水文模型参数敏感性分析—优化—区域化方法研究进展

水文模型是认识水文科学规律、分析水文过程及研究水文循环机理的重要科学工具。水文模型模拟结果的不确定分析是提高模型可靠性、进行有效水情预报的一个重要研究内容。参数不确定性是影响水文模型模拟结果不确定性的关键因素之一,开展模型参数不确定性及其影响因素分析对水文预报具有重要现实意义。目前的参数不确定性分析方法大致可分为3类：参数敏感性分析、参数优化以及考虑无资料流域参数值估计的参数区域化方法。论文归纳总结了近年来国内外水文模型参数不确定性分析工作的主要研究进展,分析了不同方法的优点与不足,提出了未来水文模型不确定性分析方法研究的潜在发展方向。借助多学科理论和技术方法,加强水文模型不确定性分析系统性方法的研究,是水文学科当前的迫切需求及发展趋势。     

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。     

陆面水文—气候耦合模拟研究进展

陆面水文过程是全球/区域气候模式十分重要而又十分薄弱的环节。本文通过科学文献计量法,分析了陆面水文—气候耦合研究的发展状况及研究热点和趋势,并进一步对研究中存在的问题和挑战进行综述和探讨。现有多数气候模式中的陆面模式主要基于一维垂向结构设计,缺乏对流域尺度水文过程的精细描述,尤其缺乏下垫面人类活动影响的描述。因此,为了科学认识水文过程与气候变化的相互反馈作用机制,大量研究主要通过耦合流域水文模型与气候模式,研究不同时空尺度下水文过程变化的气候反馈效应。陆面过程模式中水文过程的改进和大尺度水文模型发展为陆面水文—气候耦合模拟奠定基础,在此基础上,陆面水文—气候耦合研究正从传统的单向耦合研究逐步发展为考虑气候—水文反馈的双向耦合研究。然而,双向耦合研究远未成熟,其问题集中表现为陆面水文—气候模型耦合过程如何匹配并提高系统稳定性、研制有效的尺度转换方案、完善参数化方案并评估参数不确定性、研制有效参数移植方法并提高模型适用性以及高分辨率甚至超分辨率模拟等方面,逐步解决上述问题并提高模拟精度是未来水文—气候耦合模拟研究的重要发展方向。     

流域生态水文过程与功能研究进展

 探讨流域生态系统与水文过程耦合关系及水文机理是当今水科学的前沿问题。通过阐述流域生态水文过程与生态水文功能的国内外研究进展,同位素技术在生态水文研究方面的应用进展。提出了应用同位素技术、水化学方法与景观格局分析法相结合来研究流域不同景观带水文过程及生态水文功能,来探讨不同生态系统与水文过程的耦合关系及水文机理,开展流域地下水-土壤-植被作用层水文过程研究。最后展望了今后的研究趋势和重点研究工作,指出了未来的发展方向。     

稳定同位素在湿地水文研究中的应用现状与前景

湿地水文过程对湿地形成、发育和演化起到了至关重要的作用,也是湿地保护和修复的关键。稳定同位素技术是湿地水文研究的有效工具,探讨了稳定同位素技术在湿地水资源性质与来源识别以及湿地水文循环研究等方面的应用,指出了当前应用中存在的问题,如缺乏湿地水文过程的系统性机理研究等,展望了稳定同位素在湿地水文中取样方法上的创新改进与人类干扰对湿地水文过程影响研究的应用前景。     

小波分析方法在水文学研究中的应用现状及展望

本文首先介绍了小波分析的基本方法,主要包括小波函数、小波变换和小波消噪等。然后从6个方面,即基于连续小波变换的水文序列多时间尺度变化特性分析、基于离散小波变换的水文序列分解和重构、水文过程复杂性定量描述、水文序列小波消噪、水文序列小波互相关分析和基于小波方法的水文序列模拟预报技术,综述了小波分析方法在水文学各领域的研究应用现状和主要不足,以及存在的关键和难点问题。最后,对小波分析方法在今后的水文学研究中的应用进行了展望,并就小波函数选择、小波阈值消噪、小波分解、小波互相关分析、水文序列小波预报等具体问题提出了建议。     

水文时间序列分析方法研究进展

水文时间序列不仅组成复杂,而且特性也复杂多变。目前认为水文时间序列主要表现出随机性、模糊性、非线性、非平稳性和多时间尺度变化等复杂特性。本文首先简要介绍了用于揭示水文过程复杂变化特性的时间序列分析方法的相关进展,包括序列相关性分析方法、水文频率分析方法、模糊分析方法、混沌理论分析方法、信息熵分析方法和小波分析方法等6种。然后,对各种分析方法存在的主要问题和有待解决的问题进行讨论,指出了各种方法应用于水文时间序列分析时存在的主要缺陷和不足。最后指出,不断改进和完善时间序列分析方法,探讨各种方法的联合和耦合,加强物理成因分析和数理统计分析相结合,是提高水文时间序列分析结果精度和可靠性的有效手段,也是研究和解决环境变化影响下水文水资源问题的有效途径。     

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。     

流域生态水文模型研究进展

流域生态水文模型是全球变化下流域生态水文响应研究的重要工具,通过定量刻画植被与水文过程的相互作用及全球变化对流域生态水文过程演变的影响机制,为流域水资源管理和生态恢复提供科学支撑,是生态水文研究的前沿和热点.基于植被与水文过程相互作用规律,流域生态水文模型一方面要充分描述植被与水文过程相互作用和互为反馈机制,另一方面要...     

关于比较水文学的研究

比较水文学是水文研究中的新课题。作者根据国际水文计划(IHP)组织的研究活动介绍了这一课题最新动向;探讨了比较水文的概念,目的与研究方法;提出在我国开展这一研究的有利条件。认为及早起步开展工作,可望走在世界前列;最后建议从水文类型系统、水文过程、水文实验方面打好基础,建立比较水文信息系统,发展水文成因模型,制定应用方案。     

大尺度水循环模拟系统不确定性研究进展

水循环过程受众多自然因素和人为因素影响,决定了水循环系统的变化性和复杂性。水循环系统模型作为研究流域水文循环过程及演变规律的重要工具,必然也存在较大的不确定性,特别是对于大尺度陆-气耦合下的水循环模拟系统,其不确定性来源包括输入和参数不确定性、结构不确定性、方法不确定性以及初始和边界条件不确定性。本文在分析不确定性量化方法和传统水文模型不确定性研究基础上,重点评述当前大尺度水循环系统模拟的不确定性研究进展和存在的瓶颈问题,并介绍一种针对大型复杂动力系统的不确定性量化解决方案和工具系统-PSUADE,基于此讨论PSUADE在大尺度水循环模拟系统不确定性量化过程中的优势。     

大尺度水循环模拟系统不确定性研究进展(英文)

The regional hydrological system is extremely complex because it is affected not only by physical factors but also by human dimensions.And the hydrological models play a very important role in simulating the complex system.However,there have not been effective methods for the model reliability and uncertainty analysis due to its complexity and difficulty.The uncertainties in hydrological modeling come from four important aspects:uncertainties in input data and parameters,uncertainties in model structure,uncertainties in analysis method and the initial and boundary conditions.This paper systematically reviewed the recent advances in the study of the uncertainty analysis approaches in the large-scale complex hydrological model on the basis of uncertainty sources.Also,the shortcomings and insufficiencies in the uncertainty analysis for complex hydrological models are pointed out.And then a new uncertainty quantification platform PSUADE and its uncertainty quantification methods were introduced,which will be a powerful tool and platform for uncertainty analysis of large-scale complex hydrological models.Finally,some future perspectives on uncertainty quantification are put forward.     

暴雨山洪灾害预警方法研究进展

暴雨山洪灾害预警是中小流域山洪灾害防控体系的薄弱环节,也是决定山洪灾害防控成败的关键。论文围绕山洪灾害预警的核心问题,从中国山洪灾害区域差异特征、山洪灾害预警技术方法、山洪灾害概率预警现状3个方面进行了综述。中国山洪灾害分布存在明显的时空差异,因此有必要根据山洪灾害的区域差异发展有针对性的预警方法。以临界雨量为指标的雨量预警是目前中国中小流域暴雨山洪灾害预警的主要技术手段,但常规方法仅给出一个(组)确定的临界雨量阈值,导致预警结果存在突出的不确定性问题。概率预警可以定量评估诸多不确定性,给出山洪灾害概率预警结果,因此具备很好的理论优势与潜在应用价值。论文展望了山洪灾害概率预警未来的研究重点与方向：(1)充分挖掘暴雨洪水样本信息,开展山洪灾害概率预警基础方法与技术集成研究;(2)加强非平稳性条件下的临界雨量阈值估算与山洪灾害概率预警研究;(3)综合考虑预警阈值发生概率及其致灾概率,优化“多级预警、多级响应”技术方法,推进山洪灾害综合预警业务系统建设与应用。     

水文水资源系统对气候变化的响应

分别从水文系统的降水、蒸发、径流和土壤水分及水资源系统供水、需水和水资源管理等方面综述了区域水文水资源对气候变化的响应,提出了作者的看法。自从工业革命以来,由于人类改造自然界的能力日益增强,使大气中CO₂及其它温室气体的浓度大幅度上升,导致温室效应,使全球气候变暖,对天气系统、生态系统及水文水资源系统等带来重大的影响。     

岩溶地区人类活动的水文效应研究现状及展望

在全球气候变化背景下,加之岩溶生态系统的脆弱性及敏感性,地表水与地下水交换迅速,岩溶水动力系统对人类活动及其造成的生态环境变化反馈敏感。岩溶地区人类活动导致的植被退化、石漠化等环境问题已对岩溶地区的水文水循环过程造成了严重影响,水资源问题已成为岩溶地区发展的重要限制因素。本文在对岩溶生态系统及水文环境特性分析的基础上,从土地利用变化的水文效应,人类活动对降水—径流的影响、岩溶水资源的开发利用、岩溶地下水污染及水文模型在岩溶地区的应用等方面,概述了岩溶地区人类活动水文效应的相关研究现状与不足,总结了未来岩溶地区人类活动水文效应的5个研究趋势,并探讨了研究中的重点及难点问题。     

水文循环模拟中蒸散发估算方法综述(英文)

Actual evapotranspiration is a key process of hydrological cycle and a sole term that links land surface water balance and land surface energy balance.Evapotranspiration plays a key role in simulating hydrological effect of climate change,and a review of evapotranspiration estimation methods in hydrological models is of vital importance.This paper firstly summarizes the evapotranspiration estimation methods applied in hydrological models and then classifies them into the integrated converting methods and the classification gathering methods by their mechanism.Integrated converting methods are usually used in hydrological models and two differences exist among them:one is in the potential evaporation estimation methods,while the other in the function for defining relationship between potential evaporation and actual evapotranspiration.Due to the higher information requirements of the Penman-Monteith method and the existing data uncertainty,simplified empirical methods for calculating potential and actual evapotranspiration are widely used in hydrological models.Different evapotranspiration calculation methods are used depending on the complexity of the hydrological model,and importance and difficulty in the selection of the most suitable evapotranspiration methods is discussed.Finally,this paper points out the prospective development trends of the evapotranspiration estimating methods in hydrological modeling.     

流域水环境过程综合模拟研究进展

以流域为单元开展水环境多要素、多尺度过程的综合模拟已成为了自然地理学重要研究方向。水环境过程综合模拟模型可定量解析流域系统水环境变化,是流域水环境研究与管理的重要工具。论文围绕流域水环境过程模拟的发展历程和最新进展,梳理总结了流域非点源污染过程和河湖等受纳水体水环境过程模拟的理论方法和模型软件;面向模拟不确定性问题讨论了模型选择、开发与集成、率定验证等流域水环境过程综合模拟建模的关键环节;结合最新的研究进展及相关学科新方法新技术的发展,建议后续研究关注流域自然和人文多过程综合集成模拟(包括流域系统人与水环境耦合模拟、多过程综合集成模拟)以及新方法新技术应用(包括数据同化理论方法创新与应用、高性能计算技术和人工智能技术)。     

水文循环模拟中蒸散发估算方法综述

为选取基于水文循环估算蒸散发方法提供依据, 首先对常用水文模型中蒸散发估算方法进行回顾, 根据其物理机理的强弱性, 将水文模型中蒸散估算方法分为整体折算法和分类汇总法。当前水文模型中整体折算法占较大比重, 它们之间的差异有两点:一是潜在蒸散发估算方法不同;二是土壤干燥度折算函数不同;研究表明:由于水文模型存在不确定性及Penman-Monteith 方法具有较高资料要求, 致使模拟中使用该方法与使用其它简化经验公式相似或更差的水文循环模拟效果。所以对于不同水文模型, 如何选取与之复杂程度相兼容的潜在蒸散发估算方程和土壤干燥度折算函数来降低模型的不确定性需进一步讨论。在此基础上, 预估基于水文循环估算蒸散发方法朝着复杂机理化和简单实用化两个方向发展。     

新安江模型参数的不确定性分析

水文模型的不确定性研究是水文科学研究的重要课题。模型参数的不确定性分析是水文模型不确定性研究的重要内容之一。本文采用GLUE方法分析新安江模型参数的不确定性,结论基于对不同水文特征流域的长时间径流模拟,研究发现大量"等效性"参数组存在。据此将参数总结为三类:第一类为非敏感参数,如上层张力水容量UM等。它们对似然判据,及确定性系数(R²)影响小。第二类为敏感性参数,如河网蓄水消退系数CS等,其特点是对R²的影响大。第三类为区域性敏感参数,如张力水蓄水容量曲线的方次B等,它们对R²的影响力跟流域特征密切相关。这些结论有助于理解新安江模型参数,为今后流域水文模拟提供参考。文中还展望了未来水文模型不确定性研究的发展方向。