基于E-FAST的流溪河模型参数敏感性分析

基于E-FAST全局定量敏感性分析方法的思想,提出一个针对分布式物理水文模型——流溪河模型的参数敏感性分析方法,包括参数简化及取值范围确定、参数采样及采样次数的确定、敏感性评价指标的选取、参数敏感度计算4个部分.针对我国4个不同规模的流域(黄龙带水库流域、流溪河水库流域、长湖水库流域和新安江水库流域)开展了分布式物理水文模型参数敏感性分析,并采用4种不同的评价函数进行了对比计算.结果表明,流溪河模型饱和含水率和田间持水率是高度敏感参数,饱和水力传导率、土壤层厚度、土壤特性系数、边坡和河道糙率为敏感参数,其他参数为不敏感参数.     

SWAT模型在伊犁河上游缺资料区的应用

 在分布式水文模型中,探索产生分布式降水数据的方法是该领域研究的热点之一,发展基于水文物理过程的模型校准方法是实践PUB的热点与难点。基于SWAT分布式水文模型,以资料稀缺的伊犁河上游为研究区域,针对流域的水资源评价关键问题,首先准确描述区域的降水空间分布特征,并基于流域水文过程采用综合流域特征、多时间尺度、多变量和多站点的适宜性模型校准新方法,取得了满意的模拟结果,表明模型较好地再现了流域的水文过程。另外,完善水文机理研究,提高降水及下垫面相关参数的观测水平是改善模型模拟的有效途径。     

流域径流离散处理和提取算法研究

通过对流域进行离散处理,从集合论角度出发,将流域看成点的集合,对流域进行离散化处理,在其上对流域源点、交汇点、出口点、单径流及复合径流各流域要素进行约束和定义,提出并实现了算法。该算法基于流域水文模拟方法,较好地解决了流域出口点和环流判别问题,使追踪出的径流更符合实际,具有简单、高效、实用的特点。根据算法设计开发了软件系统,并且应用到黄土丘陵沟壑区小流域分布式水文和侵蚀预报模型中,取得了较好的模拟效果。     

流域土地利用/覆被变化水文效应研究的方法评述

将流域土地利用/覆被变化(LUCC)水文效应研究的主要方法归结为3类:流域对比试验法、水文特征参数法和流域水文模型模拟法.流域对比试验法适用于较小流域,试验结果比较容易获得,但不易找到主要影响因子,对比性差,研究周期长;水文特征参数法是一种简洁的分析LUCC水文效应的方法,资料丰富更有助于提高其应用价值,但该法只能判断流域内的水文响应是否发生了变化,无法解释水文变化的机理;水文模型模拟法的种类较多,其中基于物理机制的分布式水文模型更适于研究人类活动造成的水文效应,其参数物理意义明确,且充分考虑了空间异质性,在模拟LUCC的水文效应方面,该方法具有较为明显的优势,特别是在计算机技术、3S技术日趋成熟及数据库建设不断完善的条件下,其优势更明显.针对现阶段国外比较常用的10种流域水文模型,分析了它们的结构及特点,旨在对流域LUCC的水文效应研究提供基础.     

SWIM水文模型的DEM尺度效应

数字高程模型(DEM)极大地促进了分布式流域水文模型的快速发展。本文引入SWIM水文模型,以淮河上游长台关地区为研究区,将15种不同分辨率DEM数据输入水文模型,分析DEM分辨率对径流模拟的影响,并探讨最佳DEM分辨率选取及DEM分辨率对流域地形参数与径流模拟影响等问题。研究表明:(1)研究区水文模拟效果较理想DEM分辨率在90～120m之间,采用栅格面积与流域面积比值(G/A)小于0.05和"thousandmillion"经验公式作为DEM选取参考等均适用;(2)DEM分辨率下降,水文模拟纳希效率系数呈波动下降,分辨率超过250m后,虽纳希效率系数有所提高,但此时DEM已不能刻画真实流域特征从而造成假象;(3)15种分辨率DEM在水文极端事件模拟上差异较大,高纳希效率系数时不能较好地反映水文极端事件,尤其是峰值,而在枯水期15种DEM水文模拟效果均较好,DEM分辨率降低导致水文模型对降水等反应敏感。     

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。     

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.     

分布式流域水文模型水量过程模拟——以黄河河源区为例

文章分析了分布式水文模型、遥感和地理信息系统技术在流域径流模拟过程中的结合点,采用数字网格技术,以流域水量变化对地表土地覆被和气候变化响应过程为目的,讨论利用分布式水文模型研究下垫面和气候变化下流域水量响应过程的一般方法,并以黄河河源区为实例进行验证。     

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。     

基于栅格数据的流域降雨径流模型

本文在研究降雨时空分布不均匀与下垫面自然地理参数空间分布不均匀，对降雨径流过程影响的基础上，提出了一种在地理信息系统支持下的动态分布式降雨径流流域模型，实现了基于栅格的坡面产汇流与河道汇流的数值模拟，能够获得流域上任意模拟时刻任意栅格的径流量。模型视栅格为水文一致性单元，水文参数在栅格内一致，在相邻栅格间变化，采用Ｈｏｌｔａｎ模型计算下渗率，水量平衡方程和线性水库的马斯京根法进行栅格产汇流演算，模     

基于DEM的复杂地形流域特征提取

利用流域数字高程模型(DEM)构建数字水系模型并提取流域水系特征是分布式水文过程模拟的重要前提。提出了面向分布式水文过程模拟和流域特征提取的数字水系模型,并针对现有方法对复杂地形DEM中含有的平地、洼地及其嵌套情形的处理不足,提出了栅格水流分类、填洼分类与归并及有效填平处理、河谷平地的出流代价法构建栅格流向和流序等新的处理方法,并在开发的软件系统得到实现。使用该方法创建的黄土岭流域数字水系模型和提取的水系等流域特征结果表明:本文方法可有效应对复杂地形流域的处理,提取的流域水系特征与实际自然水系比较吻合,能够有效地消除现有方法在地形平坦区域容易产生的平行河道、奇异河道、河道变形等不足。     

基于数据同化技术的延河流域绿水模拟研究

分别利用分布式时变增益水文模型（DTVGM）和分布式耗水过程模型（DEPM）对延河流域延安水文站以上区域进行水文过程模拟,并应用拓展卡尔曼滤波(EKF)算法对2个模型的绿水(实际蒸散发)模拟结果进行同化处理,从而优化了研究区的绿水量并得出绿水的空间分布规律。结果表明：在整个模拟期,DTVGM的月尺度效率系数（NSCE）达到了0.83,水量平衡相对误差为-1.97%,模型能够较好地模拟研究区的水文过程;DEPM的水量平衡相对误差为-1.81%,能较好地模拟流域的水量平衡;DTVGM和DEPM模拟的流域2010年平均绿水量分别为378.52 mm和375.55 mm,空间分布格局相似。与站点观测值比较,DTVGM和DEPM模拟绿水的NSCE分别是0.76和0.59,DEPM的结果具有更多的空间变化信息。同化结果表明EKF算法能综合优化2个模型的模拟结果,同化后DTVGM模拟研究区的平均绿水量为376.34 mm,NSCE为0.78;同化后研究区绿水标准差为40.37 mm,比同化前增加了7.79 mm,绿水空间分布体现了更多的空间变化信息,同时,空间分布时格局也更加合理。     

基于地形特征的流域水文相似性

流域地形控制着地表径流的路径和累积水量的空间分布。地形指数ln(a/tanβ)反映了径流在流域中任一点的累积趋势以及重力使径流顺坡移动的趋势,流域地形可以用地形指数的空间分布来表示。地形指数可用作水文相似性指数,即具有相同地形指数的点对降雨具有相同的水文响应。TOPMODEL利用地形指数频率分布计算流域径流过程,可以认为:具有相同地形指数频率分布的流域具有水文相似性。分析认为长江流域上游的沿渡河流域与香溪河流域具有水文相似性,利用香溪河流域率定的模型参数计算的沿渡河流域径流过程,与实测过程拟合较好     

TOPMODEL中地形指数ln 的新算法

TOPMODEL中地形指数ln (α/tanβ)被用来近似表征流域径流源面积和地下水水位的空间分布特征,目前广泛使用的计算地形指数的方法为多流向算法 (FD8算法)。本文首先介绍了多流向算法的基本原理,并基于此对流动累积分配中的有效等高线长度精确计算提出了几何锥面内切圆算法,同时改进了传统的地形指数中单位等高线汇流面积α的计算方法,增强了多流向算法对DEM中异常栅格的处理能力。改进后的地形指数新算法在两个不同流域和不同分辨率DEM上与传统多流向算法进行了对比分析。结果表明新算法在原理上更符合地形指数物理意义,实际应用中其计算结果更准确。这种地形指数新算法的提出对于流域水文过程机理分析及陆面过程定量化研究具有一定的现实意义。     

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。     

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。     

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。     

华北石质山区坡地产流模型

坡地是流域的基本产流单元。对坡地产流模型的研究,可为研究流域的水文过程奠定基础。本文在认识坡地产流规律的基础上,经过对人工模拟降雨试验中取得的产流各个环节(降雨、出流及土壤含水量变化)的数据的分析,建立了一个具有物理机制的简单的坡面产流模型。其中,使用Horton模型模拟入渗和地表产流过程,用水箱模型模拟壤中流过程。模型能够同时对降雨过程中的地表、地下出流和土壤含水量变化过程进行模拟。计算得到的产流总量的误差较小,但在变化过程线上存在一些差异。这些差异主要是由模型对实际情况的简化和假定、数学模拟的局限性、变雨强降雨过程的复杂性等因素引起的。这种分层组合的坡面产流模型对华北石质山区的上层超渗、下层蓄满的产流特征是可行的。本文所做的工作是对华北石质山区分布式水文模型的产流模块的初步尝试。     

DEM流径算法的相似性分析

流径算法是分布式水文模型、土壤侵蚀模拟等研究中的关键技术环节,决定着汇水面积、地形指数等许多重要的地形、水文参数的计算。本文以黄土高原两个典型样区的不同分辨率DEM为研究对象,对常用的五种流径算法(D8、Rho8、Dinf、MFD和DEMON)通过相对差系数、累积频率图、XY散点分布图等进行了定量的对比分析。结果表明:算法的差异主要集中在坡面区域,汇流区域各类算法的差别较小;算法差异在不同DEM尺度下都有所体现,但高分辨率下的差异会更明显;在地形复杂区域,多流向算法要优于单流向算法。研究也进一步指出汇水面积、地形指数等水文参数对流径算法具有强烈的依赖性。     

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。