地表物质能量交换过程中的水循环综合模拟系统(HIMS)研究进展

基于地学的理念,特别是陆地表层系统研究理论,探讨了水循环研究发展趋势,从单一要素过程、到流域多过程综合、再到水系统多要素、多过程、多尺度的集成,阐述了发展水循环综合模拟技术的重要性。系统介绍了自主研发的水循环综合模拟系统HIMS(Hydro-Informatic Modeling System)的发展历程、主体结构与特色功能,包括水循环多源信息集成平台、水循环多元要素定量遥感反演系统、水循环过程模块库集成系统、多尺度分布式水循环定制模拟系统等。指出多学科交叉,与信息技术的融合是水循环模拟发展的重要方向之一。HIMS系统及其定制模型在国内外的大量验证和应用,显示出其水循环综合模拟技术的实用性和先进性。可望为变化环境下的复杂陆地表层过程中涉水问题研究提供技术支撑工具,适应水系统研究的需要。     

山地流域水文模拟研究进展与展望

山地水文循环是全球水循环的重要组成部分,山地独特的地形特征、日趋变化的社会经济与新技术(遥感观测和信息科学)发展使得山地水文循环研究成为当前乃至未来水文学关注的热点。山地较大的垂直梯度浓缩了水平自然带的自然地理和生态学特征,具有多样的环境敏感性,因此山地水文过程对土地利用变化和气候变化的响应比平坦地区更为剧烈。明晰山地水文过程对区域防洪减灾、制定全球变化背景下区域水资源可持续利用策略、促进经济社会发展具有重要意义。水文模型是研究水循环的重要工具,但山地产汇流机制的复杂性以及实测水文资料匮乏等一系列问题极大限制了山地水文模拟与预测工作。本文首先系统地从数据获取、参数计算、模型结构、建模理论四个方面介绍了国内外山地水文模拟的研究进展,并总结了经验模型、概念模型及基于物理机制的分布式水文模型在我国山地水文模拟中的应用进展,之后从山地水文要素的空间变异性与垂直变异性、驱动力、数据不确定性、强烈的人为扰动等方面对当前山地水文模拟中面临的挑战与难点进行了论述。通过对国内外相关研究前沿的归纳,从多过程耦合机理研究、山地自然—社会二元水循环理论、大数据背景下多源数据获取与同化研究等方面对我国未来山地水文模拟的工作方向进行了展望。     

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。     

潮河流域时变增益分布式水循环模型研究

在广泛了解有关分布式水文模型研究进展的基础上,结合中国实际资料条件和问题,提出了一种"水文循环机理-系统理论"相耦合的分布式水循环模型——时变增益分布式水循环模型(DTVGM),并建立了潮河流域分布式水文循环模型。实例研究表明,DTVGM的应用是比较成功的,基本上能够满足水资源管理的要求。     

湿地水文研究的若干热点问题

湿地水文研究是认识湿地生态系统的结构、过程与功能,进行湿地生态保护和恢复重建以及水资源合理配置的前提与基础。重点对湿地水文研究的几个热点问题进行了评述。这些问题包括,全球气候变化与人类活动影响下的湿地水文响应;湿地水文过程对湿地生态系统的影响机制;湿地水循环过程与水文模型。在此基础上,提出了基于水循环模拟的流域湿地水资源合理配置的基本思路,并对目前中国湿地水文亟待研究的重要议题进行了阐述。     

水系统综合管理与模拟工具(WIM)的设计与开发

大规模的人类活动已经将不同流域连接为一个整体系统,针对跨流域复杂水问题的研究,从科研和管理的角度,迫切需要发展集多源数据集成、水循环过程模拟和决策支撑为一体的水系统综合管理与模拟平台。本文面向国家需求,采用面向对象设计方法,基于GIS平台创建了具有自主知识产权的WIM(Water system Integrated Modeling and Management Tool)系统。WIM是一个基于模块化结构的水系统综合管理与模拟工具,实现了水循环多源数据集成和多过程耦合模拟,具有数据动态加载、模型在线耦合和模块按需定制等功能。WIM提出为复杂水问题的研究,跨流域调水对陆地水循环影响与水安全分析提供了支撑,促进了中国在水循环综合模拟与系统集成等方面的科技发展。     

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。     

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DEM的分布式水文模型构建方法

基于 DEM的分布式水文模型是现代水文学同高科技 (如计算机技术、 3S技术等 )相结合的产物 ,是研究变化环境下水文循环与水资源演化规律的理想工具 ,代表了水文模型的最新发展方向。从 DEM的特性出发 ,本文探讨并总结了分布式水文模型的特点、建模思路和模型基本结构框图。在流域离散化方面 ,重点介绍了分布式水文模型常用的三种单元划分方法 ;最后 ,针对分布式水文模型构建问题 ,从“输入模块”、“单元水文模型”、“河网汇流模型”三方面 ,阐述了分布式水文模型微结构构建方法。     

基于水文模型的蒸散发数据同化研究进展

本文系统综述了基于水文模型的蒸散发数据同化研究,阐述了蒸散发作为非状态变量构建数据同化演算关系的难点和瓶颈,并系统分析了利用当前各种通用水文模型进行蒸散发同化的可行性.基于此,尝试提出了一种易于操作且具有水循环物理机制的蒸散发同化新方案,该方案利用具有蒸散发—土壤湿度非线性时间响应关系的分布式时变增益模型(DTVGM),并进一步完善DTVGM蒸散发机理,构建基于DTVGM水文模型的蒸散发数据同化系统.该新方案将为区域蒸散发精确模拟提供新的思路和借鉴.     

资源环境模型库管理系统研究进展

资源环境模型库管理系统是资源环境研究中的关键问题之一。建立资源环境模型库管理 系统通常有两种途径。一种途径是采用模型管理技术, 其主要方法包括数据式模型管理、结构化 模型管理、面向对象的模型管理和基于知识的模型管理, 这种方式的优势是可以有效地管理资源 环境模型, 但对空间数据处理的功能较弱, 需要编写大量的程序代码。另一种途径是在GIS 中管 理模型, 如ArcGIS 中的ModelBuilder, 这种方式的优点是可以充分利用GIS 的空间数据处理能 力, 但对复杂模型的支持较差。根据以上两种方式的特点, 本文提出了一种面向对象的资源环境 模型管理框架, 把模型抽象为模型类与模型实例, 采用面向对象方法表达模型, 通过构建资源环 境模型引擎处理空间数据和模型数学方程; 利用模型库和数据库, 可以实现模型的有效管理和模 型重用。     

一种针对海洋GIS应用的建模方法研究

为提高海洋GIS分析效率,使系统分析模型更简洁、更具领域特性,在分析相关针对GIS建模研究的基础上,利用UML的扩展机制,定义针对海洋GIS的面向对象建模语言UML-M。描述UML-M的元模型,研究基于UML-M的空间对象和空间关系的模型表现方法,包括简单空间对象、覆盖对象、复杂空间对象、时空对象等。实例分析表明,UML-M可以很好地应用在海洋GIS中。     

GIS与土壤溶质运移模型结合研究进展

地理信息系统对土壤溶质模型研究而言，使用者的要求与GIS所能提供的功能之间，还存在巨大的差距。出于对环境问题的关注，土壤中水分及溶质运移的规律及其对环境的影响，成为当前研究的热点。随着对土壤溶质运移模型研究的深入，一方面由于田间土壤特性具有很大的空间变异；另一方面，在实际应用中，往往溶质运移的宏观特征而非微观特征，具有更重要的意义。将溶质运移模型与GIS技术结合，定量研究空间尺度的溶质运移，成为溶质运移研究的必然发展趋势。由于计算机软硬件技术的发展，GIS正处于一个高速发展的时期。将GIS与溶质运移模型相结合，或者进一步，以GIS理论和技术为基础，建立基于GIS的溶质运移模型，将对溶质运移的规律及其对环境的影响，做出更深入和准确的描述。     

GIS空间动态模型组件的设计与实现

组件重用技术为GIS与空间模型的集成提供了新的解决方案。该文设计的空间动态模型的GIS组件 -Dy namicGC ,它在传统GIS数据模型的基础上 ,增加了表达空间动态系统的过程和关系 (流 )的数据模型和对象接口 ,为GIS环境下创建复杂动态过程模型提供了新的工具和解决方案。该组件基于微软组件对象模型 (COM/DCOM)实现 ,充分考虑了互操作性、模型建模语言以及模型系统的可获取性需求 ,由一系列支持动态数据计算的OLE自动化对象集组成 ,可支持VB、Dephi、VisualC 等通用开发环境 ,也支持VBA、VBSCRIPT、JAVASCRIPT等脚本语言环境。使用VBA创建了经典的“生命游戏”的元胞自动机模型的实现 ,作为该组件创建动态过程模型的应用实例。     

黄河典型流域分布式水文过程模拟

基于水循环物理过程的分布式水文模型的研究和应用已经成为当前水文学研究的热点之一。本文应用大尺度分布式水文模型SVAT&HYCY ,选择黄河的主要支流洛河卢氏以上流域进行实例研究。根据 1990～ 1996年的资料进行的模拟结果表明 ,模型可以反映流域蒸散发的空间分布特征以及径流的形成过程。但是在模拟的径流值与实测值之间还有一些差异。这种差别一方面是因为实际径流包含了人类活动的影响 ,另一方面 ,空间插值方法是否准确反映模型的输入量 (特别是降水 )的空间分布特征也将影响模拟精度。     

地理系统模拟的CA模型理论探讨

在系统认识和理解地理元胞自动机（CA）模型的基本性质基础上,重点从自然与人文综合的复杂地理系统模拟研究角度,对地理元胞模型所涉及的基本理论与方法问题进行了进一步的探讨。研究表明：从地理系统的模拟看,CA模型的研究和应用提供了一种从地理系统的微观出发、将自然与人文统一的地理系统模拟的新视角与新途径。在此基础上,提出了地理系统模拟的CA模型需要解决的三队基本关系和三个基本科学方法问题。     

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。     

半干旱区流域水文的景观生态研究与设计:地理信息系统辅助的过程模拟

人类正在面临严重的社会危机和环境危机,而这些危机均与人口的无节制增长及人类过分消耗能量有关。为了缓解或扭转这种危机,除了减缓人口的增长外,必须提高能量使用和土地空间使用的有效性。实现这个目标的根本在于掌握好经济的可计量价值与生态的不可计量价值的平衡。掌握这个平衡的有效手段便是景观生态规划。景观生态规划的关键在于:各类相互冲突的土地利用要在空间上做合理的安排,以致于各利用单元之间的负作用得以避免,生态系统的基本功能得以保存。景观生态规划的目的是寻求最佳土地管理措施。流域土地管理的核心是:保护生态景观,保护生物食物链的健康有序,增加土壤的储水和渗水能力,增加地表水的分散性分布和地下水的有效补给。为了达到这些目标,流域土地的管理和生态价值的恢复必须对人文与自然因子进行细致的调查和统筹地考虑。为了具体地实现这些目标,我们计划对兰州市及其潜在的生态依赖——马衔山/兴隆山进行整体的景观生态调查。建立一个适合于半干旱区的景观生态模式。     

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.