基于分布式模拟的流域水平衡分析研究——-以海河流域为例

流域水平衡分析是进行水资源科学评价与合理配置的基础,传统的流域水平衡分析大多是基于有限的站 点观测资料和简单的集总式模型,很难适应考虑水循环空间变异性的复杂大流域水资源综合管理的需求。本文基 于分布式水文模拟技术,探讨了一种能够考虑流域内部上、下游关系的水平衡分析方法。并以海河流域为例,构建 分布式SWAT 模型,对海河流域及水资源三级分区的水平衡状况进行分析,在此基础上探讨海河流域维持健康水 平衡关系,降低流域蒸发,进行农业真实节水的必要性和有关对策。     

海河流域水资源短缺风险研究

本文对海河流域水平衡和水资源短缺风险进行评价。文章采用研究时段为1994-2007年,作者首先研究了海河流域的水量平衡问题,并提出了流域非用水消耗量的概念和计算方法,经过分析,计算得出海河流域多年平均非用水消耗量为5.91×109m3。通过建立水资源短缺风险的评价方法,得出海河流域1994-2007年处于缺水量较多、缺水风险较高的时期,计算出缺水风险率、恢复性指标、稳定性指标和脆弱性指标分别为0.786、0、0.154和0.173。在考虑社会系统应对措施的条件下,水资源短缺风险将会显著下降。考虑南水北调工程对于该地区的影响,分别考虑在50%和75%两种来水水平年下,如果南水北调工程一期（2014年）的来水量为5×109m3,未来该地区的水资源短缺风险会从0.229-0.297下降到0.152-0.234。     

海河流域分布式SWAT模型的构建

本文基于SWAT(Soil and Water Assessment Tool)构建海河流域分布式水文模型。针对海河流域的特点,对 平原区河网和入海口进行合理概化,对土壤类型和土地利用方式进行重分类处理。应用1995~2002 年水文气象系 列资料和下垫面空间分布信息,对模型的参数进行优化和灵敏度分析,最后选取多个站点对模拟结果进行检验与 分析。研究成果为SWAT 模型在国内复杂大流域的应用提供了范例,也为海河流域变化环境下的水资源与水环境 综合管理提供重要的水文学基础支撑。     

基于水循环模拟的流域湿地水资源合理配置初探

水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源。维持流域水资源可持续利用和湿地健康,实现流域内"人-水-湿地"和谐是新时期流域水资源管理的目标。在流域水资源供需不平衡和湿地生态系统退化的背景下,提出了基于水循环模拟的流域湿地水资源合理配置的概念,并进行了全面阐述;剖析了流域湿地水资源合理配置的理论基础,着重探讨了流域湿地水资源合理配置的技术方法和研究内容,提出流域湿地水资源合理配置,以流域湿地水文模型为重要的技术手段,以流域整体可持续发展为总原则,重点考虑湿地生态需水变化过程,将湿地作为优先用水单元,其优先级仅次于生活用水,通过生态配水确保湿地生态需水量的研究思路,初步构建了基于水循环模拟的流域湿地水资源合理配置研究框架;对有关流域湿地水资源合理配置的未来重点研究领域进行了展望。     

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。     

流域尺度土壤水研究进展

占全球粮食产量60%的旱作农业完全依赖土壤水,我国土壤水通量占降水总量的67.2%,传统水资源管理经常忽略土壤水。自李沃维奇首次使用“土壤水资源”的术语和Falkenmark提出“绿水”概念以来,土壤水的重要作用逐渐受到重视。本文介绍了土壤水研究理念和方法的演进,综述了土壤水尺度转换方法,讨论了流域尺度土壤水研究进展;指出目前国内在流域尺度的土壤水研究还局限于小流域尺度评价土壤水分时空分异和建立简单的预测模型,有必要发展较大的流域尺度的基于遥感和GIS的分布式水文模型;流域尺度土壤水评价和预测是流域水平衡和水循环的重要组成部分,也是流域水资源综合管理的主要内容。     

海河流域地表水与地下水耦合模拟

近10年来海河流域地下水超采严重,急需加强流域地表水与地下水统一管理。地表水与地下水的耦合模拟研究是实现流域地表与地下水资源综合管理的重要支撑。本文探讨了当前3种不同的地表水与地下水耦合方式,基于现有数据条件和应用管理的需求,提出了将成熟的流域地表水SWAT与地下水MODFLOW模型进行松散耦合的技术框架,并构建了海河流域地表水与地下水耦合模型。在流域地表空间上,根据流域特性和管理需求,划分了283个子流域和2100个水文响应单元（HRU）;在平原区地下空间上,基于15个大的岩性分区剖分出若干个4km×4km网格。通过GIS平台,建立流域地表水与地下水计算单元的转换关系。并利用1995．2004年水文气象数据进行验证分析,取得较好模拟精度。该耦合模型不仅能够支撑流域现状管理,而且可用于气候变化与南水北调工程对流域水资源影响评估分析。     

海河流域水资源安全评价

利用已建立的评价指标体系,对海河流域水资源安全现状进行评价。在海河流域的当地水资源量按372×108m3计算、引黄水量为60×108m3的条件下,海河流域的水资源保障是不安全的。但这种不安全属于气候干旱周期的不安全,如果气候转为类似1950～1970时期的湿润期,海河流域从水量来说就是安全的。海河流域的水资源不安全更突出的是水质不安全,所以加强水污染防治工作是提高海河流域水资源安全程度的首要选择。     

东亚夏季风年代际变化及其对海河流域水文要素的影响（英文）

基于VIC水文模型输出的水文要素数据,采用小波分析法及Mann–Kendall非参数检验,分析了东亚夏季风及海河流域各水文要素的周期性变化情况以及两者之间的潜在关系。结果表明:东亚夏季风和海河流域各水文要素在40年周期尺度上具有一致性;此外,近60年来各水文要素均呈下降趋势,其中环太行山–燕山山脉山前区域趋势最明显,并且均与东亚夏季风关系密切,1970年以来东亚夏季风的持续减弱导致流域内持续干旱及水资源短缺。研究还发现东亚夏季风具有显著80年周期变化,并且可能在2040 s为海河流域带来大量降水。因此,对东亚夏季风的研究可以为预测海河流域水资源变化及管理提供重要的科学参考。     

LASCAM水文模型在流域生态水文过程研究中的应用——模型理论基础

LASCAM水文模型是一种大尺度分布式概念水文模型,介于高精度分布式水文模型和集总式经验模型之间,是基于亚流域空间单元建立的中等精度的分布式概念模型。LASCAM模型在亚流域空间单元定义了3个概念性土壤水库,在经验方程的基础上:①建立亚流域各土壤水库与亚流域生态特征(LAI)和气候(降雨)之间函数关系;②通过对亚流域的降雨-植冠截流过程、地表产流过程、表层入渗-亚表层产流过程、亚表层入渗过程的模拟,揭示降雨在亚流域的(地表和亚表层)径流和入渗等环节的再分配过程;③基于亚流域各土壤水库的水量(水位)建立了各土壤水库之间的水通量过程方程;④建立亚流域各库的蒸散发与生态特征(LAI)之间的函数关系模拟各库的蒸散发过程。最后,通过河道径流演算法则,并依据亚流域与流域总体之间的分布式关系,将各亚流域的径流汇总到整个流域,从而将亚流域空间的水文响应扩展到流域整体空间上,实现了大尺度异质性流域的水文过程和水量平衡模拟。     

基于加权破产博弈模型的跨境流域水资源分配研究

基于公平合理利用视角,将多准则决策模型与破产理论相结合探讨跨境水资源分配问题。通过梳理国际水法,设计了跨境流域水资源公平合理分配的指标体系,采用投影法解决这一多准则决策问题,并依此加权调整流域国用水需求。在加权调整用水需求和考虑议价能力的基础上,基于破产博弈模型探讨跨境流域水资源分配问题,以提高分配方案的公平合理性和可接受性。最后以澜沧江-湄公河流域的水资源分配为例进行研究,得到了澜沧江-湄公河旱季的水资源分配方案,并分析了需求加权调整系数对各流域国水资源分配的影响,进一步验证了分配模型的可靠性。     

近50 a来黑河流域水资源问题与流域集成管理

 基于黑河流域器测水文等资料,分析了近50 a来黑河流域水资源形成区——上游山区水资源变化的历史背景和趋势、平原绿洲-荒漠耗水区3个循环带水资源时空变化及区域耗水特征,以及水资源管理政策变化下的流域中下游水环境问题和社会经济系统水循环过程中的水问题,探讨了解决内陆河流域水问题的水资源集成管理和区域可持续发展对策。     

复杂流域水资源变化模拟的自适应系统识别单元模型

针对复杂流域水资源变化模拟这一难点问题,基于单元模型思想,依据水量平衡原理,采用水文系统识别方法,提出了自适应系统识别单元模型(ASIU),并在塔里木河流域进行应用检验。该模型方法集单元模型方法、水量平衡模型方法、水文系统识别方法之优点,能实时“自适应”模拟复杂流域水资源系统变化。通过应用实例分析,可以看出该模型方法具有显著的“自适应”、“适用于复杂流域”的优点,可为复杂流域水量调度和水资源管理提供基础模型和数据,具有重要的理论及应用意义。     

基于河链结构和LUCC的分布式流域水文模型及径流响应

为了定量评估土地利用/覆被变化的水文水资源效应,并考虑流域水文效应的空间差异,提出考虑土地利用/覆被变化的分布式流域水文模型。该模型基于Shreve河链概念对流域河网进行单元划分,基于中国科学院土地资源分类系统的一级类型,将流域划分为6种不同土地利用及覆被变化类型;在每一类土地利用及覆被变化面积上,分别考虑蒸发和下渗的差异,并利用蓄满-超渗耦合产流模型计算该面积上的地表径流量和地面以下径流量;利用地貌汇流模型和线性水库模型将每类面积上的地表径流量和地面以下径流量演算至流域出口断面,从而得到流域的水文过程。模型参数包括流域地貌特征参数、产流参数和汇流参数,前者可以根据地理信息系统技术和遥感技术获得,而后者则需要根据流域的水文资料通过最优化方法求得。利用大理河流域1981—1990年的逐日降雨、蒸发及流量资料对该模型进行了参数率定和检验,率定期1981—1987年的水量平衡系数为0.993,年径流深合格率为100.0%;检验期1988—1990年的水量平衡系数为1.230,径流深合格率为66.667%,计算结果表明该模型在大理河流域具有良好的适应性。并以2000年大理河流域的土地利用/覆被状况为基准,计算得到流域的基准径流深为30.36 mm,并对大理河流域未来土地利用情况进行情景分析,为充分发挥小流域(或单元)水土保持措施带来的各种效益提供参考依据。     

岩溶流域水文模型研究进展

岩溶地区含水介质结构的多重性和岩溶地貌形态的高度复杂性,使岩溶系统的水文效应和水资源的评价与预测一直都成为水文研究的重点和难点.在岩溶含水介质特点和岩溶水文形成过程的基础上,本文着重评述了黑箱模型、概念性模型、物理性模型和分布式水文模型在岩溶水文模拟中的应用.其中黑箱模型包括基于核函数的算法、回归模型、人工神经网络和小波分析;概念性模型包括蓄泄模型和流量过程线衰减函数;物理性模型主要包括达西定律、Darcy-Weisbach方程、有限元法和等效连续多孔介质;分布式水文模型主要是SWMM模型,并分别对各类模型的概念、方法、应用效果以及存在的优缺点等进行了分析.最后指出了研究中存在的一些不足,并就岩溶流域水文模拟的进一步研究提出了相应的建议,这对于解决岩溶区的水资源可持续利用问题有重要意义.     

海河流域地下水生态水位研究

海河流域是我国水资源严重短缺的地区之一,由于长期不合理地开采地下水,引发了一系列生态环境问题,如地面沉降、地下水漏斗扩大、水质恶化、海水入侵等。恢复海河流域的生态环境对于区域的可持续发展意义重大,文章根据海河流域地貌单元将海河流域划分为3种类型:山前倾斜平原、中部平原和滨海平原,并确定了不同类型区地下水的生态水位。最后提出了恢复海河流域地下水生态水位的措施。     

分布式时变增益流域水循环模拟

针对分布式水文模拟的问题,结合河西走廊黑河流域实际资料条件,提出将水文循环空间数字化信息与水文系统理论相结合的分布式时变增益水循环模型 (DTVGM)。DTVGM将单元时变增益水文非线性模型(TVGM)拓广到由DEM划分的流域单元网格上建立非线性地表水产流模型,基于水量平衡方程和蓄泄方程建立土壤水产流模型,并应用运动波方法建立分级网格汇流模型。最后,以黑河干流山区流域为例应用DTVGM开展了实例研究,设计开发了模型系统。研究区域被划分为38 277个网格单元 (网格大小为500 m×500 m),在此基础上将流域划分为456级带状汇流区域。考虑到黑河干流山区的寒区特点,模型耦合了融雪径流模型。模拟结果表明,DTVGM既有分布式水文概念性模拟的特征,同时具有水文系统分析适应能力强的优点,能够在水文资料信息不完全或者有不确定性干扰条件获得比较好的分布式水文模拟效率,在黑河干流山区的应用能够较好地满足水资源管理的要求。     

基于水利益共享的跨境流域水资源多目标分配研究——以澜沧江-湄公河为例

以水利益共享代替分水的理念有利于充分发挥水资源效益和减少区域矛盾冲突,但由于缺乏具体可实施的分配模式一直停留在设想阶段。基于水利益共享理念,建立跨境流域水资源多目标分配指标体系,并结合澜沧江-湄公河流域跨境水资源利用现状及需求,提出澜沧江-湄公河流域跨境水资源多目标分配模型。为基于水利益共享的跨境水资源多目标分配提供了具有充分可操作性的指标体系和分配模型,有助于推进跨境流域水利益共享的实施,实现区域双边或多边在水资源利用上的共赢和发展目标。     

海河流域水资源管理分区研究

流域水资源管理分区对制定流域水资源管理政策具有重要意义。作者根据环境、粮食、水资源和社会经济4大类30个指标,利用聚类分析方法和地理信息系统等工具,分析其聚类过程,把海河流域分为太行、燕山山区、山前洪、冲积扇区、京津唐地区、山前平原区、中东部平原区和淀东清南天津区 (天津市区) 和徒骇马颊河平原区7个区,分区结果符合流域水资源管理的要求。各区各具特点,应制定不同的水资源管理政策。     

柘林水库流域降水遥感反演研究

基于卫星遥感数据进行云层划分,并根据不同云层和地面站观测雨量间的回归关系,利用线性回归法反演流域降水数据.以GMS卫星影像为信息源,以实测站点数据为基础,对2000年、2004年柘林水库流域降水进行了遥感反演.基于R~2法的反演结果可信度分别达到0.9855、0.9904,其反演精度较高,可为分布式水文模型等提供输入参数.