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考虑雨强和土壤湿度的时变增益产流机理研究

考虑雨强和土壤湿度的时变增益产流机理研究

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作者：史超武汉大学

学位级别：硕士

径流形成与转化是水文学研究的核心科学问题之一,影响因素复杂。基于系统理论的水文时变增益机理与模型抓住复杂产流现象中的非线性关系,据此深入探求时变增益非线性产流机理,寻找其与主要控制因素的联系,是研究非线性水文理论的关键,... 详细信息

径流形成与转化是水文学研究的核心科学问题之一,影响因素复杂。基于系统理论的水文时变增益机理与模型抓住复杂产流现象中的非线性关系,据此深入探求时变增益非线性产流机理,寻找其与主要控制因素的联系,是研究非线性水文理论的关键,其成果可为中小河流治理和山洪预警提供重要的水文科学依据。本研究针对半干旱湿润地区复杂的降雨-径流非线性问题,通过开展室外人工降雨径流实验,采用对比控制实验变量-雨强和前期土壤湿度的方案,在验证传统时变增益产流模式的基础上,综合考虑了不同前期土壤湿度与雨强条件对于产流增益的影响,进一步建立多因素的新非线性产流模式。主要研究成果如下:(1)开展仿自然土体的降雨径流室外实验,总结出多因素影响下的产流的物理规律,对实验数据进行分析,明晰了非线性产流主要控制因素的核心关系:时变增益关系曲线整体都表现为随着土壤含水量增加而产流增益因子上升.的曲线。通过点绘图曲线分析得:对于不同前期土壤湿度情况,分别呈现下凸、直线、上凸的线型。进行多种线型关系拟合,总结出时变增益关系符合幂指数关系,佐证了原时变增益理论成果的正确性。(2)对比了不同场次自变量对于时变增益关系的影响,创新地提出考虑场次不同的前期土壤含水量与雨强过程的非线性时变增益产流公式。在原先幂指数公式的基础上,总结出了雨强因素和前期土壤含水量因素对产流增益因子有倍数增减的作用,同时前期土壤含水量又与产流线型有关。新的时变增益公式由三个幂指数项:前期土壤含水量条件项、雨强项、时变土壤含水量项取幂乘积组成,同时前期土壤含水量以倒数形式构成时变土壤含水量项的幂次。(3)提出了综合考虑雨强和土壤含水量的时变增益模型,并将其应用于降雨径流非线性关系突出、洪水峰值及过程难预测的湖北省的中小流域开展实例研究。新模型较原模型在整体评价、场次合格率检验上都有显著的精度提高,同时能保持稳定的水量平衡。在洪水过程评价方面:四个流域率定期平均Nash效率系数91.03%,WB水量平衡系数99.23%,验证期平均Nash效率系数88.08%,WB水量平衡系数103.78%。在洪峰模拟评价方面:四个流域率定期洪峰误差场次平均减少了 10.75%,验证期平均减少了 17.22%。(4)得出了前期土壤含水量与径流系数相关关系,及其在洪水预警中的应用。通过大量计算数据的点绘关系,前期的土壤含水量与次洪径流系数之间有着较高的相关系数,表明其对于次洪径流系数有着一定影响。当降雨量达到一定阈值,计算出前期土壤含水量较高时,则洪量较大,需要做好相应的洪水预警工作。

关键词：时变增益人工降雨径流实验多因素考虑幂指数关系水文模拟

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