水文模型在估算冰川径流研究中的应用现状

冰川径流估算是气候变化风险评估和水资源可持续管理的重要内容.冰川径流估算方法主要包括:直接观测法、冰川物质平衡法、水量平衡方程法、水化学示踪法和水文模型法.本文首先对五种方法的应用情况进行简要总结,进而重点阐述水文模型法在估算冰川径流研究中的应用现状.水文模型法是冰川径流估算研究中使用最频繁的方法,使用方式主要包括耦合冰川模块和开发新的冰川水文模型.冰川水文模型中的消融算法主要包括温度指数模型(度日因子法)、修正的温度指数模型、能量平衡模型.受当前观测条件限制,修正的温度指数模型兼顾能量平衡模型和温度指数模型的优势而成为冰川水文模型中最流行的方法.随着学科的发展进步,能量平衡模型与水文模型的耦合将会成为未来的研究重点,发展大尺度分布式冰川水文模型是冰川水文学的未来发展方向之一.     

冰川水文模型研究进展

定量评估冰川变化对干旱区流域/区域水资源管理、海平面上升以及冰川自然灾害预防等十分重要。从冰川产流(消融)和汇流两个水文物理过程出发,介绍了国内外冰川水文模型的研究进展,对目前应用最广的两类消融模型——基于气象因子的统计模型和基于物理机制的能量平衡模型进行了分析和讨论;从冰川表面、内部以及下部汇流3个方面阐述了冰川汇流模型所取得的成果。表明冰川产流(消融)模型已相对较为成熟,而冰川汇流过程目前仍处于探索阶段。构建适合不同规模和类型冰川的、包含冰川运动信息的分布式冰川水文物理模型是今后的研究重点。     

贡嘎山海螺沟冰川径流水文规律的同位素示踪研究

应用同位素地球化学的基本原理和示踪技术, 对贡嘎山海螺沟冰川河源区和干流的不同区段, 不同时域径流的组成特点及其水文动态变化规律进行分析研究.结果表明: 贡嘎山海螺沟冰川河源区水的组成, 不同季节、不同时段(早、晚)有明显的变化. 夏季晚上的水大约有82.4%是来自冰川区的水, 17.6%为非冰川区的径流; 早晨中的水来自冰川区的占74.6%, 非冰川区径流占25.4%. 冰川消融水的最大可占总水量的6.9%～7.8%左右. 在冬季时段, 冰舌末端排泄水(BCH-1)和冰川水文站(HLG-6)径流的同位素组成均低于底部冰川冰(BCB-2: -16.639‰), 显示出严重同位素不平衡的特点, 反映了冬季底部冰川消融水在源区水(BCH-1)中的贡献已达很低的程度, 而代之以冰川上部占主导优势的雨雪水. 这意味着在冬季当地冰川的退缩速度与夏季相比有明显减慢的趋势. 示踪表明, 在冰川水文站附近区域内存在水的渗漏, 夏季可能延伸到倒中桥(HLG-13采样点上方)一带, 下渗水通过地下通道, 到杉树坪(HLG-2采样点)邻近的区域回补到河道内.     

基于分布式大流域径流模型的中国西北黑河流域水文模拟

水资源短缺是中国西北干旱地区长期的问题,区域人口增加、城市化扩张,加之气候变化的影响进一步加剧了西北地区水资源短缺,也使生活用水、灌溉用水、工业用水和维持生态系统稳定的用水危险加剧.采用分布式大流域径流模型(DLBRM)模拟黑河流域水文(中国第二大内陆河,流域面积128 000 km2)来理解区域的冰川和积雪融化水、地下水、地表水、蒸散发等方面的分布,评估气候变化对水文的影响和冰川退缩对中游和下游来水量的影响.模拟结果表明,黑河流域的大部分产流那源于黑河上游地区的祁连山.模拟1990-2000年黑河河流日流量变化结果认为,黑河中游正义峡给下游的供水为10×108m3,其中地表径流占51%,层间流占49%.中游地区沙土具有较高的蒸腾发能力,近一半的地表水被蒸发掉.模拟实践证明,分布式大流域径流模型可以结合气候变化、水资源管理方面的成果,改进流域水文模拟的精度.     

中天山冰川径流的计算模型

在前苏联中天山进行了两年的野外调查研究，利用所得资料，建立一个计算亚大陆型山地冰川物质－能量交换和冰川径流的模型。找出了控制这一地区现代冰川作用的主要冰川气候因素并使之定量化。计算了一地区冰川在全球水循环中的作用以及输入这一封闭水系的水气，即贮存在这一地区的水分占大气总水汽通量的份额。发现全球大气循环变化同冰川作用的相互影响。此外，重建了这一地区冰川３００年来物质平衡各分量。     

喜马拉雅山珠峰绒布冰川流域径流模拟

基于2009年5-10月喜马拉雅山北坡珠峰绒布冰川流域实测水文气象数据、 50 m分辨率DEM和中国第一次冰川编目资料, 在HYCYMODEL水文模型中加入冰川消融子模块, 模拟了绒布冰川流域径流过程.冰川消融子模块以海拔5 180 m基站的实测日气温、 日降水作为模型输入, 把气温、 降水插值到该流域40个高程带中, 分别计算各高程带的冰川消融和裸地蒸发, 并考虑液态降水对冰面的加热作用.野外气象观测表明: 2009年5-10月流域海拔5 180~5 750 m内, 月气温递减率在0.63~0.73 ℃·(100m)^-1之间, 均值为0.70 ℃·(100m)^-1; 同期降水观测显示, 海拔5 180 m以下降水梯度为-7.3 mm·(100m)^-1, 该高度之上降水梯度为22 mm·(100m)^-1. HYCYMODEL水文模型的敏感性检验表明, 该流域径流变化主要受气温影响, 降水变化引起的径流变化较小, 气温和降水变化对流域径流的影响是非线性的.     

水稳定同位素示踪的冰川流域水文模拟及不确定性研究

水文模拟不确定性长期以来是制约寒区水文发展的瓶颈问题。水稳定同位素示踪为认识冰川流域径流过程提供了重要“指纹”信息,但仍缺乏有效模型将该信息与冰川水文模型耦合,而且同位素信息对冰川流域水文模型不确定性的约束效果也有待检验。将水稳定同位素信息（δ¹⁸O）与冰川流域水文模型FLEX^G相耦合,实现对冰川流域水稳定同位素和径流过程的耦合建模（FLEX^G-iso）,并在乌鲁木齐河源1号冰川流域进行模拟检验和径流分割。结果表明：模型不仅对2013—2016年径流过程有良好的模拟效果,还可以重现水稳定同位素、冰川物质平衡等重要过程。利用水稳定同位素这一辅助数据,提高了模型参数的识别能力,减少了模拟过程中各水源的相互妥协效应和不确定性范围。2013—2016年1号冰川断面径流32%~34%来自融雪,48%~51%来自融冰,0%~7%来自地下水,12%~15%来自降雨径流。水稳定同位素对雪和冰川相关中间过程有明显的约束能力,原有模型对融冰贡献的模拟偏高约7%。FLEX^G-iso模型的建立有助于推动寒区水文学理论和方法的发展,以及寒区水资源、生态环境保护等相关决策制定。     

天山乌鲁木齐河源区1号冰川径流模拟研究

采用HBV-ETH模型, 利用1980-2006年实测水文气象数据对乌鲁木齐河源区1号冰川日径流进行模拟研究. 在考虑度日因子和面积变化的基础上, 模拟了1980-2006年流域的径流深和土壤蒸散发; 依据水量平衡原理, 得到了流域冰川物质平衡和冰川体积变化序列, 同时对比验证了模型的模拟效果. 研究表明: 若将冰川面积视为常数进行模拟, 将会使得模拟径流比实际偏大, 过去26 a平均高估7%左右. 1980-2006年间, 若不考虑面积变化, 累积体积变化被高估3%左右.     

冰川模型及其在古冰川模拟研究中的应用

冰川模型已广泛应用于预测未来的冰川变化。随着冰川地貌制图、测年和古气候研究的不断发展,冰川模型也逐渐用于模拟古冰川变化、估算古冰川发育时期的气候信息和探讨古冰川演化的气候驱动因素。本文综述用于古冰川模拟的两类模型：地貌-冰面剖面形态模型和物质平衡-冰川动力耦合模型,介绍不同冰川模型的原理、用于古冰川模拟的流程和利用地貌体进行模型参数校验的方法。在此基础上,以青藏高原及其周边山地为例,总结利用冰川模型恢复古冰川的范围、体积、平衡线等参数,估算不同冰川发育时期的温度和降水,以及评估测年数据及其恢复的古冰川期次和规模的案例研究。最后指出了利用冰川模型进行古冰川模拟研究存在的问题和未来发展趋势,为进一步加强和改进冰川模型在古冰川模拟研究中的应用,恢复古冰川的规模、演化过程及其气候驱动机制奠定基础。     

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。     

基于SWAT模型的资水流域径流模拟

以资水流域柘溪水库以下区域为研究对象,基于构建的分布式水文模型SWAT对水文过程进行模拟。在地面高程、土地利用、土壤、气象等数据预处理的基础上,采用2010~2011年实测径流数据进行参数率定,采用2012年实测径流数据进行模型验证,对模型在研究区的适用性进行研究。通过对径流模拟值和实测值的比较,月径流率定期和验证期的相关系数R~2和Nash系数Ens分别在0.93以上和0.91以上,日径流率定期和验证期的相关系数R~2和Nash系数Ens分别在0.78以上和0.70以上。基于这两个评价标准可知SWAT模型在资水游流域有良好的适用性,可为流域内拟建桃花江核电厂的取水安全分析和水环境影响评价提供技术支持。     

1955—2008年冬克玛底河流域冰川径流模拟研究

采用HBV水文模型,对长江源区有冰川覆盖的冬克玛底河流域日径流进行了模拟试验研究.使用冬克玛底河流域周边4个有长期观测资料的气象站日气温、日降水数据,结合流域内自动气象站实测数据,应用多元回归法插值恢复了流域1955—2004年日气温数据,应用降水梯度与反距离权重相结合的方法恢复了流域1955—2004年日降水数据.采用数据质量较好的2004/2005年度和2006/2007年度两个物质平衡年水文气象数据进行模型参数的率定,应用2005/2006年度和2007/2008年度水文气象数据进行模型参数的检验.在确定模型能较好的模拟流域年月径流深的前提下,采用率定好的模型参数和恢复的气象资料,恢复了1955—2004年冬克玛底河流域的年径流深;依据水量平衡原理,得到流域冰川物质平衡变化.结果表明:1955—2008年冰川物质平衡呈亏损趋势,平均-136.0mm.a-1;年径流深呈波动增加趋势,平均增加5.61mm.a-1.径流深的增加量中约34%是因为降水增加所致,66%是因为温度升高导致冰川消融加剧所致.     

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。     

VIC模型在老哈河流域径流模拟中的应用

采用VIC-3L大尺度分布式水文模型,对老哈河流域的径流及其相关要素进行模拟,分析其变化趋势,研究老哈河流域水文要素变化的影响因素。模拟结果表明:在率定期和验证期内,模拟的流量过程线反映了实测流量过程线的变化趋势,而1997年和1999年模型模拟效果较差的原因是人类活动的影响、枯水年影响、下垫面情况变化等因素影响及VIc-3L模型自身的局限性等。     

提孜那甫河流域融雪径流模拟及不确定性分析

为了开展寒旱山区典型流域融雪径流过程的研究,提高融雪径流模型（SRM）在山区融雪地区的水文过程模拟精度,本文选取新疆提孜那甫河流域作为典型研究区,在SRM径流计算基础上,加入合适的基流数据并进行不确定性分析。考虑4种常见的基流分割方法（数字滤波法、加里宁法、BFI法（滑动最小值法）和HYSEP（hydrograph separation program）法）,基于贝叶斯理论,采用马尔科夫链蒙特卡洛（MCMC）模拟进行参数不确定性分析,对使用不同基流数据SRM的融雪径流模拟表现进行综合评价。分析结果表明,基于加里宁基流分割方法的模型（SRM_K）能够最佳地模拟研究区融雪径流过程（纳什系数NSE在识别期和验证期分别为0.866和0.721,大于其他对比模型）。MCMC模拟能够较好地识别SRM参数,获得可靠的参数后验概率分布。当实测降水资料缺乏或其代表性较差时,TRMM（tropical rainfall measuring mission）卫星数据能够描述研究区的降水过程特征。     

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。     

拉萨河流域地表径流氢氧同位素空间分布特征

为了探析径流过程中稳定同位素变化特征及其控制因子, 利用2008年拉萨河流域地表径流中δ18O和δD的监测数据以及相关气象和水文资料, 初步研究了流域δ18O和δD的空间分布特征.研究发现: (1)拉萨河流域以大气降水为主要补给来源, 且干流体现了较明显的蒸发效应; (2)河水偏正的d过量参数特征指示了冰雪融水的补给特征; (3)季风降水期间, 拉萨河流域由高程效应和水平距离所造成的δ18O递减率约为0.16‰·(100 m)-1; (4)大循环尺度下, 流域内河水呈现了明显的大陆效应.研究表明高海拔地区地表径流氧氘同位素分布特征能够有效示踪流域水文循环过程, 并提供古高度变化研究的稳定同位素证据.      

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.     

基于EasyRiv1D模型的漳卫河流域河道洪水演进模拟研究

漳卫河中下游河道断面变化较大,该流域的洪水预报调度十分复杂。传统的水文学方法只是借助于历史洪水进行汇流参数率定,本文借助于水力学方法和河道实测断面,利用Easy Riv1D模型对河道洪水演进模拟研究,取得了较好的预报效果,可以为漳卫河流域的河道洪水演进提供技术支撑。