基于SUFI-2算法和SWAT模型的妫水河流域水文模拟及参数不确定性分析

敏感性分析和不确定性分析是分布式水文模型参数校准和模型应用的基础。本文以妫水河流域为例,基于SWAT模型和SUFI-2算法进行模型参数敏感性分析,结合手动调参和自动率定,通过SUFI-2的P因子和R因子进行模型不确定性分析,构建妫水河流域分布式水文模型。本次妫水河流域月尺度模拟中:率定期,确定系数R2=0.59,效率系数NSE=0.56;验证期,确定系数R2=0.82,效率系数NSE=0.80;P因子均大于0.5,R因子均小于0.5。结果表明,妫水河流域SWAT模型水文模拟效果较好。     

SWAT模型在海拉尔河流域径流模拟中的应用研究

以海拉尔河上游流域作为研究区域,基于Arc GIS构建SWAT分布式水文模型对流域水文过程进行模拟,通过对流域的基础数据整合,模型采用1999~2003年实测径流数据进行参数率定,将2004~2010年实测径流数据作为模型的验证期,对模型在海拉尔河上游的适用性进行研究。通过对月和年径流模拟值和实测值的比较,率定期和验证期的Nash系数Ens和相关系数R2分别在0.861~0.873和0.877~0.899之间。基于这两个评价标准可知:SWAT模型在海拉尔河上游流域有良好的适用性,可以为该流域的水资源管理提供依据。     

CMADS降水数据在温带东亚季风气候区水库控制流域适用性——以潮白河、东洋河流域为例

为探究中国气象同化驱动数据集（CMADS）降水数据在温带东亚季风气候区水库控制流域情景下水文模拟中的适用性,选择SWAT （soil and water assessment tool）模型为研究工具,分别以CMADS降水数据与年鉴实测降水数据为模型输入项,以水文站实测月径流资料对模型模拟结果进行参数率定及验证,对潮白河流域有水库、无水库控制情形下水文径流进行模拟,并对东洋河流域有水库控制情形下以CMADS降水数据作为模型输入项进行了水文径流模拟。结果表明：在潮白河流域无水库控制的支流潮河水系,CMADS降水数据和实测降水数据支撑下的模型在率定期R²（决定系数）分别为0.64、0.83,E_NS（纳什系数）分别为0.64、0.83,验证期模型R²分别为0.61、0.83,E_NS分别为0.58、0.60;在潮白河流域有水库控制的支流白河水系,CMADS降水数据和实测降水数据支撑下的模型在率定期R²分别为0.89、0.87,E_NS分别为0.87、0.86,验证期模型R²分别为0.61、0.67,E_NS分别为0.61、0.65;在东洋河有水库控制流域,CMADS降水数据支撑的模型率定期R²=0.84,E_NS=0.78,验证期R²=0.87,E_NS=0.85。说明CMADS降水数据在有水库、无水库控制流域情景下的水文模拟中均具有较好的适用性。因此CMADS降水数据可以用于温带东亚季风气候区水库控制流域水文模型的建立。     

基于SWAT模型的径流还原方法研究—以大汶河流域为例

在现有下垫面条件下还原天然径流是水资源配置的重要基础性工作。利用SWAT分布式水文模型进行径流还原计算。以大汶河流域为例,选取流域内受人类活动影响较小、能大致反映流域天然径流情况的雪野水库、黄前水库以及东周水库所控制的3个子流域,采用SUFI-2方法进行模型参数率定、验证和不确定性分析;根据就近性与相似性原则,进行全流域参数展布,并通过Arc SWAT2012分析计算大汶河流域内泰安市各分区地表水资源量。结果表明:3个典型子流域的P-factor均大于0.64,Rfactor均小于0.72,率定期和验证期的相关性系数和纳什效率系数均高于0.77,径流模拟值和实测值拟合程度高。通过SWAT模型还原天然径流是可行的。     

东北半干旱地区流域分布式水文模拟——以洮儿河流域为例

以东北半干旱地区典型流域-洮儿河流域为研究对象,应用SWAT模型对流域水文过程进行了模拟研究;选择流域上游子流域和中下游子流域分别进行参数敏感性分析,识别出影响模拟结果的敏感参数,研究发现部分参数敏感性存在空间变异性,分析主要原因在于气候和下垫面的空间异质性导致了流域上下游产流模式存在差异。采用1988-1997年水文气象数据进行模型率定和验证,结果表明：干流水文站月流量过程率定期Nash-Sutcliffe 效率系数平均值为0.78,验证期为0.72,相关系数都达到0.86以上,水量误差大多在20%以内,对日过程的模拟也有较高的精度;枯水年模拟结果较差,主要是因为流域降水站数量不够,难以反映降水的时空分布。对于水文、气象等资料相对缺乏的东北半干旱地区,SWAT模型的模拟结果总体令人满意,可以应用于与流域径流相关的各种模拟分析,研究成果对进一步加强洮儿河流域水资源综合管理提供了依据和手段。     

平治河岩溶流域退水规律分析与降雨径流模拟

以平治河岩溶流域为研究对象,分析其地下退水规律,将其划分为9个子流域,在传统新安江模型基础上,将地下径流划分为慢速和快速地下径流,分别采用两个线性水库进行模拟,构建降雨-径流模拟方案,并选取2011-2015年期间的7场洪水作为率定期洪水,以确定性系数（DC）最大为优化目标,应用遗传算法率定模型参数,而以8场洪水作为验证期洪水进行验证分析,获得率定期合格率为85.71%,平均确定性系数为0.846,验证期合格率为75%,平均确定性系数为0.893,达到乙级精度。其结果表明所构建的模拟方案能够较好地模拟该流域的径流规律。      

基于HBV模型的太子河流域径流变化情景预估

以太子河流域为研究区域,采用HBV水文模型对流域的水文过程进行模拟,并选取RegCM4.4区域气候模式输出的平均气温和降水数据来驱动HBV水文模型,模拟逐日径流过程,分析RCP4.5排放情景下未来太子河流域径流的演变。结果表明,HBV水文模型在太子河流域模拟效果较好,率定期与验证期Nash效率系数与确定性系数均在0.60以上,模型基本模拟出了洪水对降水的响应过程。RCP4.5情景下,2021 2070年太子河流域年平均气温呈持续升温趋势,流域降水和年径流深度呈微弱减少趋势。相较于基准期,年径流深度将增多9.79%,夏季和秋季径流深度上升明显。径流分位数的变化表明,峰值极端径流和枯水极端径流均较基准期有不同程度的增多,未来太子河流域发生极端洪涝的可能性较高。     

耦合湿地模块的流域水文模型模拟效率评价

耦合湿地模块的流域水文模型是开展流域湿地变化的水文效应及其水文功能评估的有效工具,其模拟效率直接关系到模拟精度和应用价值。选取中国湿地主要分布区之一的嫩江流域,利用PHYSITEL/HYDROTEL模型平台,构建孤立湿地和河滨湿地模块并与流域水文模型耦合,并从拟合优度指数和模拟效率角度评价了耦合湿地模块的流域水文模型模拟效率。结果表明,耦合湿地模块的流域水文模型,拟合和验证期间模型的拟合度指数均有所提高,嫩江富拉尔基和大赉水文站控制流域的Nash-Sutcliffe系数和克林效率系数平均提高了3.08%和4.64%,均方根误差和相对偏差平均降低了12.72%和55.93%,且整个研究时段模拟结果的流量指数总体更接近于观测的径流数据。可见,耦合湿地模块的流域水文模型可提高水文过程模拟精度,更好地定量评估湿地水文功能,为流域水资源精准调控与湿地修复保护提供重要支撑。     

栅格型新安江模型在赣江流域的应用

以赣江流域峡山站以上为研究区域,利用栅格型数字高程数据,提取数字流域水系及其空间拓扑关系,在此基础上建立数字水文模型。赣江上游峡山站以上集水区域包含21198个空间分辨率为30s的栅格,采用就近移植法将降水数据及蒸发数据插值到每个栅格上,计算峡山站的径流过程。日模型中选取1978~1985年为参数率定期,1986~1987年为参数验证期,以多年径流量误差最小为目标函数。次洪模型中采用前16场洪水用于参数率定,后6场用于模拟验证,以洪水总量、洪峰流量、峰现时间按许可误差统计合格率最高和确定性系数最大为目标函数。结果显示,率定期16场洪水中14场合格,验证期6场洪水均合格,表明栅格型新安江模型模拟效果良好。     

基于PCRaster的流域非点源氮磷负荷估算

以太湖流域上游的西笤溪流域为研究区,应用动态环境模拟语言PCRaster构建月水文和氮磷营养物质输出模型,分析流域内氮磷输出的时空分布特征。以输出系数法为基础,将分布式水文模型与非点源负荷模型相结合,应用地理信息技术构建基于栅格的非点源污染模拟模型,根据1988~2007年的水文、水质实测数据对模型进行率定和验证,定量分析西笤溪流域非点源污染负荷量与氮磷输出的空间分布。研究结果显示:基于单元网格的月水文模型在该流域具有较好的应用效果,率定和验证期的Nash系数和线性相关系数R2均超过了0.80。应用模型估算西笤溪流域非点源污染2002~2005年总氮年输出量为1 670~2 035t/a,2002~2007年总磷输出量为102~164t/a。氮磷负荷的空间分布表明以稻麦或水稻/油菜轮作的农田是非点源污染的最主要来源。     

Runoff Change in Taizihe River Basin Under Future Climate Change Based on HBV Model

Taking the Taizihe River Basin located in Liaoning Province as a study area, we applied HBV hydrological model to simulate the hydrological process of this river basin with the support of observed daily precipitation, mean temperature, hydrological data in Xiaolinzi hydrologic station, and global digital elevation model data from SRTM3, land utilization types, etc. According to the simulation results of daily runoff, the possible impact of future climate change on runoff was analyzed through forcing HBV model by RegCM4.4 dynamic downscaled climatic data. The results show that HBV model performed generally well for daily simulation of the Taizihe River Basin with Nash Sutcliffe coefficient and deterministic coefficient being all over 0.60 in the calibration period and validation period, and the response of flooding to precipitation were simulated better. This indicates the HBV model can be successfully applied to the Taizihe River Basin. Mean temperature will increase obviously with persistent rising trend by RegCM4.4 model in 2021-2070 under RCP4.5 scenario. Annual precipitation and runoff depth are expected to reduce a bit. Compared with the baseline period (1986-2005), annual runoff depth will increase by 9.79%. At the same time, the runoff depth will increase significantly in summer and autumn. The variation of runoff quantile indicates that both peak extreme runoff and dry extreme runoff will increase to different degrees than that in the baseline period. In the future, the Taizihe River Basin will be likely to experience extreme flooding.     

四个概念性水文模型在黑河流域上游的应用与比较分析

首先结合新安江模型、TopModel、HBV模型和Sacramento模型机理,从模型结构的土层划分、土壤水分计算、蒸散发计算、产流区不均匀性的考虑、产流机制、下渗机制等多个方面进行了理论上的比较,然后选择黑河流域上游为研究区,结合模拟结果对这四个概念性水文模型在黑河上游山区流域应用情况,从土壤水分、蒸散发、径流过程和各径流组分四个方面进行了分析比较。结果显示,概念性水文模型对黑河干流上游山区径流模拟有较好的模拟效果,但是对土壤水分、蒸散发等水文过程只能描述其变化趋势,难以定量,同时,我们还可以得出在所用四个模型中,HBV模型在黑河干流上游山区出山口的径流拟合中有和其他3个模型相当的Nash-Sutcliffe效率系数,并且在枯水期的表现也好,适用性最好。     

考虑径流成分的雅鲁藏布江月径流模拟

通过构建雅鲁藏布江流域分布式水文模型SWAT,并以1989~1998年为率定期,1999~2005年为验证期对3个水文站(奴各沙、羊村、奴下)的月径流进行了模拟。从模型参数组里选取径流成分模拟不同的2组参数,以Nash-Sutcliffe效率系数(NS)、相关系数(R~2)及相对误差(PBIAS)为评价指标,来分析模型的模拟结果好坏。结果表明:率定期内,在径流成分1下奴各沙、羊村站和奴下站的R~2值高达0.9以上,NS系数分别为0.9、0.92和0.72,PBIAS的值为7.1%、18.5%及34.2%,但径流成分与实际情况出入较大。而径流成分2下,模拟得到的评价指标虽然不是很高,但径流成分比较合理。验证期总体结论一致。因此,建议在模型率定验证中要充分考虑径流成分的作用,从而提高模型模拟的精度。     

基于变动饱和带的产汇流模型及其参数确定方法

当前分布式水文模型的参数确定仍主要依赖率定方式,在缺资料地区应用受到限制。建立一种基于变动饱和带产流模式和网格水滴汇流方法的分布式产汇流模型,提出利用下垫面特征来确定模型参数的方法。结合野外入渗试验和参数敏感性分析,建立地表饱和水力传导度(K_0z)和饱和水力传导度随深度衰减系数(f)2个敏感性产流参数与地形参数、土壤类型数据的定量统计关系,利用野外坡面流观测试验确定坡面汇流参数,并在多个实际流域进行应用验证。结果表明：(1)利用地形参数确定K_0z与使用遥感资料确定K_0z的模型精度进行对比,在姜湾实验流域场次洪水模拟的平均确定性系数从0.82提高至0.86,洪峰与洪量误差的平均绝对值分别降低了2.2%和0.95%,但峰现时间误差平均绝对值增大了4%(仍控制在2 h内)。(2)建立姜湾等14个流域参数f率定值与不同深度土壤类型数据的定量关系,移用至七邻等6个流域进行验证,表明参数f关系式与模型率定的精度非常接近,相对误差的平均绝对值为2.8%,场次洪水模拟的平均确定性系数为0.83,洪峰与洪量误差的平均绝对值为10.07%和...     

渭河上游典型小流域水文特征差异性分析

根据渭河流域两个典型小流域的实测水文和气象资料,分析了不同气候和下垫面条件的流域水文特征及其差异性.结果表明:清源河和牛谷河流域的年平均气温呈上升趋势,降水、径流、泥沙、降水径流系数均呈减少趋势;两个流域的降水、径流和泥沙历年变化不一致,1998-2013年清源河流域降水量相对牛谷河流域减少了8.6%,1993-2013年牛谷河的径流相对减少了21.4%,2000-2013年清源河的泥沙相对减少了24.0%;两个流域的面积、河长、海拔、植被覆盖率等流域特征值相对差在-29.4%~-4.5%之间,气温、降水等气候特征值相对差在-27.4%~16.7%之间,而径流特征值相差较大,相对差在-90.2%~-84.7%之间,泥沙特征差异性更大,相对差在292%~347%之间.对气候、下垫面和人类活动对水文要素的影响进行了研究,受人类活动的影响,清源河流域1996-2013年年径流减少11.6%,牛谷河流域1993-2006年年径流减少25.9%,2007-2013年再减少10.5%,研究人类活动的调水减沙效应,对流域综合治理、生态环境建设具有一定的指导意义.同时,充分利用不同小流域实测水文气象数据,分析水文气象要素的变化规律,可以为分布式水文模型研究和中小河流洪水预警预报提供重要依据.     

流域地貌结构因子对径流特征的影响分析

选取淮河两个主要暴雨中心的11个中小流域为研究对象,分析流域地貌结构因子(流域高程曲线特征值等)对其水文响应特征(多年平均径流系数、流量历时曲线斜率值)的影响.研究发现,流域高程曲线积分值及其斜率对径流特征影响最大.多年平均径流系数、流量历时曲线高流量阶段的斜率值(S_fh)与高程曲线斜率成正比,确定性系数达到0.77和0.67;而流量历时曲线低流量阶段的斜率值(S_fl)与高程曲线积分值也成正相关,确定性系数达0.65.这表明:在地形起伏较大的流域,其蓄水能力较弱,容易造成暴雨洪水过程的陡涨陡落,且多年平均降雨径流系数较大;反之在较为平坦的流域,其径流响应相对缓慢,表现出较强的流域调蓄能力.