土壤数据空间分辨率对水文过程模拟的影响

分布式水文模型的应用,其准确性有赖于输入数据对流域特征的描述,尤其在大尺度流域,输入数据分辨率的增加是否必然改善模型的模拟效果是值得深入研究的问题。本文以鄱阳湖信江流域为研究区,运用SWAT模型为模拟工具,分析了土壤数据空间分辨率对径流、蒸发及土壤含水量等水文要素模拟的影响以及高精度土壤数据在大流域尺度的适应性。结果表明：不同分辨率的土壤数据对SWAT模型中水文响应单元的划分结果差异显著,但在径流模拟和蒸发计算结果中并没有表现出显著的差别;模型率定前后,低分辨率土壤数据的径流模拟结果略好于高分辨率土壤数据,但两者之间的差别不明显;模型模拟的土壤含水量差异显著,高分辨率土壤模拟的月平均土壤含水量整体大于低分辨率土壤模拟结果;研究还发现,模型的蒸发计算对土壤分辨率信息不敏感。本文研究意味着,大尺度SWAT模型的应用中,土壤数据分辨率的提高不一定会改善模型的模拟效果。在具体应用中,应考虑流域本身的尺度以及模拟精度的要求,选择合适分辨率的土壤数据,同时应结合模型原理和关键参数的物理含义来解释模拟结果。     

SWAT模型在漳卫河流域应用研究

漳卫河流域是海河流域重要组成水系, 也是我国北方地区水资源短缺和水环境恶化的典 型区域之一。本文基于SWAT(Soil and Water Assessment Tool)构建漳卫河流域分布式水文模型, 对模型的几个重要参数进行敏感性分析, 总结出其取值变化对模拟结果的影响规律。并应用 2000~2004 年的水文气象数据, 进行分布式水文过程模拟, 将模拟结果与8 个行政区划的水资源 公报数据进行对比分析。结果显示模拟相对误差在10%以内, 能够为水资源管理提供重要参考。 研究成果对于SWAT 模型在国内的应用和推广, 具有很好的示范性。也为海河全流域分布式水文 模型的研制奠定了基础。     

分布式水文模型软件系统研究综述

分布式水文模型软件系统作为分布式水文模型的技术外壳,是模型应用的重要技术保障。当前分布式水文模型应用呈现出多过程综合模拟、用户群范围广和计算量大的特点,对分布式水文模型软件系统的灵活性、易用性和高效性提出了更高的要求。本文首先分析了分布式水文模型应用的主要流程,之后从应用视角对现有分布式水文模型软件系统的特点进行了归纳,主要结论为:①软件系统按照模型结构灵活性的高低分为以下3种类型:不支持子过程选择和算法设置,不支持子过程选择、但支持算法设置,同时支持子过程选择和算法设置;②根据用户操作数据预处理软件方式的不同,参数提取方式分为菜单/命令行式和向导式;③按照模型的程序实现方法分为串行和并行方式,按照模型运行环境分为本地和网络模式。现有软件系统在灵活性、易用性和高效性方面存在如下问题:一是尚未解决模型结构灵活性和对用户知识依赖性之间的矛盾;二是现有菜单/命令行式和向导式的参数提取方式步骤繁琐,难以实现参数的自动提取;三是模型大多为串行方式和本地模式,容易遇到计算瓶颈问题。最后从模块化、智能化、网络化及移动化、并行化和虚拟仿真等方面探讨了分布式水文模型软件系统的发展趋势和研究方向。     

大尺度分布式水文模型数字流域 提取方法研究

构建大尺度分布式水文模型是当前大气水文模型耦合研究的一项重要内容。本文介绍一 种根据1km DEM 生成更大网格尺度DEM 数据, 同时可以保持流域河网信息并减缓高程、坡度 等地貌参数信息量衰减速度的有效方法———ZB算法。利用该方法和常规的网格平均法生成黄河 唐乃亥以上流域的5km、10km、15km 和20km 两套DEM 数据, 分别提取高程、坡度、地形指数、河 网密度、主河道长度、流域面积等流域特征参数, 并与1km DEM 提取的上述参数进行比较, 对两 种方法作出评价。结果显示, 随着网格尺度的增大, ZB 算法获得的DEM 数据可以保持河网的连 续性, 提取出合理的流域范围, 减缓地形信息量的衰减速度。该方法满足构建大尺度分布式水文 模型提取数字流域的需要。     

若尔盖高寒草甸表层土壤水分特征曲线传递函数研究

土壤水力学性质是土壤水文和流域水文模型模拟的重要参数。通过代表性样点采样分析,建立土壤基本理化指标为自变量的传递函数,是区域尺度土壤水力学参数估算的一种重要方法。受水文气候条件、土壤属性等多要素的影响,现有土壤水力学参数传递函数模型在高寒地区的适用性较为有限。为获得高寒草地准确的土壤水力学参数,本文以青藏高原东缘若尔盖高寒草甸表层土壤(0～20 cm)为研究对象,测定了土壤基本理化性质(有机质含量、容重、颗粒组成等)和土壤水分特征曲线。在van Genuchten (VG)模型参数拟合及Pearson相关分析的基础上,运用多元逐步线性回归分析法,分别构建了VG模型参数估算模型和三组点估算模型。结果显示:(1)采用本研究构建的土壤水力学传递函数所得的估算值与实测数据的相对误差与平均相对误差总体小,准确度高;(2)本文构建的点估算模型拟合效果均较好,在基本理化性质的基础上增加滞留含水量(θ_r)和田间持水量(θ_(330)),均能提高传递函数的估算准确度;(3)对于土壤数据较为缺失的高寒草地区域,以只采用土壤颗粒组成、容重和有机质含量作为自变量构建的传递函数组A更具可行性。该研究为高寒草地土壤水力学参数的估算提供了实用的函数工具,其应用可为高寒草甸土壤水文、生态、水资源管理等研究提供参数支撑。     

SWAT分布式流域水文物理模型的改进及应用研究

SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 模型是一个集成遥感 (RS)、地理信息系统 (GIS) 和数字高程模型(DEM)技术的先进的分布式流域水文物理模型。为了推动该模型在中国的适应性研究及应用,并改进模型以提高水文模拟的精度,针对模型在中国西北寒旱区的黑河流域和中西部温润的汉江流域的水文模拟中发现的问题进行了扩充和改进,增加了土壤粒径转换模块和天气发生器(WGEN)数据预处理模块,改进了模型中的WGEN算法、潜在蒸散量模拟算法以及气象参数的空间离散方法。利用扩充和改进后的模型对汉江褒河上游江口流域的降雨-径流过程进行了系统的研究。结果表明,不仅模型的使用效率有明显提高,而且改进后模型的效率系数和相关系数也比改进前有较大改善。     

塔里木河源流山区径流模拟及不确定性研究

自然环境恶劣、站点稀少、观测困难是干旱区水文系统研究面临的基本问题。特殊的自然地理条件给水文过程带来了极大的复杂性和不确定性,也阻碍了干旱区水文过程和机理研究的发展。选取塔里木河源区开都河流域为研究区,采用分布式水文模型MIKE SHE模拟大尺度资料稀缺地区水文过程,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;在出山口径流数据的基础上对模型进行率定和验证;分析了模型中的不确定性的来源,探讨模型优化方法。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,但精度仍有待提高;通过分析识别出了隐含于模型结构、输入及参数等3个方面的8种不确定性来源。     

基于模块的分布式水文模拟系统及其应用

由于水文循环过程的复杂性和空间变异性,集成不同的水循环模型,基于模块化结构、构建面向多目标的水文模拟系统已经成为当今水文模拟技术发展的一个重要方向。本文从科学研究和水资源管理的实际需要,首次研发国内基于模块化的分布式水文模拟系统,并提出了“信息化水文模拟系统(HydroInformatic Modeling System, 简称HIMS)”。HIMS是一个以水循环信息平台为基础,基于组件式结构设计的开放式综合水循环模拟系统,侧重于分布式水文过程的模拟与应用。文中对HIMS的设计思路,主要功能与结构进行了详细介绍,包括基于国产GIS软件SuperMap的水循环信息系统、模型数据前/后处理系统和水文模型方法库系统。其中,HIMS的水文模型方法库系统集成了水文过程方法库和多种水文模型,并提供定制水文模型的功能。HIMS的提出发展了水文模型理论和建模技术,拓宽了国内分布式水文模型的研究思路。     

基于DEM的清水河分布式水文模型

对于以冰雪融水和雨水混合补给为主的西北山区流域,需要结合山区特点建立分布式水文模型。通过取塔里木河流域中的清水河水系为研究区域,采用300 m×300 m DEM数据进行流域河网水系提取,同时用DEM数据对参数进行分布式异化,建立冰雪融水与降雨相结合的分布式水文模型。分析模拟结果表明:夏季模拟径流主峰值与实测径流值较为接近,而冬春季节两者之间的差别较大,反映了西北山区流域冰雪融水和雨水混合补给为主的特点;进而开拓塔里木河区域应用该类模型的可行性。     

基于SWAT模型的晋江西溪流域径流模拟

应用流域分布式水文模型SWAT,综合利用泰森多边形法、土壤粒径的线性变换、土地利用编码的转换等方法以及子流域和水文响应单元(HRU)的适当划分,对闽东南沿海西溪流域1970～1975年的年、月径流进行模拟,以月径流模拟的效率系数、相对误差和相关系数3个指标为标准,对模型的敏感参数进行率定,并对1976～1979年的月径流进行验证模拟.研究结果表明该模型适用于晋江西溪流域的径流模拟,且精度较高,尤其是降水量大,产流量多的月份模拟效率更高.     

基于水文模型的蒸散发数据同化研究进展（英文）

Accurate estimation of evapotranspiration(ET),especially at the regional scale,is an extensively investigated topic in the field of water science. The ability to obtain a continuous time series of highly precise ET values is necessary for improving our knowledge of fundamental hydrological processes and for addressing various problems regarding the use of water. This objective can be achieved by means of ET data assimilation based on hydrological modeling. In this paper,a comprehensive review of ET data assimilation based on hydrological modeling is provided. The difficulties and bottlenecks of using ET,being a non-state variable,to construct data assimilation relationships are elaborated upon,with a discussion and analysis of the feasibility of assimilating ET into various hydrological models. Based on this,a new easy-to-operate ET assimilation scheme that includes a water circulation physical mechanism is proposed. The scheme was developed with an improved data assimilation system that uses a distributed time-variant gain model(DTVGM),and the ET-soil humidity nonlinear time response relationship of this model. Moreover,the ET mechanism in the DTVGM was improved to perfect the ET data assimilation system. The new scheme may provide the best spatial and temporal characteristics for hydrological states,and may be referenced for accurate estimation of regional evapotranspiration.     

分布式侵蚀产沙模型研究进展

随着计算机技术与地理信息系统(GIS) 技术的发展, 分布式侵蚀产沙模型成为当今土壤侵 蚀领域研究重点与发展方向。本文在分析国内外几个主要的分布式侵蚀产沙模型基础上, 探讨了 分布式侵蚀产沙模型的技术路线与技术实现, 最后指出目前我国分布式侵蚀产沙模型研究存在 的主要问题: ( 1) 分布式水文模型的深入研究为分布式侵蚀产沙模型提供了不少借鉴, 但如何在 分布式水文模型的基础上开发侵蚀模块还存在一些问题; ( 2) 目前国内分布式土壤侵蚀模型大都 基于黄土高原而得出, 模型有一定的局限性; ( 3) 当前的大多侵蚀产沙的关系式( 尤其是坡面侵蚀 关系式) 是经验型的, 汇沙的过程考虑得过于简单, 没有深入探讨水文与土壤侵蚀之间的关系; ( 4) 目前大多数分布式土壤侵蚀模型没有考虑次暴雨产流的时间变化与空间变化。     

基于SWAT模型的无资料流域产流产沙模拟

准确预报无资料地区的产流产沙,对土壤侵蚀治理具有重要的实践意义。为了研究南方红壤侵蚀区无观测资料流域的产流产沙情况,以福建省长汀县朱溪小流域为研究区,其次一级流域游屋圳子流域和高陂塅子流域分别为参证流域和无观测资料流域。采用相对误差(Re)、决定系数(R2)以及Nash-Sutcliffe效率系数(Ens)评价了SWAT模型在游屋圳子流域的产流产沙模拟的适用性,基于地形指数判定了两子流域的水文相似性。结果表明:SWAT模型适用于游屋圳子流域的产流产沙模拟;游屋圳子流域与高陂塅子流域具有水文相似性,说明两子流域间可以进行模型参数移植;经模型参数移植,模拟得2010年高陂塅子流域年径流量为1.32×107m3,年产沙量为2 200 t。模拟结果不仅为小流域的水土保持治理提供参考,也为其他无资料流域的产流产沙模拟提供方法借鉴。     

A review on evapotranspiration data assimilation based on hydrological models

Accurate estimation of evapotranspiration (ET), especially at the regional scale, is an extensively investigated topic in the field of water science. The ability to obtain a continuous time series of highly precise ET values is necessary for improving our knowledge of fundamental hydrological processes and for addressing various problems regarding the use of water. This objective can be achieved by means of ET data assimilation based on hydrological modeling. In this paper, a comprehensive review of ET data assimilation based on hydrological modeling is provided. The difficulties and bottlenecks of using ET, being a non-state variable, to construct data assimilation relationships are elaborated upon, with a discussion and analysis of the feasibility of assimilating ET into various hydrological models. Based on this, a new easy-to-operate ET assimilation scheme that includes a water circulation physical mechanism is proposed. The scheme was developed with an improved data assimilation system that uses a distributed time-variant gain model (DTVGM), and the ET-soil humidity nonlinear time response relationship of this model. Moreover, the ET mechanism in the DTVGM was improved to perfect the ET data assimilation system. The new scheme may provide the best spatial and temporal characteristics for hydrological states, and may be referenced for accurate estimation of regional evapotranspiration.     

湖泊集水域地表-地下径流联合模拟

研制了流域尺度的地表- 地下径流联合模拟的分布式水文模型。模型考虑了地表径流、土 壤水、地下水之间的相互作用和水量交换, 更真实地模拟径流系统。特别是, 考虑了湖泊- 流域系 统的特点, 例如, 多条入湖河流、直接入湖的坡面水流和地下入湖径流等, 使模型比现有水文模型 更适合于湖泊集水域径流系统的模拟。模型在云南抚仙湖集水域作了初步应用研究, 模拟结果与 河道径流、土壤含水量和地下水位等观测数据的比较显示, 模型模拟效果理想。此外, 模拟结果与 SCS 模型结果的对比分析, 进一步验证了模型的有效性。该模型可用于研究湖泊与流域的相互作 用、模拟流域水文过程对自然条件改变或人类活动的响应、探究地表径流- 地下水- 湖泊之间的相 互作用。模型也可用作湖泊- 流域系统水量平衡分析和水资源管理的有效计算工具。     

基于TVDI的黄土高原地表干燥度与土地利用的关系研究

基于地表温度和植被指数的经验关系构建地表干燥度指数。该指数对Ts/NDVI特征空间的生态特征的解释,对土壤和作物的水分含量具有一定的指示意义。通过对地表干燥度进行分级,分析陕北黄土高原区地表含水状况的空间差异,进而结合该地区的主要土地利用类型,探讨各类型的干燥度情况,并对不同地表干燥度条件下各土地利用类型对地表水分的保持能力差异进行分析,结果表明,在该区相对湿润环境中,林地以及疏林地的水分保持能力优于农地和草地,但在干旱的环境下,草地则好于林地及疏林地。建议根据不同土地利用类型的保水能力,在湿润区域增加林地的面积比例,在偏湿润区域增加疏林地的面积,在干旱区域增加草地的比例,减少农地开垦。     

分布式水文模型的并行计算研究进展

大流域、高分辨率、多过程耦合的分布式水文模拟计算量巨大,传统串行计算技术不能满足其对计算能力的需求,因此需要借助于并行计算的支持。本文首先从空间、时间和子过程三个角度对分布式水文模型的可并行性进行了分析,指出空间分解的方式是分布式水文模型并行计算的首选方式,并从空间分解的角度对水文子过程计算方法和分布式水文模型进行了分类。然后对分布式水文模型的并行计算研究现状进行了总结。其中,在空间分解方式的并行计算方面,现有研究大多以子流域作为并行计算的基本调度单元;在时间角度的并行计算方面,有学者对时空域双重离散的并行计算方法进行了初步研究。最后,从并行算法设计、流域系统综合模拟的并行计算框架和支持并行计算的高性能数据读写方法3个方面讨论了当前存在的关键问题和未来的发展方向。     

新疆库木塔格004号陨石球粒类型研究及其在球粒分类体系的应用

球粒是球粒陨石的主要组分,目前球粒分类体系主要有三种,即结构分类、FeO-SiO2分类和M-FeO-CaO分类。球粒结构分类过于依赖结构与形态,而与化学成分联系不紧密。FeO-SiO2分类体系和M-FeO-CaO分类体系在传统的结构分类体系基础上加入了矿物化学分类参数,这有利于进一步研究太阳星云演化的物理化学过程。但与结构分类相比,很少利用FeO-SiO2和M-FeO-CaO分类体系对陨石球粒进行分类。本次所研究陨石为我国新发现的沙漠陨石富集区——新疆库木塔格沙漠004号陨石（L4,S4,W3）,在对其中的球粒进行了详细普查和研究的基础上,分别利用三种分类体系对该陨石中的球粒进行分类,并进一步探讨了FeO-SiO2分类和M-FeO-CaO分类方法优缺点与应用范围。通过对比分析,提出了后两种分类方法的改进意见：针对FeO-SiO2分类体系,提出以硅酸盐中FeO=7.5%（wt%）为I型和II型球粒分界线,SiO2=47%及53%（wt%）为A型、AB型和B型球粒分界线。FeO-SiO2分类体系不仅能应用于斑状球粒,也适用非斑状球粒。对M-FeO-CaO分类体系依据辉石组分（FeO及CaO,单位wt%）对A1型（FeO＜1,CaO＞1）、A2型（FeO≈1—3,CaO＜0.5）、A5型（FeO≈11—14,CaO≈0.3—0.9）和B型（FeO＞3,CaO＜0.5）球粒的类型区间进行了初步划分。