题目：黄土丘陵区小流域分布式水文-侵蚀预报模型研究

黄土丘陵区小流域分布式水文-侵蚀预报模型研究[1]
摘   要
分布式水文和侵蚀预报模型的研究与开发一直以来都是国内外侵蚀预报研究的热点和难点问题。本文基于黄土丘陵区复杂地理环境、水文和侵蚀过程机理，建立了小流域分布式水文-侵蚀预报模型；在此基础上，开发了计算机模型系统，为土壤侵蚀预报及相关地表径流、泥沙、化学物质迁移等提供了新的方法和思路，同时，也为制定流域水土保持规划和效益评价提供了理论依据。主要研究结果如下：
（1）针对当前流域水文分析方法在径流计算上的不足和商用软件底层数据结构的封闭性，自行设计、定义了径流的数据结构，建立了径流生成和查找算法，为水文和侵蚀模型计算提供了底层数据支撑。
（2）基于黄土丘陵区入渗特点，改进了Green-Ampt模型。改进后的模型不仅适用于清水的连续入渗，同时也适用于含沙浑水的连续入渗问题；并给出了变雨强条件下入渗过程模型的数值求解算法。
 （3）基于黄土丘陵区土壤侵蚀垂直分带性（即梁坡上部的溅蚀—片蚀带、梁坡中上部细沟侵蚀带、梁坡中下部细沟—浅沟侵蚀带、沟缘线以下切沟侵蚀带和沟道侵蚀带），给出了不同侵蚀带的判别方法和判别公式，重点研究了浅沟和切沟侵蚀带的提取方法，建立了界定浅沟和切沟侵蚀发生的判别式；利用判别式提取的小流域浅沟和切沟侵蚀分布与野外浅沟和切沟分布非常吻合，即浅沟侵蚀主要发生在15°-35°的沟间地上，其分布面积占整个沟间地面积的60%，切沟侵蚀主要发生在大于35°的沟坡地上，其分布面积占整个沟坡面积的93%。
（4）建立了水文、侵蚀过程数学模型，包括截留、入渗、微地形存储、产流、汇流过程子模型、溅蚀—片蚀带侵蚀子模型、细沟侵蚀带侵蚀子模型、细沟—浅沟侵蚀带侵蚀子模型、切沟侵蚀带侵蚀子模型和沟道侵蚀带侵蚀子模型。
（5）利用开发的计算机模型系统，对黄土丘陵区黑矾沟小流域10次降雨事件的土壤侵蚀过程进行了模拟，获得了坡耕地、草地和林地的入渗量和入渗率变化情况；完成了细沟发育过程的模拟，得到了细沟的时空分布特征；计算了流域不同侵蚀带、不同时刻下的水深、流量、泥沙沉积和输移量。模型率定流域的径流量和侵蚀量模拟精度分别达到了81.8%和70.8%。

（6）选取黑矾沟流域的土壤初始含水率、吸力参数、饱和含水率和饱和导水率参数，对模型参数进行敏感性分析。结合Nash-Sutcliffe模型有效性系数检验，运用人工率定和遗传算法两种方法，分别对模型敏感参数进行率定。结果表明：利用遗传算法来率定参数是可行的，而且效率高，不受主观影响；人工率定法受主观影响较大，其成果的精度取决于率定者的经验，尽管也可得到较好的率定参数，但效率低，不易于推广使用。最后，将率定结果直接用于纸坊沟流域进行模型的验证，模型模拟径流量和侵蚀量精度分别达到75.0%和69.3%。
（7）本系统开发方式采取模型基础数据与地理信息系统耦合计算、ArcObjects二次开发结合自行设计流域分析算法模式，一方面二者基于同一框架下实现通信和调用，确保了GIS系统与专业模型之间的紧密耦合，另一方面，对于流域水文分析，则通过自行定义数据结构和算法加以实现，并与ArcObjects数据结构兼容，保证了系统功能的完整。
（8）开发了黄土丘陵区小流域分布式水蚀预报系统（WEPM 1.0版），系统采用面向对象与组件开发技术，可以提高开发效率，增强系统的灵活性、可重用性和开放性。




[1]本研究得到国家自然科学基金重大项目“黄土高原小流域分布式水蚀预报模型研究（40335050）、国家基础研究发展计划“中国主要水蚀区土壤侵蚀过程与调控研究”（2007CB407201）资助。