一、教师简介
(研究方向、科研成效、指导大创项目的经历）
（1）刘金涛老师先后主持及参与国家、省部基础研究项目 20 多项。近年来参与承担多项国家重大/重点研究计划任务，如国家自然科学基金委“西南河流源区径流变化和适应性利用重大研究计划”、“第二次青藏高原综合科学考察研究”。刘金涛老师团队前期已开发了基于WebGIS和JSP技术的徐州流域水文信息系统，功能包括地图显示、数据查询与共享、GIS分析等，同时基于Web APP开发思想和移动GIS技术，实现了智能手机APP的框架结构和主要功能，成果申报了国家软件著作权（2013SR027965），可以作为本项目开发平台系统的基础。
数据管理方面主要基于指导老师团队自主研发的山坡降雨径流数据查询管理软件（HRFM V1.0）。该软件已申请专利，并且在多项重大工程项目中得以运用。
此外，团队还有与本项目相关的其他多项软件著作版权：
1) 土壤墒情监测系统V1.0，登记号: 2013SR027965.
2) 数字水文信息自动提取软件DigitalHydro V3.0，登记号：2019SR0472693.
3) 山坡降雨径流数据查询管理软件HRFM V1.0，登记号：2011SR093047.
4) 基于栅格数字信息的洪水预报软件RADPRF V1.0，登记号：2009SR033526.
刘金涛教授多次指导“山坡蓄泄响应机制的物理模型实验研究”，“集成智能化人工降雨的水文物理模型实验研究”等国家级创训，具有丰富的指导创训经验
二、项目简介
（简要介绍该项目的前沿行业技术背景，围绕该研究主题开展大学生创新实践研究的范围和方向，以及能为学生提供的实验条件，如场所、软硬件设备、实验平台等）
2.1 模型介绍
山坡水文观测的重要发现推动了概念性水文模型从集总式到分布式来描述径流形成过程，其揭示流域结构与径流形成机制在宏观层面的规律性，促成了水文观测和水文模型理论发展的有效结合，但由于对流域结构、水流的路径、滞时以及蓄泄特性等考虑不足，导致模型高度依赖参数的率定。
山坡蓄量动力学模型（HSDMs）（Troch, et al., 2003, 2002; Fan & Bras, 1998）是第一个显式考虑山坡水平形状的理论模型，该理论采用山坡宽度函数（HWF）来描述山坡单元的形状及蓄水量的空间分布，以简洁优雅的方式定量揭示了山坡关键带结构的水力影响。
Sc(x)=w(x)d(x)f；S(x,t)=w(x)h(x,t)f
式中：
w(x)---山坡宽度函数； d(x)---土壤厚度函数；
Sc(x)---土壤蓄水能力； f---土壤有效孔隙度；
h(x)---沿流向在x处饱和区水头（垂直于基岩）
图1 图2
对于单宽山坡产流过程采用运动波方程推导出考虑山坡结构和降雨强度的山坡产流参数的解析解。在这里我们基本假设整个山坡降雨空间均匀分布，雨强恒定，山坡没有霍顿超渗径流产生，当 h(x,t) ≥ D 时，会产生饱和地面径流，将山坡壤中流以饱和流的形式来描述，即忽略非饱和带的影响。
通过合并连续性方程和达西方程的运动波形式我们可以得到壤中流水深的运动波(KW)方程:
此方程是一个拟线性偏微分方程，在补给条件N 为常数时，可用特征线法求得解析解。
山坡形状以二次多项式和线性函数表示：
根据特征线法，可以得到一组常微分方程：
方程（2）描述了平面内的一簇曲线，方程（3）描述了在每一曲线上的水分储量的传播规律，见图。
对于坡脚水深超过土壤厚度时，壤中流出露溢出形成饱和地面径流，我们采用控制方程
山坡剖面形状和地面形状以二次多项式和线性函数表示：
山坡平面形状以高斯函数表示：
刘金涛等人（2012）通过对姜湾流域大量山坡进行统计分析后发现，Gaussian函数更适合于描述实际流域的山坡宽度形状。函数表达式如下：
壤中流蓄量剖面分为两部分：稳定蓄量剖面和随时间增大的非稳定蓄量剖面，其分界位置为 x = x0，记出口处的壤中流蓄量剖面达到稳定状态的时间为t0 。
直坡上壤中流水质点运动示意图
基于山丘区中小流域水文计算的研究现状，研制新的中小流域洪水计算方法，该方法需具备数学推导严格、计算过程清晰、操作性强、适用性强、成果合理可靠的特点。理论上，该新方法将依靠勘测或地理特征提取而非过度依赖经验，采用流域水动力学理论来刻画洪水过程并构建具有严格数学物理基础的解析关系，以定量表征设计洪水特征与关键带结构要素的关系，科学建立由下垫面信息反演设计参数及洪水设计值的理论方法。加强山丘区流域径流形成机理的认识，发展适合于山丘区条件的洪水计算方法，对提高水资源开发利用水平、保障民生与发展具有重要的现实意义。
2.2 发展前景与当前成果
IAHS（国际水利科学协会）的十年计划（2023-2032），名为“HELPING”（Hydrology Engaging Local People IN one Global world），旨在寻找可持续的解决方案来应对不良的水条件，无论是太少、太多还是太污染。十年计划强调了全球变化对当前水问题的影响，并提出发展方案，主要包括：
1.十年计划将探索全球和地方水文过程的相互作用，以及这些相互作用如何影响当地水资源。以此加强全球与地方的互动形式，这包括理解局部地貌对水动力学的影响、局部阈值和反馈机制如何触发全球转变等。
2.十年计划将会有效管理现有的水危机，通过全面科学的方式积极减轻未来潜在的挑战。研究问题包括自然解决方案对水循环的影响、选择措施的标准以提高当地水安全等。
3.十年计划还将鼓励公众参与和科学传播，包括使用艺术、故事讲述和游戏等新方法来传播科学知识，并评估这些方法对态度和行为的影响。
此外十年计划还将鼓励开放科学和数据共享，鼓励数据和信息共享；通过科学理解、能力发展和开放获取数据和信息来支持全球和地方的可持续发展；鼓励水文学家与其他学科和利益相关者合作，共同设计研究活动，共同解决水问题等等。
当前十年计划已经取得显著成果，通过在线会议、网络论坛和工作坊，IAHS已经成功地在全球范围内召集了科学家和利益相关者，共同参与讨论和规划未来的研究方向。在会议中采用了战略规划方法来设定愿景、目标和行动步骤，这包括对潜在主题的讨论、SWOT分析（优势、劣势、机会和威胁）以及目标设定。在会议中还成立了26个工作组，此工作组涵盖了全球和地方互动、全面解决方案和跨领域方法三个主题。通过问卷调查和讨论，收集了IAHS成员对于不同主题的兴趣和反馈，以确保计划的相关性和多样性。
此外，十年计划还推出了在线工具数字水球（Digital Water Globe），为IAHS成员提供一个分享案例研究结果、个人资料和数据存储库链接的平台。促进全球和区域模式的发现，以及IAHS社区内外的外联和网络建设。
2.3 创新训练目标
贯彻落实习近平总书记给中国国际大学生创新大赛参赛学生代表重要回信精神，将人才培养模式从“知识传授为主”转向“能力素质培养为先”，树立起“敢闯会创”的人才培养质量新标准，聚焦创新人才培养与高水平科技自立自强有机融合，引导学生弘扬科学精神，积极投身科技创新。
1.深入探究模型在无资料山区的预报应用效果
本项研究从山丘区小流域暴雨洪水响应机理出发，采用数学物理途径，综合利用水文学、水力学、土壤学和地貌学等相关原理和方法，结合典型区域代表流域关键带的地形、地貌、土壤、植被、基岩等结构特征信息，将流域关键带结构信息引入暴雨洪水响应函数的推求中，采用数学物理方程描述小流域水文循环系统中的地表流、壤中流、地下径流等水源过程，推导融合关键带结构信息的产汇流过程解析表达式，提出基于关键带结构信息而非参数率定的模型参数估计方法，以建立一个适用于无资料地区的物理性水文模型，并且评估其在无资料地区的应用情况。
2.开发用户友好型公众水文平台，实现智能化、精细化预报平台，实现细致的山洪预报预警：
依照现有气象产品获取目标流域降水蒸散发等所需数据，平台提供DEM数据，模型数据，通过WebGis技术实现流域分割，进行洪水预报。将群众所在地区作为流域出口并以此划分流域，并在山坡上划分单元格后对每个单元格进行洪水预报，以此帮助群众自行选取流域出口实现洪水预报。依照IAHS十年计划，助力公共水文能够造福每个群体甚至于每一户百姓
三、招募学生要求
（学生参与项目研究所需的知识背景、技术能力等要求）
水文水资源工程专业、大禹水文本科生，要求动手能力强，有一定的计算机编程能力。