基于GIS/RS的流域水文过程分布式模拟——Ⅰ模型的原理与结构

面向流域水资源管理,提出了一个基于GIS/RS的流域分布式水文模型,模型主要包括单元水文模型与河网汇流模型两大部分。单元水文模型涉及到冠层截留、融雪、蒸散发、坡面流、非饱和土壤水运动和地下水出流等水文物理过程。产流计算考虑到地形坡度的影响采用基于地形指数的计算方法。汇流演算基于河网结构采用分段马斯京根方法。模型的大部分参数与输入信息可以利用GIS和RS技术获取,能够对气候变化和人类活动对下垫面的改变,做出快速的模拟与响应。     

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.     

一种通过地形指数计算流域蓄水容量的方法

在概念性分布式水文模型中,单元格蓄水容量的确定成为一个难题。考虑到单元格蓄水容量同地形指数之间的相似性,发现地形指数同蓄水容量间满足位移量为零的对数维布尔分布函数,建立了地形指数同单元格蓄水容量之间的函数关系,从而可通过单元格地形指数求取单元格的蓄水容量,在一定程度上解决了分布式水文模型中产流参数的离散化问题。     

潮河流域TOPMODEL模型网格尺度研究

TOPMODEL模型首要也是关键的问题就是地形指数的计算问题.除计算方法外,地形指数的分布还与DEM网格尺度息息相关.较大的网格推出的地形指数不具有显示水流路径的物理含义,会丢失一些物理信息.太细的分辨率可能引起流向和坡度的混乱.导致水流路径不连续.对于流域尺度而言,合适的网格尺度在很大程度上影响模拟结果的精度,但目前关于这方面的研究却很少.本文在集水面积5 340km2的中尺度潮河流域上进行地形分析计算,深入的分析了从50 m～600 m以50 m为间隔的不同网格尺度对地形指数分布的影响.并以平水年为例,研究了这些地形指数对流域径流模拟的影响.得出的结论对于TOPMODEL模型在中尺度流域上的应用具有指导意义.     

基于对数指数型蓄水容量曲线改进新安江模型

原新安江模型利用一个经验函数即抛物线来考虑下垫面张力水蓄水容量空间分布不均,其数学和物理基础不明确.基于地形指数和土地利用覆被类型与包气带厚度的相关关系可以推求出张力水蓄水容量曲线,与传统概化出的曲线不同,为更好地描述流域张力水蓄水容量空间分布,在此提出用一种新的函数——对数指数函数来代替新安江模型中的抛物线以改进新安...     

基于地形因子特征值的喀斯特流域地貌类型判别

利用数字地面高程模型进行子流域划分,提取反映喀斯特地貌形态的7个地形因子——高程、坡度、地形起伏度、地形粗糙度、地表切割深度、高程变异系数和地形指数,提出根据地形因子特征值进行喀斯特地貌类型判别方法。以贵州省后寨河流域为例,在划分的18个流域中,选取16个流域通过单个地形因子特征值相关分析和多个地形因子特征值模糊聚类分析,确定峰丛-洼地和峰林-盆地地貌类型判别的阈值,选取另外两个流域进行判别方法检验。结果表明:基于地形因子特征值可定量判别出喀斯特流域不同地貌类型。      

数字高程模型分辨率对流域地形特征参数的影响

地形特征(如高程和坡度)和水文特征(如河流长度和河流坡度)是分布式流域水文水质模型的基础输入参数,用于量化描述模型模拟流域的自然特征。这些特征参数的准确性直接影响水文水质过程模拟的准确性。应用数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)在4个不同地形的子流域研究了10种不同分辨率DEM对平均高程、流域面积、坡度、河流坡度、最长河长等参数的影响。结果表明,随着DEM分辨率降低,流域地形变缓,流域平均坡度逐渐减小;随着DEM网格分辨率的变化,子流域划分范围和河道位置也都可能发生变化,且该变化在地形起伏较小的丘陵平原地区较明显,子流域集水面积和河长进一步随之改变;河流坡度随DEM分辨率降低则呈无规则变化。从地形和水文参数两方面揭示了DEM 分辨率在分布式流域模型中的不确定性影响。     

黑河流域气候平均降水的精细化分布及总量计算

利用黑河流域气象观测站降水资料和DEM资料,分析了气候平均年和月降水量与地理地形参数的关系.结果显示,黑河流域气候平均降水量与测站的海拔、纬度、坡度显著相关,据此建立了降水量与地理地形参数的关系模型;拟合分析表明,年降水量拟合值与实测值的相关系数达0.94,二者在大部分地区分布特征基本一致,拟合值稍大;逐月降水量拟合相对误差在上游和中游都很小.基于降水量与地理地形参数的关系模型,利用高分辨率DEM资料,扩展得到了黑河流域上中游100m×100m精细化分布的气候平均年降水量和各月降水量.结果表明,精细化分布的降水量场能够表现出更多与地形和地势有关的细节,这是只利用气象测站资料的分析结果所不能反映的.在黑河流域气候平均降水量空间精细化分布基础上,按照黑河流域上中游面积5.08×104 km2计算,其气候平均年降水总量约为150.6×108 m3,降水主要集中在5-9月.     

黑河流域上游降水精细化分布与总量年际变化

利用黑河流域100 m×100 m地理地形资料及气象测站多年降水和风向资料,依据坡度、盛行风向与迎风坡对地形抬升速度影响的数学模式,对主导风向效应指数进行了扩展,构建了新的耦合坡度、坡向和主导风向的局地地形因子.通过回归分析,建立了逐年6-9月降水量与地理和局地地形因子的回归方程,通过GIS空间分析技术扩展得到了黑河流...     

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。     

基于土壤植被不同参数化方法的流域蒸散发模拟

植被和土壤是水循环中的重要载体,模拟流域水循环时植被和土壤的参数化也显得尤为重要。通过对比流域蒸散发模拟中分布式模型和集总式概念模型的土壤植被参数化方法,计算了潘家口水库流域不同时间尺度上的流域蒸散发,分析了不同时间尺度下流域蒸散发的影响因素。通过分析得出:(1)分布式水文模型中的植被参数化方法包括对植被时空分布与变化的描述,以及与之相关的土壤-植被-大气中水分和能量的传输过程的描述。(2)从GBHM模型与流域水热耦合平衡模型的对比分析可知,在流域尺度上,年实际蒸散发与潜在蒸散发之间呈互补的高度非线性关系;但在山坡和小时时间尺度上,实际蒸散发与潜在蒸散发之间呈正比关系,并可近似为线性正比关系。(3)基于流域水热耦合平衡模型在不同时间尺度的参数化分析可知,考虑植被土壤水分和植被覆盖度能改善对流域蒸散发的年际和季节变化的模拟精度;土壤水分和植被的影响随着时间尺度变小表现得越来越显著。     

使用积雪遥感面积数据改善山区春季融雪径流模拟精度

随着寒区水文模拟研究的深入,春季融雪径流模拟误差大这一问题越来越明显.针对此问题,以八宝河流域为研究区,利用积雪衰减曲线将MODIS积雪面积比例产品转化为雪水当量,并用其更新分布式水文模型GBHM(Geomorphology-Based Hydrological Model)中模拟的雪水当量,达到提高春季融雪径流模拟精度的目的.利用GBHM模型对八宝河流域2005-2007年进行了模型预热,参数率定,同时选择2008年进行模型检验.结果表明:GBHM模型在八宝河流域有较好的径流模拟精度,年均纳什效率系数(NSE)达到0.64.但模型对春季融雪过程的模拟效果较差,通过引入积雪遥感数据,这一问题得到很大改善.加入积雪遥感数据后,2008年3-6月径流模拟精度NSE和相对偏差Bias分别由-1.0、-0.45改进为0.58、0.06,单点雪水当量模拟精度获得提高,流域水量平衡也更加合理.     

干旱区山地典型流域不同景观结构的水文调节能力分析

在GIS支持下,对祁连山中段典型流域不同景观结构的水文效应进行比较分析.结果表明:以低海拔乔木林占优势的大野口河流域可对其年降水量的36.45%进行调节,雨季径流深是旱季径流深的8.43倍;以较高海拔灌丛占优势的海潮坝河流域可对其年降水量的24.96%进行调节,雨季径流深是旱季径流深的11.8倍.大野口河流域对降水的调控能力强于海潮坝河流域.在降水量不变的情况下,流域森林面积每增加1 km²,流域对降水的综合调节能力将提高0.35 t.100 m^-2(即3.5mm).     

分项调查与水文模型相结合的九龙江流域 天然径流量计算

由于人类活动影响,水文站的实测径流过程普遍发生显著变化,而大量水资源分析计算工作必须以天然径流量为基础。以九龙江流域为例,提出将分项调查法与水文模型法相结合的流域天然径流量综合还原法,即采用分项调查法对主要水文站控制集水区的实测径流数据做还原计算,利用还原后的径流数据构建以子流域为单元的SWAT降雨径流模型,进而通过参数移用,利用该模型模拟得到全研究区不同子流域的天然径流数据。利用该方法得到的主要控制站及无径流观测子流域的天然径流数据均具有较高准确性。该方法既可以充分利用有资料流域的详实观测数据,又可以解决无资料区对天然径流数据的需求,可以为水资源评价、水量分配等工作提供依据。     

滦河流域土地利用/覆被变化的水文响应

以滦河流域为研究区,利用1985和2000年土地利用数据,结合SWAT分布式水文模型定量评价了流域土地利用/覆被变化的水文效应,并分析了流域地表径流变化与主要景观类型的响应关系。结果表明:SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型可以较好地模拟滦河流域的月流量过程,在研究区具有较好的适用性;1985—2000年流域林地向草地和耕地的转变导致流域年均地表径流和总径流量分别增加了12.6%和5.1%;并使得流域年均地表径流变化空间差异显著,整体呈增加趋势,且主要受到林地变化的影响,而在三道河子以上集水区地表径流的变化则主要受到耕地景观的影响。合理规划土地利用格局,对于流域水资源可持续利用具有重要意义。     

基于CMIP5和VIC模型的长江上游主要水文过程变化趋势预测

基于长江上游流域82个气象站点的实测数据和国际耦合模式比较计划第5阶段(Coupled Model Intercomparison Project phase 5,CMIP5)的2种排放情景下的8个气候模式1961～2099年的降水、气温数据,通过等距离累积分布函数法(Equidistance Cumulative Distribution Function Method,EDCDFm)进行气候模式的统计降尺度。在此基础上,构建0.5°×0.5°网格空间分辨率的可变下渗容量水文模型(Variable Infiltration Capacity,VIC),对历史流量进行模拟,并进一步模拟分析长江上游流域2006～2099年径流量、蒸散发的时空演变趋势。结果表明:VIC水文模型能够较好地模拟研究区的水文过程,从长江上游流域未来时期(2006～2099)主要水文过程变化趋势的预测来看,径流量变化趋势不明显、蒸散发呈增加趋势。此研究对于合理规划配置长江流域水资源及为气候影响评价和决策系统提供科技支撑具有重要意义。     

A distributed hydrological–geotechnical model using satellite-derived rainfall estimates for shallow landslide prediction system at a catchment scale

This paper describes the potential applicability of a hydrological–geotechnical modeling system using satellite-based rainfall estimates for a shallow landslide prediction system. The physically based distributed model has been developed by integrating a grid-based distributed kinematic wave rainfall-runoff model with an infinite slope stability approach. The model was forced by the satellite-based near real-time half-hourly CMORPH global rainfall product prepared by NOAA-CPC. The method combines the following two model outputs necessary for identifying where and when shallow landslides may potentially occur in the catchment: (1) the time-invariant spatial distribution of areas susceptible to slope instability map, for which the river catchment is divided into stability classes according to the critical relative soil saturation; this output is designed to portray the effect of quasi-static land surface variables and soil strength properties on slope instability and (2) a produced map linked with spatiotemporally varying hydrologic properties to provide a time-varying estimate of susceptibility to slope movement in response to rainfall. The proposed hydrological model predicts the dynamic of soil saturation in each grid element. The stored water in each grid element is then used for updating the relative soil saturation and analyzing the slope stability. A grid of slope is defined to be unstable when the relative soil saturation becomes higher than the critical level and is the basis for issuing a shallow landslide warning. The method was applied to past landslides in the upper Citarum River catchment (2,310 km²), Indonesia; the resulting time-invariant landslide susceptibility map shows good agreement with the spatial patterns of documented historical landslides (1985–2008). Application of the model to two recent shallow landslides shows that the model can successfully predict the effect of rainfall movement and intensity on the spatiotemporal dynamic of hydrological variables that trigger shallow landslides. Several hours before the landslides, the model predicted unstable conditions in some grids over and near the grids at which the actual shallow landslides occurred. Overall, the results demonstrate the potential applicability of the modeling system for shallow landslide disaster predictions and warnings.     

Utilizing the MODIS-derived leaf area index to investigate the impact of vegetation processes on hydrological simulation of macroscale catchment

Integration of vegetation processes in rain–runoff (RR) models significantly affects runoff response by influencing evapotranspiration in mesoscale catchments. However, it is impossible to interpret the impacts of vegetation processes on runoff simulations in macroscale catchments using results from mesoscale catchments. Few studies involved vegetation process impacts on hydrological simulations by integrating daily vegetation information into conceptual RR models of macroscale catchments. In this study, we integrated the remotely sensed leaf area index (LAI) from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) into a daily Distributed Time-Variant Gain Model (DTVGM). Then, this study assessed the performances of two DTVGM versions, with and without vegetation processes, in the Wei River catchment, China. The results showed that: (1) Integration of MODIS-LAI into the DTVGM model improved the calibration and runoff simulation results of the initial DTVGM model. (2) Inclusion of vegetation processes in the DTVGM changed the simulated proportions of water balance components in the hydrological model and made the simulation of water balance components more accurate. (3) The fact that inclusion of vegetation processes could improve the hydrological simulation performance of the daily conceptual RR model in the macroscale catchment was consistent with studies in mesoscale catchment.     

黄河小花区间暴雨径流过程分布式模拟

提出了一种松散偶合型结构的分布式水文模型,模型以小时为时段,主要用于洪水模拟。模型构建在DEM的基础上,由数字流域、单元网格模型、河网汇流模型、水库调蓄模型和图形用户界面(GUI)等5部分构成。通过GUI可以实现模型的输入、参数选择和运行输出。模型适用于人类活动较少的、半湿润和半干旱地区,在黄河小浪底-花园口区间洛河卢氏以上流域得到应用。     

典型喀斯特地貌类型区小流域划分——以贵州省金沙县为例

我国水土保持和石漠化防治是以小流域为单元来开展工作的,而在喀斯特地区进行小流域划分的研究还比较少。以1∶5万地形图作为工作底图,进行数字化采集并结合空间插值的方法生成贵州省金沙县DEM数据,并以GIS的水文分析模块为基础,经过自动提取微流域,微流域归并,流域边界验证等过程,最终提取金沙县小流域338个。从提取的结果来看,小流域的面积集中分布在3~10 km2范围内,占小流域总数的79.29%;在完整型、区间型和坡面型三种小流域类型中,研究区小流域类型以完整型小流域为主;绝大部分流域的分界线能够达到要求,在峰林、峰丛、洼地分布的地方会出现分界线偏离山顶点或者鞍部,这些地方水系网络复杂,自动提取的小流域与实际不相符合,需要进行手动修改。