面向洼地的流域水文新模型的建立及其在北达科他州的应用

地表洼地是影响坡面流、入渗等水文过程的重要因素之一。 在自然条件下，洼地经历了充填、溢出、合并、分裂等过程，形成了不连续的坡面流和不同的贡献面积。

本研究将建立一个新的以洼地为导向的流域水文模型，以模拟贡献面积和阈值控制的坡面流动力学变化，并将该模型应用于北达科他州草原坑区（PPR）上谢恩河流域上游。 在新模型中，首先量化了以洼地为主导的贡献区内在变化规律及其出现的概率分布函数。 在模型中进一步利用这些信息来确定贡献面积、洼地蓄水量、地表径流及其在不同降雨条件下的发生概率。 本研究将评估所开发模型的效能。

项目目标:

目的是建立一个新的面向洼地的流域水文模型，以模拟贡献面积的变化和阈值控制的地表水流动力学。

进展:

以洼地为导向的水文模型的建立

本研究建立了以抑郁为导向的变量贡献面积（D-VCA）模型。 D-VCA模型包含两个主要环：时间环和次盆地环。 针对各子盆地，建立了以凹陷为主导的贡献区内在动力学特征，并基于子盆地表面地形特征建立了贡献区与凹陷储量的关系曲线。 此外，在表面地形分析过程中，还确定了贡献区域的概率分布。 将建立的关系曲线和贡献区域的概率分布进一步纳入D-VCA模型，模拟阈值控制的地表产流过程。

应用于北达科他州以萧条为主的流域

研究区域为北达科他州草原坑区（Prairie Pothole Region， PPR） Sheyenne河上游流域的上部，选择USGS测量站#0505300作为流域的最终出水口。 流域的10米DEM数据是从美国地质勘探局国家地图下载的。 基于DEM数据，将流域划分为12个子盆地，并计算每个子盆地的地形特征（如洼地储藏量和洼地面积）。 分别从国家土地覆盖数据库（NLCD 2011）和国家土壤地理（STATSGO2）数据集中下载流域土地利用、土地覆盖和土壤类型。 基于DEM、土地利用和土壤数据，计算各子流域的SCS曲线数。 流域气候数据来源于美国北达科他州天气网络（NDAWN），流域出水口观测流量数据来源于美国地质勘探局国家水信息系统。

意义:

北达科他州的大部分地区主要是坑洼湖、湿地和洼地，它们会影响水文过程，进而对农业活动很重要。 本研究提出了一种新的以洼地为主地区的降雨径流模型，该模型可用于量化气候变化下洼地对水文的影响。 新的模拟方法也将提高我们对贡献区演变和地表径流产生机制的认识。

会议/研讨会演讲:

曾磊，褚晓霞。2019。 洼地主导地区径流贡献区动态模拟。 AGU秋季会议，2019年12月9日至13日，美国旧金山

曾磊，褚晓燕。2020。 改进的水文模型表征变贡献区和洼地主导区阈值控制的地表流。 土木与环境工程研讨会，2020年4月8日，法戈，ND部门。

曾磊，褚晓燕。2020。 改进的水文模型表征变贡献区和洼地主导区阈值控制的地表流。 土木与环境工程博士防御部门，2020年11月13日，法戈，ND。