水文相似概念与理论发展探析

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1、第２５卷第２期水科学进展Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．２２０１４年３月ＡＤＶＡＮＣＥＳＩＮＷＡＴＥＲＳＣＩＥＮＣＥＭａｒ．，２０１４水文相似概念与理论发展探析１，２２２刘金涛，宋慧卿，王爱花（１?河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京２１００９８；２．河海大学水文水资源学院，江苏南京２１００９８）摘要：目前，工程水文领域面临诸多问题有待解决，例如怎样合理地将现有水文观测成果外推至无资料流域，这也成为国际水文科学协会“无测站流域水文预测计划（ＰＵＢ）”所遭遇的理论瓶颈。一个可行的方法就是依据流域结构特征构建水文相似因子，

2、并对流域进行分类，在相似框架下完成观测成果向无（缺）测站流域的转化。分析发现，水文学缺乏类似于水力学、化学和生物学的分类与相似理论体系。通过对不同学科相似理论的回顾，定义了水文相似的概念，给出了构成流域水文相似的三要素，即驱动力、结构和水动力要素。最后，讨论了可用于水文相似研究的两类方法：数理解析法和量纲分析法，并给出了其用于实际流域水文相似研究时存在的问题及解决途径。关键词：流域结构；无资料流域；无因次相似因子；水文相似中图分类号：Ｐ３４１；Ｇ３５３?１１文献标志码：Ａ文章编号：１００１⁃６７９１（２０１４）０２⁃０２８８⁃

3、０９近年来，中国大江大河防洪标准得到提高，而中小流域抵御山洪灾害的能力较低，已成为防洪减灾工作［１］中突出的难点。为数众多的中小河流分布广泛，大部分流域站网密度稀疏，监测手段缺乏，属于典型的无资料或缺资料流域。在气候及植被覆被条件相近的小流域，如何深入挖掘地形、土壤及基岩特性等山坡结构特征信息，并在水文预测中定量反映，是水文研究的热点问题之一，也是国际水文科学协会“无测站流［２⁃３］域水文预测计划”（ＰＵＢ）所遭遇的理论瓶颈。野外实验研究已向人们展示了山坡结构特征的巨大变异性［４］及其对降雨径流过程影响的复杂性，但目前对两者关

4、系的描述多为经验性的或定性的。由于缺乏简单易［５］行的解析方法，现有实验成果很难在邻近无资料流域进行外推。解决上述问题的一个公认可行方法就是依据流域下垫面结构特征构建水文相似因子，并对流域进行分类，在相似框架下完成观测成果从有测站向无［４⁃６］（缺）测站流域的转化。本文将阐述流域水文相似的基本概念、研究进展以及如何进一步发展水文相似的理论体系，讨论现有研究存在的问题，给出水文相似研究未来可能的发展方向。１概念的引出相似是一种常见的现象，涉及自然界的各个领域，当事物存在某些相同的特征、属性或现象时则认为相似。早在１８世纪，现代生

5、物学分类命名的奠基人、著名生物学家Ｌｉｎｎａｅｕｓ就依据相似特性对生物进行分类，［７］即以种为单位，亲缘相近的种集为属，相近的属集为科，科集为目，目集为纲，纲集为门，门集为界。［８］生物分类对于人类认识生物间的亲缘关系和识别生物具有重要意义，是科学调查生物资源的前提。元素周期表则是化学领域进行元素分类和相似研究的重要理论依据，其将最外层电子数相同的元素归为同一族，［９⁃１０］同族元素核外电子构型相似，从而导致其化学性质相似。在土壤学中，依据有严格限定的诊断层和诊断［１１］特性（相当于相似判别因子），建立了一个全新的具有完整检索

6、系统的谱系式土壤系统分类。在工程领域，收稿日期：２０１３⁃０７⁃２４；网络出版时间：２０１４⁃０２⁃２６网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ?ｃｎｋｉ?ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３２?１３０９?Ｐ?２０１４０２２６?１３５５?０１６?ｈｔｍｌ基金项目：国家自然科学基金资助项目（４１２７１０４０；５１１９００９１）作者简介：刘金涛（１９７７—），男，河北唐山人，教授，博士，主要从事水文相似理论研究。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｊｔｌｉｕ＠ｈｈｕ?ｅｄｕ?ｃｎ第２期刘金涛，等：水文相似概念与理论发展探析２８９物理模型试验是通过对试验中主要因

7、素进行独立控制，使得自然界（工程）中发生的现象在实验室中得以再［１２］现出来的一种常用方法，其指导理论即为“相似理论”，如π定理。物理模型试验中的相似理论结合了数学解析法和试验法的优点，所谓“相似”指组成模型的每个要素必须与原型的对应要素相似，这些对应要素包括几何要素和物理要素。在作为水文学理论基础的流体力学领域中，若两种流动现象相似，一般应满［１３］足：几何相似、运动相似和动力相似。此外，流体力学采用量纲一相似准数来描述流体运动的特征及规律（表１），这使得定量界定流体的运动状态成为可能，极大地推动了流体力学理论的发展。表１流

8、体力学中３个典型的量纲一相似准数Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｒｅｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｓｉｍｉｌａｒｉｔｙｉｎｄｉｃｅｓｉｎｆｌｕｉｄｍｅｃｈａｎｉｃｓ量纲一数符号意义应用ρｖｄρ为流体密度；ｖ为流体速度；η表征流体惯性力和黏性力之对液体的流态按层流或紊流进行区分，大于下临界雷诺