基于暴雨壤中流机制的山区水文模型研究与应用

摘要

近年来，学者们纷纷认识到暴雨壤中流机制是湿润山区小流域的重要产流机制之一，进一步探明暴雨壤中流机制对于山洪模拟至关重要。本文将暴雨壤中流的泄流过程划分为基岩贮水、快速泄流、地表泄流3个阶段：在基岩贮水阶段，基岩或暂态不透水层上的凹洼区尚未填满时，降水需先填洼，不产流，此阶段常出现“雨大水小”；在快速泄流阶段，基岩或暂态不透水层上的凹洼区已填满，暂态饱和区扩大，将土壤–基岩区的事件前水排出，此阶段常出现“雨小水大”；在地表泄流阶段，暂态饱和区进一步扩展到地面，此时形成地表径流。本文据此提出贮水泄流公式对这3个阶段进行定量描述，并构建了基于暴雨壤中流机制的山区水文模型（subsurface storm flow-based mountain hydrological model, SSFM）。以湖北省丹江口市官山河流域为典型，选取12场实测洪水过程，用SSFM模型进行模拟，并将其结果与TOPMODEL模型、分布式时变增益模型、新安江模型的模拟结果进行对比分析。从模型对比可以看出：1）时变增益模型（TVGM）、新安江模型、TOPMODEL模型及SSFM模型模拟结果的平均洪峰误差分别为–29.61%、–51.74%、–29.08%、–24.82%，径流深误差分别为–30.83%、–26.87%、–18.43%、–9.67%。2）“基岩贮水”和“快速泄流”可以解释官山河流域山洪过程中出现的“雨大水小、雨小水大”的异变特征。这些结果也表明，由于引入了3阶段暴雨壤中流机制，SSFM模型的模拟效果比其他模型有较为明显的改进，更加适合在湿润山区小流域进行水文模拟，在山洪预警预报方面具有深入发展和应用的价值。

关键词

官山河流域 / 暴雨壤中流机制 / 3阶段贮水泄流公式 / SSFM模型 / 洪水模拟

基金资助

国家自然科学基金项目（41790431）; 国家重点研发计划项目（2017YFC1502503）