大尺度水文模型TOPX构建及其与区域环境系统集成模式RIEMS的耦合

基于改进型SIMTOP参数化径流方案和新安江模型的三层土壤水量平衡计算方法,本文构建了一个输入数据和率定参数较少、同时具有地形指数尺度转换机制、较好描述二维水文过程的简单高效的大尺度水文模型TOPX,并将其与区域环境系统集成模式RIEMS紧密耦合,以增强区域气候模式对大尺度流域径流量的定量数值模拟能力．TOPX模型在酉水河流域和泾河流域的离线测试表明：该模型对小尺度流域的径流量模拟精度较高,能够较好地描述流域水文变化过程;同时,该模型在大尺度上具有较强的分布式模拟能力,能够捕捉陆面水文过程的主要特征和时空演变特点．TOPX与RIEMS的耦合模式在泾河流域进行了在线测试,借助TOPX模型中的地形指数降尺度转换和水文过程产汇流机制,耦合模式实现了利用区域气候模式模拟的气象资料来驱动水文模型进行大尺度流域日径流量的模拟．进一步分析还表明：区域气候模式RIEMS模拟的降水时空分布数据的精度是影响耦合模式对径流量模拟效果的关键因素．     

气候变化对沅江流域径流影响研究

温室气体排放量增加造成气候变化,对全球资源环境产生重要影响.本文在水量平衡基础上,建立考虑气象要素和地形变化的月水文模型,利用实测径流资料对模型在时空尺度上进行验证.利用全球气候模型(GCMs)预测的未来气候变化情形,对处于湿润区的沅江流域径流过程进行预测.分析结果表明,该区域径流过程对降雨和气温变化十分敏感.根据英国Hadcm2模型对本世纪中叶气候变化预测结果,沅江流域未来年降雨量减少0.43%气温升高1.55℃,丰水期降雨增加,而枯水期将有较大幅度减少.年径流量相应减少6.8%,丰水期径流量增大11%,枯水期径流减少47%,不利于防洪和水资源开发利用.     

抚仙湖集水域地表径流入湖水量模拟

采用适用于无资料流域、参数较少的SCS模型计算抚仙湖集水域地表径流量.模型考虑了集水域下垫面条件的空间差异,利用Maplnfo/Arc view软件按照土地利用方式与土壤类型的不同,把集水域划分为若干个水文响应单元,分别计算产流量,较准确地模拟了入湖径流量.通过对梁王河流域和大鲫鱼沟流域实测降雨径流资料的分析与反演,提出了适合该区域的产流计算CN值.在对CN值作坡度修正后再应用到其它无观测数据区域.通过模型计算得到的抚仙湖集水域2005年3月1日-2006年2月28日地表径流量为1.74×108 m3,陆面径流系数为0.395.模型为指导抚仙湖集水域径流观测及入湖污染物负荷的计算提供依据.     

1960年以来气候变化与人类活动对鄱阳湖流域生态径流改变的影响

基于鄱阳湖流域五河水文站1960-2013年逐日径流量和14个国家级气象站的日气象数据,本文利用长短记忆模型框架构建神经网络模型来开展鄱阳湖流域的径流过程模拟,结合生态赤字与生态盈余等生态径流指标,定量分析了鄱阳湖流域的水文变异特征.同时,利用差异化的情景模拟方式,定量区分了人类活动和气候变化对鄱阳湖流域生态径流变化的...     

太湖西苕溪流域径流过程的模拟

西苕溪是太湖集水域的一个主要流域,研究西苕溪流域径流过程及污染物产出对了解太湖水文水质变化以及开展周围其它流域研究工作具有重要意义．作为研究的第一步,采用集总式模型LASCAM建立了西苕溪流域径流模型．以流域内2个水文观测站1968-1988年日径流观测数据对模型作了率定．率定效果满意,模拟日、年径流量与观测值吻合良好．在流域资料不够充分的情况下,模型能获得较为理想的模拟效果,说明所采用的模型适用于数据不足区域．模拟还揭示,西苕溪流域径流产生可能以饱和地面径流机制为主．近河道浅层饱和土体的水位与降雨量相关性好,呈现出明显的日波动周期;而深层地下水位呈年波动周期,在旱季和雨季,水位呈明显的降落和上升趋势．这些发现为进一步细化径流模型以及建立污染物输移模型奠定了基础．     

红壤农田小流域径流组分对氮素流失动态的影响

明确关键带中农田流域水文过程对氮负荷的影响,对于理解关键带中的物质迁移过程,尤其是农业面源污染中氮素的迁移转化具有重要意义.文章以红壤关键带丘陵区孙家农田小流域为对象,在2017年3月至2018年2月水文年对流域降水、土壤水、地下水及径流进行了较为系统的水量和水质监测,借助端元混合模型,探究了径流组分动态对氮素流失的影响.结果表明,流域不同水体之间氮素浓度差异显著.土壤水和地下水的氮素浓度最高,约为降水和灌溉水的3～5倍,流域径流氮素浓度的2倍.红壤农田流域氮素负荷较高.孙家小流域全氮(TN)年净流失量占总氮肥投入的15%.雨季是氮流失的高风险期,仅降水量最为丰沛的6月氮素流失就占到全年总流失量的1/3以上.地下径流是农田小流域氮素流失的重要途径,其径流量占到流域径流量的25%左右.径流组分的改变是径流氮素浓度变化的重要因素,且径流组分可以用来预测水田与旱地生态系统交错存在的小流域的氮素负荷,其预测结果与实测结果的线性决定系数达到0.9左右(p0.001).本研究的结果对于提高红壤农田小流域的水肥管理水平和加深对红壤关键带水氮耦合关系均具有重要指导价值.     

马营河流域1967~2000年土地利用变化对河流径流的影响

自1960年代以来, 干旱内陆流域土地利用格局发生了以耕地持续扩张和天然林草地不断减少的剧烈变化, 分析流域土地利用变化对水文过程的影响对于流域管理十分重要. 以河西走廊中部的马营河流域为例, 选择年径流量、基流量、最大洪峰流量以及流域典型的春季和秋季汛期流量为径流过程参量, 基于流域降水和径流各参量的变化趋势分析和显著的统计回归关系分析, 区别了气候变化对径流过程的影响. 利用1956年以来4期土地利用变化数据, 分析了耕地土地利用和径流过程各参量之间的定量关系, 建立了基于降水和耕地面积两种因素的径流过程统计模拟模型, 研究结果表明, 1967年以来, 由于流域土地利用变化, 尤其是上游林草地大规模转为耕地, 使流域年均径流量减少28.12%, 基流量减少35.32%, 最大洪峰流量减少35.77%, 春季和秋季的平均季节流量分别减少了36.05%和24.87%, 其中耕地面积扩张对年径流量的影响贡献率在77%~80%, 对春季流量的影响贡献率在73%~80%, 对基流量的影响贡献率在62%~65%之间, 流域冬春季节的持续升温也对春季径流减少具有一定影响; 合理规划流域土地利用格局, 对于流域水资源可持续利用河流域可持续发展具有重要意义.     

水文非线性系统与分布式时变增益模型

论述了以Volterra泛函级数表达的流域降雨-径流非线性系统理论与概念性模拟方法. 依据流域数值高程模型、遥感信息和单元水文过程, 提出了水文非线性系统理论的时变增益模型(TVGM)和推广应用到流域时空变化模拟的分布式时变增益模型(DTVGM). 研究表明, 除了常用的非线性系统分析方法之外, 从复杂水文关系研究中另辟蹊径, 提出一种简单关系的非线性系统分析是完全有可能的. 时变增益水文模型的提出及其与一般性水文非线性系统的联系就是一个例证. 水文非线性系统方法与分布式流域水文模拟结合的DTVGM模型, 能够发挥水文系统方法与分布式水文模拟方法相结合的优点, 探索环境变化下的流域水文模拟问题. 将DTVGM分别应用到河西走廊干旱地区的黑河流域和华北地区潮白河流域实例研究, 模拟了水文时空变化以及陆面覆被变化与水文影响分析, 取得了较好的效果, 说明了其特色和应用价值.     

基于长短记忆模型的鄱阳湖流域径流模拟及其演变的归因分析

气候变化和人类活动直接或间接的影响着全球和区域水文循环过程,是导致水文水资源时空分布的主要因素,同时也是流域-湖泊水文情势变化的根本原因.本文基于长短记忆模型构建了鄱阳湖气象-径流模型,同时引入了基准期的概念,定量区分了导致鄱阳湖流域径流变化的主要影响因素.研究结果表明:在同时考虑计算效率和模拟效果的前提下,采用10 d预测窗口大小来构建鄱阳湖气象-径流模型能够很好地捕捉径流的极值,并且对径流的短期波动也能有很好的体现.训练期模型在各个子流域的纳什效率系数均高于0.94,而在验证期,模型在各个子流域的纳什效率系数均高于0.90.基于径流模拟结果,定量区分了人类活动和气候变化对鄱阳湖径流的影响,研究结果显示:人类活动对径流的影响主要发生在春、秋季,其中,人类活动在春季主要会造成径流的增加,平均增加幅度约为139.47 m³/s,而在秋、冬季,人类活动则会导致径流平均减少约34.37 m³/s.对比二者的相对贡献率,可以发现,春季人类活动对径流造成的影响较大,平均相对贡献率为77.26%.而在其余季节,鄱阳湖流域径流过程的改变主要是由于气候变化,平均相对贡献率约75.84%.研究结果能够为鄱阳湖流域水资源管理提供科学依据和理论指导.     

鄱阳湖流域径流模型

流域径流是鄱阳湖主要来水,建立鄱阳湖流域径流模型对揭示湖泊水量平衡及其受流域自然和人类活动的影响具有重要意义.针对鄱阳湖-流域系统的特点:流域面积大(16.22×104km2)、多条入湖河流、湖滨区坡面入湖径流等,研究了相应的模拟方法,建立了考虑流域土壤属性和土地利用空间变化的鄱阳湖流域分布式径流模型.采用6个水文站1991-2001年的实测河道径流对模型进行了率定和验证.结果显示,模型整体模拟精度较高.其中,赣江、信江和饶河均取得了较好的模拟结果,月效率系数为0.82-0.95;抚河和修水模拟精度略低,为0.65-0.78.模型揭示了研究时段内年平均入湖径流总量为1623×108m3,其中,赣江最多,占47%,其次为信江和抚河,分别占13%和12%,湖滨区坡面入湖径流约占4%,其余24%来自饶河、修水以及其它入湖支流.模型将用于评估流域下垫面或气候变化引起的入湖水量变化,为湖泊水量平衡计算提供依据.     

基于BTOPMC模型的土地覆被变化径流响应模拟

为分析土地覆被变化的水文效应.构建4种土地覆被情景,采用BTOPMC模型对淮河流域黄泥庄集水区1982-1986年的日径流过程进行模拟.结果表明,土地覆被变化对蒸散发量和径流量计算影响显著,与现状覆被情景的模拟结果相比,森林覆被情景蒸散发量增加,径流量减少,而林地草原和耕地覆被情景下情况相反,且各土地覆被变化情景下枯季径流深的变化幅度明显小于雨季的变化幅度.该模型能较好地分析和评价土地覆被变化下的径流响应.     

模型模拟梭磨河流域气候波动和土地覆被变化对流域水文的影响

针对长期以来关于森林的水文效应的争论, 选择了长江上游的一个中等流域, 分析其40年来的气候波动以及土地覆被变化情况, 利用集总式和分布式水文模型分别模拟了该流域气候波动和土地覆被变化对其水文的影响, 得出由于气候波动造成的径流的变化占3/5~ 4/5, 由于土地覆被变化所造成的径流的变化占1/5.     

鄱阳湖流域过去1000 a径流模拟以及对气候变化响应研究

为研究过去千年尺度径流变化及其对气候变化的响应,以长江中游鄱阳湖流域为研究区,运用气候模式CCSM4和ECHAM5模拟过去1000 a气候数据,空间降尺度后驱动水文模型模拟了鄱阳湖流域过去近千年流域径流序列.利用快速傅里叶变换、小波分析等手段,分析流域极端径流变化特征、周期和该流域旱涝事件发生频率.结果表明:2种气候模式均能反映出中世纪暖期及小冰期阶段的干湿交替变化,且小冰期内中干旱状态维持时间较长;径流的丰枯变化与降水量变化具有较好的对应关系.CCSM4和ECHAM5模式下发生旱涝灾害与极大极小降水事件发生频率基本相同,径流丰枯变化与降水变化周期相近,均具有30 a左右的主周期,10~15、7 a左右的子周期.小波系数模平方图中30 a左右显著的能量信号揭示了该周期与北太平洋气候的主要环流机制的太平洋年代际振荡周期相近,因此,大气环流涛动是造成气候-水文变化的主要原因.研究结果拓展了基于近代60 a观测记录的流域水文变化的认识,探讨了千年时间长度下流域干湿变化特征和水文对气候响应的动力机制,有助于全面系统认识长江中游在全球气候暖化背景下旱涝极端水文事件的发生机制与变化规律.     

黄河流域气候与农业种植面积变化对径流的影响

根据黄河流域1960—2005年5个水文站逐日流量、77个气象站1959—2013年逐日降水数据,结合流域内主要农作物种植面积及大型水库资料,全面探讨气候与农业面积变化及人类活动对黄河流域径流变化的影响.研究表明:黄河流域所有流量分位数总体呈下降趋势,并于1980s中后期到1990s中期发生突变.降水变化是黄河流域径流变化的主要影响因素.在考虑不同流量分位数情况下,农作物种植面积变化对不同分位数径流变化的影响也有差异性.花园口站农作物种植面积变化对径流量量级和可变性均有显著影响;其余4站各项气候变化与农作物种植指标参数较大,虽均未达到10%的显著性水平,但仍会对径流的量级变化产生影响.对唐乃亥站,农作物耕作面积的下降减少了灌溉用水,在0.5流量分位数时有高达60%增加径流量的间接作用.对于头道拐站,农作物耕作面积的增加使得流域总蒸发量增加,灌溉用水增加,在0.3流量分位数时有高达40%减少径流量的间接作用.该研究为气候变化与人类活动影响下黄河流域水资源优化配置提供重要理论依据.     

气候变化和人类活动对鄱阳湖流域径流过程影响的定量分析

量化气候变化和人类活动对流域水文影响及其对流域水资源规划和管理具有重要的理论与现实意义.采用水文模型和多元回归法定量分析气候变化和人类活动对鄱阳湖"五河"径流的影响,并通过与灵敏度分析法对比来进一步验证分析结果 .研究表明,1970-2009年,气候变化和人类活动对鄱阳湖流域径流增加的贡献率分别为73%和27%.气候变化是饶河、信江和赣江径流增加的主导因素,而人类活动是修水径流增加的主要因素,是抚河径流减少的主要原因.另外,不同季节影响径流变化的主导因素又有不同,人类活动为干季(11月到次年2月)径流增加和湿季(4-6月)径流减小的主导因素,其贡献率分别为78.9%和82.7%.本研究可为鄱阳湖流域防洪抗旱及水资源优化配置提供重要科学依据.     

1990s以来气候变化和人类活动对洪湖流域径流影响的定量辨识

为针对性地提出洪湖流域水资源适应与应对气候变化和人类活动影响的措施,保护洪湖流域生态资源,促进其可持续发展,采取分布式水文模型SWAT定量辨识了1990s流域城镇快速发展以来气候变化和人类活动对洪湖流域地表径流的影响程度.结果表明:近20年来,人类活动是洪湖流域地表径流减少的主要原因,其影响量占径流减少量的63.72%,气候变化的影响占36.28%.但不同阶段人类活动与气候变化对流域径流影响的程度不同,1990s气候变化对流域径流的影响量高于人类活动,2000s气候变化对流域径流的影响量低于人类活动,近20年来的水土保持措施已经发挥了较好的径流调节和保水效益.     

SWAT模型在斯里兰卡河流径流预测中的运用

本文运用SWAT模型和新安江模型对斯里兰卡卡鲁河流域上游地区日径流进行了预测.卡鲁河是斯里兰卡的第二大河,由于流域的降雨量很大,上游地区河流沿峡谷流下,中下游平原地区河床平坦.卡鲁河流域的洪水变的很正常.应用SWAT模型来对卡鲁河的日径流量进行预测,并同应用新安江模型所得到的结果做对比.研究表明,新安江模型要比SWAT (分布式水文模型)模型在卡鲁河日径流量预测上稍微好一些.实际上,或许数据质量不高或不恰当是部分原因,因为SWAT的输出成果严格取决于其输入的数据质量.此外,在斯里兰卡,许多人的日常用水是靠井水.当把流域看作一个整体,通常都是一个很大的范围,那样的话就不可能详尽的记录所有各个小规模的水利用,例如:小灌溉、小规模的家畜管理和工业水利用.这些水利用累积起来或许就很可观.这些数据的缺失对分布式水文模型在水平衡的应用有着独特的影响.但是概念水文模型(如新安江模型)可以根据实际情况在校正中调节它的参数,因为这些参数并没有实质的物理含义.因此,在流域特征和模型输入数据有限或不完整的情况下,概念水文模型比分布式水文模型更具优势.     

鄱阳湖湖泊流域系统水文水动力联合模拟

本文以鄱阳湖湖泊流域系统为研究对象,鉴于该湖泊流域系统尺度较大,下垫面自然属性呈现高度空间异质性且具有流域-平原区-湖泊不同机制的水文水动力过程,为了真实描述湖泊流域间的水文水动力联系及反映不同过程间的作用机制,构建了鄱阳湖湖泊流域联合模拟模型.该模型基于自主研发的流域分布式水文模型WATLAC和湖滨平原区产流模型以及水动力模型MIKE 21 3个不同功能子模型的连接来实现该复杂系统的模拟.模型的联合采用输入-输出驱动及子模型的顺序执行进程,即将五大子流域与平原区入湖径流量作为输入条件来驱动湖泊水动力模型,模拟湖泊水位对流域入湖径流量的响应.以2000-2005年鄱阳湖流域6个水文站点的河道径流量、流域基流指数以及湖泊4个站点的水位资料来率定模型,其中各站点日径流量拟合的纳希效率系数E_ns为0.71~0.84,确定性系数R²介于0.70~0.88之间,而湖泊各站点水位拟合的纳希效率系数E_ns变化为0.88~0.98,确定性系数R²为0.96~0.98,均取得令人满意的率定结果.本文提出的鄱阳湖湖泊流域系统水文水动力联合模拟模型能较为理想再现湖泊水位对流域降雨-径流过程的响应.水位模拟结果进一步表明,该联合模型能用来获取重要的水动力空间变化特征.该模型可作为有效工具定量揭示湖泊流域系统水文水动力过程对气候变化和流域人类活动的响应.     

半湿润半干旱流域空间组合模型研究

在半湿润半干旱地区,下垫面条件复杂,产流机制混合多变,而现有的水文模型由于其固定的结构和模式,无法灵活地模拟不同下垫面特征的洪水过程.本文利用CN-地形指数法将流域划分为超渗主导子流域和蓄满主导子流域.将新安江模型(XAJ)、新安江-Green-Ampt模型(XAJG)和Green-Ampt模型(GA)相结合,在子流域分类的基础上构建空间组合模型(SCMs),并在半湿润的东湾流域和半干旱的志丹流域进行检验.结果表明:东湾流域的参数由水文模型来主导;而志丹流域的参数受主导径流影响很大.在东湾流域,偏蓄满的模型模拟结果优于偏超渗的模型,且SCM2模型(XAJ和XAJG的组合模型)的模拟效果最好(径流深合格率为75%,洪峰合格率75%);而SCM5模型(GA和XAJG的组合模型)在以超渗产流为主的志丹流域模拟最好(径流深合格率53.3%,洪峰合格率53.3%).在半干旱半湿润流域,SCMs模型结构灵活,在地形和土壤数据的驱动下,具有更合理的模型结构和参数,模拟精度较高,适应性较强.     

流域湿地水文调蓄功能定量评估

湿地水文调蓄功能是湿地生态系统服务功能的重要组成部分,开展定量评估对湿地生态功能评价具有重要的理论意义和应用价值.文章基于耦合湿地模块的PHYSITEL/HYDROTEL模型平台,构建了流域湿地生态水文模型,模拟了有/无湿地情景下多布库尔河流域水文过程,定量评估了湿地削减洪峰和维持基流的水文功能.研究结果表明,多布库尔河流域湿地具有显著的径流调节能力,体现在对总径流的削弱作用和对径流机制(流量、频率、历时和发生时间等)的改变作用.湿地对快径流的影响具有明显的日、月和年时间尺度效应,尤其在洪峰期间和汛期对快径流的削减作用最明显,对快径流多年平均的削减作用为5.89%;而对日、月和年基流的影响较弱,对基流多年平均的维持作用为0.83%;湿地对总径流、快径流和基流的影响效应(削弱或增强)和强度有明显的月、季节和年尺度变化特征,但总体上发挥着削减洪峰和维持基流的功效.研究结果从发挥湿地水文功能的视角为流域湿地恢复保护与水资源综合管控提供科学依据和新的思路.