基于多种混合产流模式的水文模型研究

摘要

水文模型是模拟降雨径流过程的核心工具。目前多数水文模型采用单一的蓄满产流模式或超渗产流模式的产流结构，精度有限且具有较大的不确定性。混合产流作为新兴的产流模式有望解决产流结构单一的问题。本文致力于研究基于混合产流模式的水文模型，重点研究模型内部产流结构的合理性和不确定性问题，旨在提升模拟精度和识别不确定性来源。主要研究内容和成果如下： （1）产流理论及模式研究。对Horton产流理论和Dunne产流理论、超渗产流模式和蓄满产流模式进行了介绍，在此基础上选取了三种典型混合产流模式（垂向混合产流模式、兼容产流模式、VIC-3L混合产流模式），归纳总结了其实现混合产流的思路与原理，发现现有混合产流模式都是蓄满产流模式与超渗产流模式在不同方式上的耦合，且三种混合产流模式的主要差别仅在于耦合方式的不同和所采用的下渗公式的不同。 （2）基于混合产流模式的水文模型构建及模拟效果检验。将垂向混合产流模式、兼容产流模式和VIC-3L混合产流模式分别构建成完整的流域水文模型（垂向混合产流模型、兼容产流模型和VIC-3L混合产流模型）用于模拟栾川流域的19场次洪，检验混合产流模式的实际应用效果，并与蓄满产流模式的模拟效果作对比。结果表明，三种混合产流模式均适用于栾川流域的次洪模拟，且模拟效果优于蓄满产流模式，证实了混合产流模式在产流结构上更为完善从而模拟效果更好。 （3）三种混合产流模型在多地区的对比研究。在全国范围内选取了7省13个典型流域，广泛对比了垂向混合产流模型、兼容产流模型和VIC-3L混合产流模型在各个地区的模拟效果差异。结果表明，三种混合产流模型虽各有不同，但基本上大同小异，在模型结构上的差距并不大，都能较好的模拟次降雨径流过程，模拟水平基本相当。 （4）混合产流模式的结构不确定性研究。构建了ANOVA量化框架对混合产流模式的结构不确定性来源进行了研究，量化了耦合方式、下渗公式以及两者交互作用对产流模拟和径流过程模拟的不确定性贡献，结果表明，耦合方式、下渗公式都是径流模拟不确定性的重要来源，其中，下渗公式是导致产流模拟不确定性的最主要来源，不确定的下渗计算方法通过影响产流过程进而可对整个径流过程产生更大程度上的不确定性；因此，在研究混合产流模式及构建混合产流模型时，要十分重视选用合理的下渗计算方法，目前的下渗计算方法还不足以完全模拟实际的下渗过程，研究具有物理机制的新型下渗计算方法是降低径流模拟不确定性的重要途径。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 产流理论与模式研究进展

1.2.2 混合产流模式研究进展

1.2.3 三种典型混合产流模式在水文模拟中的研究进展

1.2.4 水文模型结构不确定性研究进展

1.3 研究内容及技术路线

2 产流理论及模式研究

2.1 产流理论

2.1.1 Horton产流理论

2.1.2 Dunne产流理论

2.2 基本产流模式

2.2.1 蓄满产流模式

2.2.2 超渗产流模式

2.3 混合产流模式

2.3.1 概述

2.3.2 垂向混合产流模式

2.3.3 兼容产流模式

2.3.4 VIC-3L混合产流模式

2.3.5 共性和差异总结

2.4 本章小结

3 基于混合产流模式的水文模型构建及模拟效果检验

3.1 水文模型构建

3.1.1 蒸散发计算模块

3.1.2 产流计算模块

3.1.3 水源划分模块

3.1.4 坡面汇流模块

3.1.5 河网汇流模块

3.2 参数率定方法

3.3 研究流域及数据

3.4 次洪模拟结果分析

3.5 本章小结

4 三种混合产流模型在多地区的对比研究

4.1 研究流域选取

4.2 资料收集与整理

4.2.1 资料收集

4.2.2 数据处理与转换

4.2.3 场次洪水划分

4.3 对比方案设定

4.4 结果分析

4.4.1 总体结果分析

4.4.2 代表流域模拟结果分析

4.5 本章小结

5 混合产流模式的结构不确定性研究

5.1 ANOVA方差分解法

5.2 不确定性来源量化框架

5.3 产流模拟不确定性量化

5.4 径流过程模拟不确定性量化

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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