与水文非线性系统模型的构建和应用。取得的主要进展有：通过室外降雨径流实验阐明了径流形成的时变非线性机理，发现并验证了降雨强度和土壤含水量变化与产流量之间的幂指数变化关系；通过系统分析典型中小河流暴雨洪水资料，验证了时变增益模型以幂指数为模型结构的合理性，发展并提出了多水源时变增益模型，完善了时变增益模型结构，提升了洪水模拟预报精度；构建了TVGM参数区域化方程，可通过流域下垫面属性等直接推求无资料地区模型参数，为解决无资料地区的洪水预报提供了一种有效途径；研究了适用于湖北省中小河流暴雨洪水非线性突出的时变增益洪水预报模型，并研发了相关的洪水预报系统，预报结果表明时变增益模型结构简单、参数少，能抓住降雨径流之间的非线性特性，对资料需求灵活强，尤其适用于洪水过程陡涨陡落、暴雨洪水非线性关系突出的中小河流。从洪水的危害及重要性的角度来看，时变增益模型已经能以交高的精度预报危害性大的大、中型洪水，可为湖北省中小河流防洪减灾提供坚实的理论基础和技术支撑。项目执行期间，在国内外发表学术论文19篇，其中SCI/EI收录8篇，其它中文核心论文11篇。培养研究生7名，已毕业6名，其中博士研究生2名，硕士研究生4名。项目组成员积极组织和参加国际、国内相关学术活动，共参加国内外学术交流9次。项目负责人夏军教授获2017年国家自然科学二等奖，2019年当选国际大地测量与地理学会（IUGG）会士及执行局委员。