概念性水文模型与智能模型在中小河流洪水模拟中的比较研究

相较于大江大河的流域水文预报研究,中小流域的研究相对匮乏。以沅江河溪水文站以上流域为例,研究LSTM(Long Short-Term Memory)模型和新安江模型在场次洪水中的模拟效果。通过对比,新安江模型的整体模拟精度较高,洪量、洪峰、峰现时间的平均相对误差分别为9.39%、9.55%、1.6 h,确定性系数为0.73,综合合格率为100%,达到甲级精度标准;LSTM模型的模拟精度较低,洪量、洪峰、峰现时间的平均相对误差分别为11.76%、12.33%、2.3 h,确定性系数为0.60,综合合格率为75%,达到乙级精度标准。结果表明,新安江模型和LSTM模型是中小河流洪水预报的有效方法,均可用于河溪流域的正式预报,且对于河溪流域,新安江模型的模拟精度比LSTM模型更高。     

无资料地区水文模型参数移植不确定性分析

无资料地区降水径流模拟是水文学研究的国际前沿和热点问题。水文模型参数移植是无资料地区降水径流模拟的重要方法,对径流模拟精度具有重要的影响。利用核密度估计和蒙特卡罗随机模拟等方法,构建了一种水文模型参数移植误差驱动的无资料地区径流模拟不确定性定量评估框架。以广西壮族自治区42个有水文监测站点的典型中小河流为研究对象,率定新安江模型参数并模拟日径流和洪水过程,将42个典型流域依次假定为无资料流域,利用基于回归分析、相似流域和机器学习的参数移植方法,模拟无资料地区的洪水过程并识别最优的参数移植方法,分析移植法估算的模型参数值和直接率定值相比误差的概率分布特征,定量评估模型参数移植误差带来的径流模拟不确定性。研究结果表明：(1)基于回归分析的参数移植法模拟无资料地区洪水过程的精度优于相似流域法,优选的机器学习算法比传统回归分析法和相似流域法的计算精度提高了7%～15%;(2)与模型参数率定值相比,移植方法计算的模型参数具有一定的误差,对洪水模拟敏感参数的误差小于不敏感参数;(3)受模型参数移植误差的影响,利用蒙特卡罗法随机模拟的洪水过程具有一定的不确定性,洪量和洪峰相对误差的主要区间分别为10...     

考虑动态汇流路径的时变分布式单位线

针对现有分布式单位线汇流理论未考虑土壤含水量变化引起的时变汇流路径问题, 提出动态汇流路径新概念, 推求同时考虑降雨强度和土壤含水量时空分布的坡面流速计算公式, 引入地形指数刻画流域蓄水能力空间分布, 从而获得栅格尺度流域流速分布场, 进一步建立不同蓄满状态下流域动态汇流路径集合, 最终实现考虑动态汇流路径的时变分布式单位线推求。以龙虎圩和东石流域为实例, 通过SCS模型计算产流量, 采用本文所提方法进行汇流计算, 引入涵盖低流量误差、高流量误差及洪量误差的多目标优化方法率定参数, 2个典型流域28场洪水预报结果表明, 洪峰流量相对误差在±15%内, 峰现时间误差在±6 h之间, 纳什效率系数平均值超过0.8, 与现有方法相比, 所提方法能更加准确地反映汇流时间分布场, 提高了洪水预报精度。     

浙江省无资料流域洪水预报方法研究

无资料或资料不足是任意流域开展洪水预报面,临的难题和挑战。在浙江全省适用水文预报模型筛选基础上,利用自动寻优技术对浙江省39个代表流域978场暴雨洪水进行逐流域、逐场洪水产、汇流参数率定,并根据参数变幅、敏感性,分别采用均值、等值线空间内插、结合流域特征运用投影寻踪回归分析等方法进行产、汇流参数的地区综合,提出了全省无资料流域洪水预报方法,并经预报模型检验,精度可以满足防洪预警要求。     

VIC模型汇流方案的改进

VIC模型作为具有物理基础的大尺度水文模型得到了广泛应用,然而其现行汇流方案无法用于场次洪水的模拟。本文采用单位线法和Maskingum-Cunge法对模型的汇流方案进行了改进。以时段气象数据驱动VIC模型进行产流计算,以所改进的汇流方案进行汇流演算,对西江南宁以上流域的场次洪水过程进行了模拟,结果表明,改进的汇流方案可以较好的模拟出口断面的洪水过程,并对洪水的空间演进过程具有一定的描述能力。     

产流误差比例系数的系统响应修正方法

为提高洪水预报的精度以及修正的稳定性,在产流误差动态系统响应曲线修正方法的基础上,提出了产流比例系数的系统响应修正方法.将产流系列按照一定原则分成若干组,假定每组存在系统误差,通过引入一个比例系数来表示,应用系统响应理论,选择适当的参数率定方法确定最优比例系数,进而对时段产流量分组进行修正.将产流误差比例系数的系统响应修正方法应用于滩坑流域,并与产流误差动态系统响应曲线修正方法相比较,结果显示,对于流域的17场历史洪水,二者均能提高洪水预报的精度,但前者的修正效果更好,修正稳定性更强,适用范围更广.     

新安江模型与水箱模型在柘溪流域适用性研究

为提高柘溪流域洪水预报精度,充分合理利用洪水资源,缓解该流域下游的防洪压力,同时为水库防洪调度以及经济运行提供科学合理的决策依据,研究了集总式概念性水文模型新安江模型及水箱模型在该湿润流域的适用性。选取该流域2004~2015年实测数据,应用三目标MOSCDE算法分别优选三水源新安江模型以及水箱模型参数,从而对该流域划分的多个子流域单元进行了场次洪水模拟计算,并对比分析不同流域单元两种模型的模拟结果,探究不同模型结构在柘溪流域场次洪水模拟中的差异,分析总结这两种模型在该流域的适用性。结果表明:两种模型模拟效果比较接近,均可以达到《水文情报预报规范》规定的作业预报精度要求,且对于流域内的大洪水的模拟效果也比较理想。从洪量以及洪水过程方面分析,两个模型的模拟效果比较接近;从洪峰拟合角度分析,新安江模型比水箱模型更适合该流域。     

新安江产流模型与改进的BP汇流模型耦合应用

为提高新安江模型的汇流计算精度并减少经验因素对参数率定的影响,将新安江产流模型与改进的BP汇流模型相耦合,建立XBK(XAJ-BP-KNN)模型。该模型以前期模拟流量和新安江产流模型计算的产流量作为BP网络的输入,出口断面流量作为网络输出,拟合汇流的非线性关系,代替新安江模型的分水源、线性水库及河道马斯京根法的汇流计算;采用相似原理和K-最近邻算法,基于历史样本的模拟误差及相应影响要素对网络输出进行误差修正,实现了无前期实测流量的连续模拟;模型使用SCE-UA算法与遗传早停止LM算法相结合的全局优化方法进行参数优选。在呈村流域的验证表明XBK模型的模拟精度高于新安江模型,全局优化方法能找到最优参数,降低了模型的使用难度。     

植被分布对小流域产流影响的数值实验

基于二维运动波模型,建立了一个适用于小流域场次降雨产汇流过程的动力学模型。通过对典型小流域内不同区域(坡顶、坡中及坡底区域及距离流域出口的远近)种植植被时产流过程的数值模拟,分析了小流域内植被分布对产流过程的影响。结果表明:植被分布及其特性对小流域场次降雨产流有较明显的影响;下游区域种植植被的减水效果和延滞洪峰作用优于上游区域,陡坡区域减水效果优于缓坡区域,且郁闭度越大,这种差别越明显;在该研究条件下,下游区的减水效果可达到上游区的3倍;30%郁闭度条件下减水效果可达10%和20%郁闭度条件下的3倍和1.4倍。     

山区小流域洪水分布模式模拟与危险性评估

流域暴雨山洪过程时空异质性强,准确评估雨洪变化特性和洪水危险性对山洪灾害防治具有重要意义。以7个降雨特征指标和6个洪水特征指标刻画流域场次雨洪特性,采用中国山洪水文模型和洪水频率指标相结合,模拟和评估口前流域洪水过程及其危险性。结果表明：场次洪水洪峰模数、洪峰时间偏度、高脉冲历时占比、涨落洪速率与降雨总量、平均雨量、最大雨强、雨峰位置系数、基尼系数等降雨特征指标显著相关,三场致灾洪水过程的降雨均呈现量级大、强度大、历时短、暴雨中心偏中下游的特点;率定期和验证期的平均径流深相对误差均在9%以内,平均洪峰流量相对误差均在11%以内,平均峰现时间误差均在1.7 h以内,平均Nash-Sutcliffe系数为0.80和0.76;各场次洪水有0.0%～93.3%的河段流量达到一般危险及以上等级,三场致灾洪水过程的危险性等级最高,分别有80.0%、35.0%和1.7%的小流域河段流量达到高危险及以上等级。研究可为山区小流域暴雨洪水危险性评估、灾害响应和复盘等提供技术支撑。     

Compilation simulation of surface water and groundwater resources using the SWAT-MODFLOW model for a karstic basin in Iran

Modeling of karstic basins can provide a better understanding of the interactions between surface water and groundwater, a more accurate estimation of infiltrated water amount, and a more reliable water balance calculation. In this study, the hydrological simulation of a karstic basin in a semiarid region in Iran was performed in three different stages. In the first stage, the original SWAT model was used to simulate surface-water flow. Then, the SWAT-MODFLOW conjunctive model was implemented according to the groundwater characteristics of the study area. Finally, due to the karstic characteristics of the region and using the CrackFlow (CF) package, the SWAT-MODFLOW-CF conjunctive model was developed to improve the simulation results. The coefficient of determination (R²) and the Nash-Sutcliffe efficiency coefficient (NSE) as error evaluation criteria were calculated for the models, and their average values were 0.63 and 0.57 for SWAT, 0.68 and 0.61 for SWAT-MODFLOW, 0.73 and 0.7 for SWAT-MODFLOW-CF, respectively. Moreover, the mean absolute error (MAE) and root mean squared error (RMSE) of the calibration for groundwater simulation using the SWAT-MODFLOW model were 1.23 and 1.77 m, respectively. These values were 1.01 and 1.33 m after the calibration of the SWAT-MODFLOW-CF model. After modifying the CF code and keeping the seams and cracks open in both dry and wet conditions, the amount of infiltrated water increased and the aquifer water level rose. Therefore, the SWAT-MODFLOW-CF conjunctive model can be proposed for use in karstic areas containing a considerable amount of both surface water and groundwater resources.

     

全过程联合校正方法在饶河流域洪水预报中的应用研究

为提高饶河流域洪水预报精度,将全过程联合校正(EPJC)方法与三水源新安江(XAJ)模型结合,按一定比例划分洪水预报总误差为各过程误差,基于系统响应理论反演得到面雨量计算误差和模型参数误差,重新输入流域水文模型正演得出校正后的洪水过程。选取洪峰流量相对误差、峰现时间绝对误差、径流深相对误差和确定性系数作为模型评价指标,量化XAJ预报与EPJC校正结果,并与传统的动态系统响应曲线(DSRC)方法进行对比。结果表明,EPJC能够考虑全过程误差,与实际误差分布情况更相符,可提升饶河流域的洪水作业预报精度,值得进一步研究与推广。     

SIMHYD模型在松花江流域应用的适应性分析

近年来,概念性水文模型在水文预报中得到了广泛应用,为探讨SIMHYD模型在松花江流域应用的适应性,为其汛期的防洪控制、水库调度提供依据,本文选择嫩江流域上游石灰窑断面和第二松花江流域白山断面汛期(6—9月)的日径流过程进行模拟。计算结果表明,SIMHYD模型在松花江流域的应用中存在区域性差异:在嫩江流域上游石灰窑汇水区,率定期的纳什系数为0.501,验证期的纳什系数为0.158,模型应用的适应性较差;在第二松花江流域白山汇水区,率定期的纳什系数为0.777,验证期的纳什系数为0.729,模型应用的适应性优良。模型对于洪峰处的模拟存在较大误差,主要原因在于该模型没有考虑到产流时空分布不均及河道汇流计算过程。     

基于CoupModel的青藏高原多年冻土区土壤水热过程模拟

近年来, 青藏高原多年冻土区生态环境呈现出逐年恶化趋势, 从而对多年冻土活动层水热过程造成显著影响. 此外, 如何构建更加有效、 针对寒区的陆面过程模式成为寒区研究的重点、 热点之一. 作为一种有效的参数估计方法, Bayes参数估计算法具有准确估计陆面过程模式参数的能力. 因此, 基于2005-2008年观测数据, 利用CoupModel模型对青藏高原风火山流域土壤水热运移过程进行模拟; 同时, 利用Bayes参数估计方法估计部分水热运移参数. 结果显示: 模型对土壤温度(ST)的模拟效果较好, NSE系数均在0.90以上; 也能够较好模拟浅层(0~40 cm)土壤水分, NSE值均达到0.80以上, 而对40 cm以下土壤水分的模拟结果较差. 模型也能够较准确模拟活动层土壤的冻结-融化过程. 模型对温度水分极值和40 cm深度以下水分的模拟存在一些偏差. 值得一提的是, 基于重要性采样MCMC方案的Bayes参数估计算法能够有效估计水热运移参数, 模型模拟结果得到极大的改进. Bayes算法能够广泛解决陆面过程模式参数估计问题.     

Probabilistic calibration of a coupled hydro-mechanical slope stability model with integration of multiple observations

Multiple types of responses, such as displacements, ground water level, pore water pressures, water contents, etc., are usually measured in comprehensive monitoring programmes for rainfall-induced landslide prevention. In this study, a probabilistic calibration method for coupled hydro-mechanical modelling of slope stability is presented with integration of multiple types of measurements. A numerical example of a soil slope under rainfall infiltration is illustrated to compare the effects of single and multiple types of responses on parameter estimation and model calibration. The results show that the soil parameters can be estimated with less uncertainty and total uncertainty bounds are narrower with multiple types of responses than with a single type of response. Model calibration based on multiple types of responses can compromise different responses and hence the means and standard deviations of model error are the smallest. A feasible correlation coefficient between soil modulus and permeability can be obtained from model calibration with multiple types of responses and single type of response as long as the responses include displacement data.     

淮河流域水文非线性多水源时变增益模型研究与应用

基于传统时变增益模型(TVGM),进一步考虑地下径流退水,在传统TVGM只考虑单一地表水源的基础上,添加地下水源模块,对地表地下径流分别进行产、汇流计算,改进并提出了多水源TVGM,并将其应用于淮河流域蚌埠闸以上13个水文站控制的代表性子流域。结果表明:多水源TVGM既继承了传统TVGM以简单结构描述复杂水文非线性系统关系的优点,同时通过增加地下水源模块,大大提高了洪水预报的精度。13个子流域参数率定期和模型验证期中,传统TVGM分别有9个和7个子流域达到乙级洪水预报标准,而多水源TVGM分别提高到12个和8个,其中以大型流域和大水年改进效果尤佳。传统TVGM水量平衡系数为0.88,多水源TVGM提高到0.95,平均提高了7%。洪峰模拟相对误差也由传统TVGM的50%达标率提高到多水源TVGM的92.3%,整体提高了42.3%。因此,多水源TVGM能更好的应用于淮河流域洪水预报工作。     

油气资源评价中石油运聚系数的量化分析与预测模型

石油运聚系数是石油资源成因法评价中的关键参数。为确定我国主要含油气盆地的石油运聚系数取值,从而计算石油资源量,对我国6个盆地54个刻度区进行了解剖,采用构建目标函数的思路,分东部、西部地区建立多元非线性回归方程以构建预测模型,定量研究我国主要盆地石油运聚系数与地质主控因素之间的关系。结果显示:石油的运聚系数主要与烃源岩年龄、储层年龄、盖层以上不整合个数、供烃流线类型、源储年龄差绝对值和储源年龄比等地质参数有较大相关性。验证结果表明:利用多元非线性回归分析建立的统计模型预测效果较为理想,能够减少人为影响因素,可用于定量预测我国主要盆地的石油运聚系数。     

Quantifying the uncertainty of semiarid flash floods using generalized likelihood uncertainty estimation

This paper aims to address the question of how the parameter uncertainty associated with a mixed conceptual and physical based rainfall-runoff model (AFFDEF) has influences on flood simulation of the semiarid Abolabbas catchment (284 km²), in Iran. AFFDEF was modified and coupled with the generalized likelihood uncertainty estimation (GLUE) algorithm to simulate four flash flood events. Analysis suggests that AFFDEF parameters showed non-unique posterior distributions depending on the magnitudes and duration of flash flood events. Model predictive uncertainty was heavily dominated by error and bias in soil antecedent moisture condition that led to large storage effect in simulation. Overall, multiplying parameter for the infiltration reservoir capacity and multiplying parameter for the interception reservoir capacity along with potential runoff contributing areas were identified the key model parameters and more influential on flood simulation. Results further revealed that uncertainty was satisfactorily quantified for the event with low to moderate flood magnitudes while high magnitude event exhibited unsatisfactory result.