基于波速-流量关系与河岸带动态储水机制改进山区源头流域洪水模拟的新方法

本文创新性地提出XY洪水演进算法与河岸带动态储水(RBS)参数化方案，通过改进分布式水文模型(DCHM)的数值结构，显著提升山区小流域洪水模拟精度。研究证实逆向降雨校正(IRC)框架能有效修正定量降水估算(QPE)误差，使95%以上事件的洪峰时间误差控制在1小时内，中位Kling-Gupta效率达0.83（15分钟间隔），为复杂地形区洪水预报提供新范式。

　　

【复杂地形区洪水模拟的挑战】

山区定量降水估算(QPE)受地形影响存在显著时空变异，传统水文模型在校准参数后仍难以准确模拟洪水过程。Liao和Barros先前提出的逆向降雨校正(IRC)框架虽能通过拉格朗日回溯法重新分配径流误差，但其效果受水文模型结构不确定性的制约，主要体现在数值算法引起的洪水传播误差和河岸带储水(RBS)物理过程缺失两方面。

【新型洪水演进算法突破】

研究团队创新开发XY洪水路由算法，通过引入时空加权因子(X=0.4, Y=0.6)优化运动波方程求解。与传统变参数Muskingum-Cunge(MC)算法相比，XY算法在无参数校准条件下：

1. 将洪峰时间误差中位数从>3小时降至<1小时

2. 波幅收敛比(Ra)和相位收敛比(Rp)在50m分辨率下分别提升至1和0.99

3. 解决陡坡河道向缓坡过渡时的数值扩散问题，避免MC算法在细胞雷诺数D>1时出现的负权重异常

【河岸带动态储水机制】

针对早期洪水响应延迟现象，提出动态RBS参数化方案：

• 总储水量(FT)设为低海拔0.05m/高海拔0.01m水当量

• 释放速率η=(1-Fs)^as（as=0.1）

• 可截留30%早期坡面径流，显著延缓洪峰形成

  卫星影像验证显示EFPRB流域河岸池塘规模40-80m宽，100-200m长

【多尺度验证与性能提升】

在皮金河流域的Cataloochee Creek(CCB)和East Fork(EFPRB)两个源头小流域开展验证：

1. 空间分辨率对比：84m网格比250m更准确刻画地形梯度，但RBS参数呈现尺度依赖性

2. IRC校正使95%事件洪峰体积误差<20%，中位数从-7.4%降至-1%

3. 组合XY路由与IRC可使KGE中位数达0.83（15分钟间隔）

【水文模拟范式转变】

研究证实：

1. 模型结构改进优先于参数校准：通过XY算法和RBS参数化可解释83%的洪水过程变异

2. 降水强迫准确性决定水收支闭合：IRC校正后降水产品(^IRCSTIV_DBKC)使NSE从0.6提升至0.9+

3. 分辨率不是越高越好：84m与250m结果差异揭示过程表征的尺度效应

该研究为山区突发性洪水预报提供了新的方法论框架，其"先物理机制后参数优化"的思路对分布式水文模型发展具有普适指导意义。