降雨输入不确定性对分布式流域水文模拟的影响研究——以武烈河流域为例

降雨输入对分布式流域水文模拟具有重要影响。针对流域降雨资料不完整的情况,以武烈河流域为例,基于反距离加权平均法对雨量站降雨资料进行插补延长,并结合SWAT模型研究了降雨输入不确定性对分布式流域水文模拟的影响。结果表明:不同降雨输入对流域平均降雨量的影响较小,但基于气象站资料的降雨数据在降雨空间差异显著的年份会明显低估面雨量,且在夏季汛期表现更为显著;不同降雨输入对分布式流域水文模拟的影响较大;在雨量站降雨资料不完整的情况下,通过对雨量站降雨数据进行插补延长,相对于直接利用气象站降雨资料,在一定程度上可以提高径流模拟精度,满足降雨资料欠缺流域分布式水文模拟的实际需求。     

开都河流域山区径流模拟及降雨输入的不确定性分析

选取塔里木河源区的开都河流域为研究区,将流域内气象水文站点数据与遥感数据相结合,利用气象、土壤类型、土地利用和地表覆盖、数字高程(DEM)和降雨等资料,模拟流域水文过程,并在出山口实测径流数据的基础上对模型进行率定和验证;对降雨输入所带来的径流模拟不确定性进行分析,探讨降雨输入的空间异质性对水文预报结果的影响机制.结果表明:MIKE-SHE模型能在水文、气象站点稀少,土壤及水文地质数据缺乏的条件下,模拟开都河流域的日径流过程,但精度上仍有待提高;降雨输入的空间分布程度对径流模拟有重要影响.FY-2C遥感估算降雨资料能够更好地表达降雨时间的空间异质性,相应地对径流模拟精度也有一定程度的提高.     

自适应神经模糊推理系统(ANFIS)在水文模型综合中的应用

由于目前已有很多比较成熟的流域水文模型,因此我们可以选用几个流域水文模型进行并行运算,来同时模拟流域降雨—径流关系。在相同的降雨输入情况下,不同模型得到的模拟流量必然会有所不同,模型效率系数和模拟精度也会不同。因此,如何将不同模型的模拟结果进行综合以进一步提高流量模拟精度是一个关键问题。本文选用自适应神经模糊推理系统(ANFIS)作为水文模型综合平台,以牧马河流域为试验区域,对两个并行运算水文模型(三水源新安江模型和总径流响应模型)的结果进行综合处理,得到了更稳健的流量模拟结果,大大提高了模型效率和模拟精度。该方法值得在实践中借鉴。     

应用流域水文模型分析配套雨量站数

中小河流流域内配套雨量站网的合理化布设问题,仍然是雨量站网规划中的重要课题。本文试用新安江四水源流域水文模型,对江西雨量站网实验区内所观测到的高密度雨量站点资料,以流量作为目标函数,重演水文站的出流过程,在给定允许误差条件下,确定了最佳配套雨量站数。     

TOPMODEL模型的空间尺度分析

以东江流域的岳城、胜前、东坑、蓝塘和九州五个子流域为例,应用前四个子流域分析DEM分辨率和流域大小对地形指数和TOPMODEL模型模拟结果的影响,探讨TOPMODEL模型对DEM分辨率的依赖性.结果表明:DEM分辨率对地形指数有着显著的影响,且径流模拟精度依赖于DEM空间分辨率,随着DEM空间分辨率的降低模拟得到的确定性系数逐渐减小.为了克服TOPMODEL模型难以考虑降雨空间分布不均对径流过程的影响,建立基于子流域的TOPMODEL模型,将基于子流域的TOPMODEL模型和整个流域的TOPMODEL模型应用九州子流域进行模拟比较,发现基于子流域的TOPMODEL模型能够得到精度更好的模拟效果,而且可以得到不同子流域对流域出口流量过程的贡献度,进而能够分析不同降雨情况下的流域出口洪水过程.     

SWAT模型在密赛流域的应用与比较研究

为对比分布式水文模型SWAT与典型集总式水文模型新安江模型的径流模拟能力,以钱塘江支流密赛流域为实验流域,以CRU气象数据集为气象输入资料,分别进行SWAT日、月径流模拟与验证,并与新安江模型模拟成果进行对比。结果显示SWAT模型在实验流域的月尺度径流模拟中更具优势,也表明SWAT模型在我国径流模拟中具有良好的适用性。     

遥感水文模型及其应用

降雨径流预报精度的提高途径在于能否获得符合客观实际的输入信息,即降雨量的时空分布及相应的下垫面状态。遥感技术可以提供降雨及下垫面状态的信息,并对雨量站同密度小及下垫面变异性大的地区,具有改善水文预报质量的较大潜力。本文试图将目前可能获得的遥感信息用于降雨径流预报,并以少冷河洪水预报为实例说明之。     

降水输入时段变化对新疆伊犁地区洪水模拟影响的定量分析研究

为定量分析降雨输入时段对新疆伊犁地区洪水模拟的影响,应用新安江模型,分别分析3组降雨输入时段对模型洪水求解精度的影响。分析结果表明:在静态参数下,随着降雨输入时段的增加,降雨均化作用增强,洪峰和洪量模拟相对误差递增,过程拟合的确定性系数逐步减小,模型模拟精度逐步降低;在动态参数下,降雨输入时段对洪水模拟精度影响逐步减弱,降雨均化作用对模拟精度影响逐步消减。研究成果对于新疆伊犁地区洪水模拟具有重要的参考价值。     

平治河岩溶流域退水规律分析与降雨径流模拟

以平治河岩溶流域为研究对象,分析其地下退水规律,将其划分为9个子流域,在传统新安江模型基础上,将地下径流划分为慢速和快速地下径流,分别采用两个线性水库进行模拟,构建降雨-径流模拟方案,并选取2011-2015年期间的7场洪水作为率定期洪水,以确定性系数（DC）最大为优化目标,应用遗传算法率定模型参数,而以8场洪水作为验证期洪水进行验证分析,获得率定期合格率为85.71%,平均确定性系数为0.846,验证期合格率为75%,平均确定性系数为0.893,达到乙级精度。其结果表明所构建的模拟方案能够较好地模拟该流域的径流规律。      

基于统计理论方法的水文模型参数敏感性分析

参数敏感性分析是模型不确定性量化的重要环节,有助于有效识别关键参数,减少参数的不确定性影响,进而提高参数优化效率。利用Morris筛选方法定性识别相对重要参数,耦合方差分解的Sobol方法和统计理论的响应曲面模型构建一种新的定量敏感性分析方法——RSMSobol方法。以长江支流沿渡河流域的日降雨径流过程模拟为例,系统分析4种不同目标函数响应条件下新安江模型的参数敏感性。结果表明Morris方法和RSMSobol方法的集成应用极大地提高了全局敏感性分析的效率,Morris定性筛选结果为定量评估减少了模型参数维数,采用代理模型技术的RSMSobol方法减少了模型的计算消耗。     

基于水文模型的雷达监测降雨量误差传递研究

基于多普勒雷达和相应的雨量计资料,利用卡尔曼滤波校准法对分组Z~I关系估算的雷达降雨进行同化,结合新安江模型,提出采用增长模繁殖法对雷达监测降雨量资料进行扰动,定量分析了模型输入误差对径流模拟的影响。经过湖北省白莲河流域的实际应用研究表明,卡尔曼滤波校准法估算降水量的精度比Z~I关系法有了明显的提高,其相应的洪水预报效果也都优于Z~I关系;提出的增长模繁殖法对雷达监测降雨量资料产生的扰动输入误差在经过模型的传递后有增大的趋势。     

中国大陆流域分区TRMM降水质量评价

根据中国境内2 257个气象站点1998-2013年逐日降水资料,结合流域分区,采用探测准确性、相关系数以及相对误差等指标,对热带降水测量（TRMM）降水精度和一致性进行系统评价。结果表明:① TRMM日降水准确性从东南沿海向西北内陆递减;② 气象站点年均降水日数显著大于TRMM年均降水日数;③ 西北片区以外气象站点降水量和TRMM降水量在月尺度和年尺度上均具有较好的相关关系;④ 各流域年均TRMM面降水量均高于气象站点面降水量,且TRMM面降水量相对误差雨季较小,枯季较大;⑤ 各流域TRMM面降水量与气象站点面降水量演变趋势基本一致,南方各流域年降水量均呈减少趋势,北方各流域年降水量均呈增加趋势,全国尺度上年降水量呈微弱的减少趋势。     

基于GIS对新安江模型的改进初探

新安江模型能较好解决降雨时空分布问题,但忽略了其他分布不均的影响。流域汇流特征在很大程度上取决于流域形状特征和地形分布。提出一种方法,利用数字高程模型(DEM)划分子流域,提取各单元流域的平均坡度和最大汇流路径长度,以最大汇流路径长度推求形状系数,并将形状系数和平均坡度引入模型结构中,建立其与汇流参数之间的相关关系,使新安江模型能同时考虑降雨、流域形状以及地形分布。将改进后的模型应用于沿渡河流域进行验证,效果良好。     

Adequacy of satellite derived rainfall data for stream flow modeling

Floods are the most common and widespread climate-related hazard on Earth. Flood forecasting can reduce the death toll associated with floods. Satellites offer effective and economical means for calculating areal rainfall estimates in sparsely gauged regions. However, satellite-based rainfall estimates have had limited use in flood forecasting and hydrologic stream flow modeling because the rainfall estimates were considered to be unreliable. In this study we present the calibration and validation results from a spatially distributed hydrologic model driven by daily satellite-based estimates of rainfall for sub-basins of the Nile and Mekong Rivers. The results demonstrate the usefulness of remotely sensed precipitation data for hydrologic modeling when the hydrologic model is calibrated with such data. However, the remotely sensed rainfall estimates cannot be used confidently with hydrologic models that are calibrated with rain gauge measured rainfall, unless the model is recalibrated. G. Artan, J. L. Smith and K. Asante – work performed under USGS contract 03CRCN0001.     

基于蒸散发数据同化的径流过程模拟

采用集合卡尔曼滤波算法,以遥感反演的蒸散发作为观测数据,构建一种基于新安江模型的蒸散发同化系统;根据同化后的蒸散发,采用粒子群算法估计新安江模型的土壤张力水蓄量,进而改进模型的径流模拟效果。选取地表能量平衡系统模型进行汉江流域蒸散发（ET_SEBS）反演,采用基于GRACE水储量距平数据的水量平衡蒸散发（ET_GRACE）进行验证,结果显示ET_SEBS总体表现好于蒸散发产品ET_GLDAS、ET_Zhang、ET_MODIS,且相关系数（R）、均方根误差（E_RMS）、偏差（B）为0.93、11.93 mm/月、-3.47 mm/月,表明SEBS模型能够较好地估算蒸散发。将同化方案在旬河流域进行应用,结果显示同化后径流的纳什效率系数（E_NS）为0.85,较同化前0.81明显提高,且模型对枯水期径流的低估问题有一定改善,对径流峰值模拟效果提高明显。     

TRMM卫星降水数据在洣水流域径流模拟中的应用

采用地面雨量站点观测降水作为基准数据,评估热带降雨观测计划（TRMM）最新一代卫星降水产品3B42V7的精度;利用站点和卫星两种降水数据驱动栅格新安江模型,采用SCEM-UA算法考虑模型参数不确定性,进行流量过程模拟,评估TRMM 3B42V7在流域水文模拟和预报中的应用能力。数据精度评估显示:在平均意义上,TRMM 3B42V7日降水精度较高,较站点观测低估了6.68%;但在绝对值意义上,TRMM 3B42V7日降水精度较低,绝对偏差达到57.76%;TRMM 3B42V7经过了地面月降水量偏差校准,其精度在月尺度上有较大提高。径流模拟结果表明:TRMM 3B42V7模拟的日径流过程精度较低,有部分洪峰没有捕捉到,但仍能表征径流的日变化特征;月尺度上模拟径流与实测径流吻合较好,能表征径流的季节性和年内变化特征;计算的日尺度和月尺度95%置信区间包含大部分实测流量过程。     

一种时变分布式单位线计算方法

为了解决由降雨强度引起的径流汇流的非线性问题,提出一种基于SCS(United States Department of Agriculture-Soil Conservation Service)流速公式的时变分布式单位线计算方法。引入参考雨强表征SCS公式中流速系数对应的水力条件。由降雨过程的时段雨强与参考雨强的比值构成一个量纲一因子,将该因子加入SCS公式后使其能够考虑降雨对流速的影响。改进后的流速公式用于计算一次降雨过程中不同降雨时段对应的时变分布式单位线,时变分布式单位线与新安江模型的产流模块构成降雨径流模型,将模型用于裴河流域率定参考雨强。率定后的模型用于谭家河流域进行应用检验,结果显示,确定性系数大于等于0.9的洪水场次,由时不变单位线的42%增大为83%。提出的方法能够显著提高流域水文模型的降雨径流模拟能力。     

Evaluation of rainfall spatial correlation effect on rainfall-runoff modeling uncertainty,considering 2-copula

Lack of accuracy of rainfall-runoff simulation (RRS) remains critical for some applications. Among various sources of uncertainty, precipitation plays a particular role. Rainfall rates as the main input data of RRS are of the first factors controlling the accuracy. In addition to the depth, spatial and temporal distributions of rainfall impact the flood discharge. Most of the previous studies on RRS uncertainty have ignored rainfall spatial distribution, where in large catchments, it is necessary to be modeled explicitly. Karoon III is one most important basin of the Iran because of the Karoon III dam in the outlet. In the present work, effect of spatial correlation of rainfall on HEC-HMS (SMA) continuous RRS uncertainty is evaluated using 2variate copula (2copula). Monte Carlo simulation (MCS) approach was used to consider the rainfall spatial dependence. To reduce the computational expense, sampling efficiency and convergence for MCS, Latin hypercube sampling (LHS) was used. Copula functions consider wide range of marginal probability distribution functions (PDFs), eliminating limits of regular join PDFs. For this aim, two scenarios were investigated. In the first scenario, sub-basin rainfall was considered independent, and in the second scenario, 2copula was adopted to model spatial correlation of rainfall. Dimensionless rainfall depths were calculated for each sub-basin, and the PDFs were determined. The generated random dimensionless rainfalls were reweighted and multiplied by watershed’s mean rainfall value. Stochastic Climate Library was used to generate continuous daily rainfalls. Sampling from dimensionless rainfalls using LHS algorithm, 100 runs of calibrated model-simulated 100 flows for each day following MCS, and 80 % certainty bound was calculated. Results showed that considering dependence decreased 18 % of the maximum uncertainty bound width, so the methodology could be recommended for decreasing predicted runoff error.     

森林火灾对典型小流域径流影响模拟

以澳大利亚东南部Mcmahons Creek 流域1983年发生的森林火灾为例,运用AWRA-L和新安江模型模拟火灾后流域的基准径流过程,进而估算火灾对径流的影响。AWRA-L和新安江模型模拟结果表明,火灾发生后14年(1983—1997年)内流域产水量分别增加140 mm和123 mm,占火灾前(1974—1982年)年均径流量的33%和29%;火灾发生14年后的1998—2004年,增加量分别为43 mm和33 mm,占火灾前年均径流量的10%和8%。说明森林火灾引起短期内流域径流量的明显增加,随着植被的恢复流域产流增加量减少,森林砍伐是后期径流增加的重要原因。该研究对森林流域的水资源管理具有重要的参考价值。