考虑微地形的坡面水文非线性化耦合机理研究

本研究以微地形坡面水文产汇流机制为研究对象，选择典型的小流域进行多尺度的室内外实验，研究网格化坡度及次网格微地形综合影响下的产汇流非线性化问题。针对非饱和混合产流引起的非线性问题，先通过理论推导和模拟计算不同土壤类型、在不同饱和度和雨强条件下非饱和产流过程，再借助数值优化原理提取Horton和格林安普特的变元参数规律，反推出非饱和产流的非线性化规律；改进考虑坡度的二维产汇流方程组，结合点参数升尺度方法，修正网格化计算的坡度效应；在此基础上，利用坡面微地形对比分析，采用糙度指数定量化计算了各实验区微地形对产流和土壤水再分布的影响规律，分析得出了微地形影响深度和洼地积水分布频率与产汇流特征值的相关性，提出了概化微地形影响的参数修正和率定方法；在实验流域构建了考虑微地形影响的三维地表-地下水耦合模型系统，结果表明模型系统能充分考虑局地地形和非饱和含水率对产流过程影响，变化饱和带和微地形指数、地表地下水耦合系数能定量化复杂山坡流域的产流非线性化过程；长序列历史洪水模拟计算表明微地形对降水初期影响显著，并随着降雨持续而逐渐减弱，微地形引起的饱和带扩张产生直接径流是形成洪峰流量的主要贡献。本研究解决高分辨率地形信息与网格化计算尺度、计算效率之间的一致性问题，通过修正参数的时变规律实现小尺度水文产流机理与计算空间尺度相匹配，为多过程耦合的分布式水文模型参数优选提供参考。 2100433B

以坡面水文过程为研究对象，运用多尺度的室内、外水文实验和数值耦合理论，研究分布式水文模型中网格地形与次网格微地形综合作用下的水文过程非线性化问题。本研究将运用水文学、水力学、环境动力学、水文示踪技术研究坡面微地形对局地土壤水分布改变引起的产流模式改变、对局地汇流路径改变引起的坡面汇流特征变化，以及这些非线性问题在分布式模型计算中的反馈。运用水文示踪法确定土壤非均质结构特征及物理属性,分析优先流触发的条件、发生强度与土壤水饱和度关系，揭示包气带优先流与基质流并存时径流分割的非线性关系；确定微地形参数与非均质渗流（产流）和优先汇流的内在关系，揭示微地形引起下渗量再分布与地表径流再分布的量化特征,并借助理论模型分析次网格非均质属性的尺度效应。本研究将尝试解决高分辨率地形数据和小尺度水文机理模式与流域大网格水文计算的一致性问题，为多过程分布式水文模型的非线性耦合和跨尺度应用提供支持。

针对微型热光电系统整体转化效率和功率输出尚不够高的问题，本项目以一种新型的填充多孔介质的微尺度平板式回热燃烧器作为研究对象，采用理论分析、实验测试和数值模拟相结合的方法，对其燃烧特征和强化作用机理进行研究。具体包括：采用有无多孔介质的两种平板式回热型燃烧器，利用PLIF、红外热像和高速摄影等技术进行燃烧极限、火焰特性的对比实验，并结合考虑多孔介质蓄热辐射效应的数值模拟计算结果，详细揭示微尺度多孔介质促进作用下回热燃烧方式的耦合作用机理；掌握重要结构和运行参数对新型燃烧器燃烧状况和壁面辐射效应的影响规律，获得适用于微型热光电系统工作的燃烧器最佳反应条件；通过对系统整体封装、电池实际冷却和背面反射的综合考虑，建立更为精确的系统能量转换计算模型，以更深入地阐述填充多孔介质的回热燃烧方式对系统工作性能提升的作用。相关研究成果将丰富微尺度燃烧的强化机理，并为该系统尽早得到广泛应用打下坚实的基础。

本研究系统探究了坡面尺度上降雨移动方向对坡面产流与水蚀过程的具体影响，分析其控制机理，同时考虑了不同降雨特性组合及坡面坡度对坡面泥沙侵蚀过程的影响。采用物理模型实验和理论分析方法，详细分析了降雨特性及坡面坡度对坡面产流过程线、产沙过程线及坡面流阻力的定性定量影响，结合先进的基于物理概念的数值模拟方法InHM模型，较全面的呈现坡面水文响应过程，探究其内部物理特性。将土壤结皮发育用模型模拟实现，探讨其在不同降雨特性下及不同尺度下对降雨产流和泥沙侵蚀过程特有的时间与空间影响，对深入认识产流规律、推动坡面产流机理研究、改进传统产流理论具有重要科学意义，同时在水土保持、环境保护等方面具有很好的工程应用前景。 2100433B