半湿润半干旱区产流机制时空动态演变规律与TOKASIDE-D模型优化研究

针对黄河流域中游半湿润半干旱区产流机制复杂、洪水模拟精度低的难题，研究人员提出基于网格化曲线数-地形指数（GCN-TI）的产流模式识别方法和动态饱和超渗双机制耦合的TOKASIDE-D分布式水文模型。通过陈河、东湾、绥德三个典型流域验证，模型将洪水模拟精度提升10-30%，揭示了SE-IE（饱和超渗）产流模式的时空动态转换规律（如"下降型""波动型""上升型"三类），为复杂产流区洪水预报提供了新范式。

　　

在全球气候变化背景下，中国雨带北移导致黄河流域极端降雨事件频发，而该区域84%面积为半湿润半干旱区，中小河流洪水预报精度仅40-50%，严重制约防洪预警效能。传统模型难以刻画该区域饱和超渗（SE-IE）产流机制交替交织的复杂过程，成为提升预报精度的关键瓶颈。

针对这一挑战，河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室的研究团队创新性构建了GCN-TI产流模式识别方法和TOKASIDE-D动态耦合模型。研究通过整合曲线数（CN）和地形指数（TI）双指标，结合土壤含水量动态阈值，实现了网格尺度SE-IE产流模式的智能判别；在TOKASIDE模型框架中嵌入Green-Ampt下渗模块和动态转换条件，创建了能实时响应降雨-土壤墒情变化的双机制耦合算法。相关成果发表于《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》，为复杂产流区水文模拟提供了方法论突破。

研究团队采用三项关键技术：1）基于DEM和HWSD土壤数据库的网格化CN-TI耦合算法，实现90m分辨率产流模式初始划分；2）SCE-UA全局优化算法校准TOKASIDE-D的7个关键参数（如水平/垂直饱和导水率K_sh/K_sv）；3）IDW空间插值法处理20-19场历史洪水事件的降雨径流数据。通过陈河（半湿润）、东湾（过渡带）、绥德（半干旱）三流域对比验证，模型性能显著提升。

研究结果揭示：

1. 初始SE-IE空间分异特征：陈河流域SE网格占比>95%，绥德流域IE网格超70%，东湾流域介于10-20%之间，与流域干湿梯度高度吻合。如20070704号洪水因前期土壤含水量仅0.4，导致陈河流域IE网格骤增至23.7%。

2. 洪水模拟精度提升：TOKASIDE-D模型在"高流量区"表现突出，绥德流域洪峰合格率提升28%，陈河流域Nash系数达0.7以上。对19940702号局地暴雨洪水，模型准确捕捉到IE网格比例从9.88%跃升至55.68%的动态过程，洪峰模拟误差归零。

3. 时空动态演变规律：

• 类型学特征：陈河流域以"下降型"为主（11/20场洪水），反映SE网格持续增加；东湾流域因短历时暴雨呈现"波动型"（12/16场）；绥德流域则表现为"上升型"（12/19场），显示IE主导趋势。
• 时间转换特性：SE-IE转换集中发生于主雨期（<50%洪水历时），其中"SE→IE"单向转换受土壤含水量显著影响。东湾流域因土壤异质性导致转换时间变异系数达38%，远高于其他流域。

该研究首次系统揭示了半湿润半干旱区SE-IE产流机制的时空交响规律，提出的动态耦合模型突破了传统单一产流模式的局限。实践层面，成果可直接应用于黄河流域"四预"平台建设，为暴雨洪水"测报防"提供科学依据；理论层面，建立的GCN-TI识别框架为全球气候过渡带产流机制研究提供了普适性方法。未来需结合流域尺度人工降雨试验，进一步验证模型在极端情景下的鲁棒性。