目标函数权重对PEST-HSPF水文率定的影响研究

参数率定是水文模型构建与应用的重要基础。在多目标水文校准中,不同目标函数的权重设置直接影响校准的结果,如何确定不同目标函数的权重是水文校准的关键问题。选择典型半分布式水文模型HSPF(Hydrological Simulation Program-Fortran),基于PEST多目标校准模型,以牛栏江上游流域为研究对象,研究目标函数权重对HSPF水文模拟拟合优度的影响,为HSPF模型参数自动率定提供指导与借鉴。结果表明:(1)当PEST-HSPF水文校准的单目标函数权重(日流量、月流量、超流天数)上升时,模型的纳什系数和相对偏差呈现非线性变化特征,不规则波动幅度较大;(2)3个目标函数的权重在1~10量级内模型能够获得较高的预测能力和较低的误差,模型的纳什系数平均可达到0.8以上,相对偏差在10%以内;(3)超流量天数权重设置对模型的预测能力变化影响较大,日流量天数权重对相对偏差的波动影响较大,当超流天数的相对权重在1~1 000范围内变化时,模型纳什系数在0.02~0.86之间波动剧烈,当日流量相对权重值超过30时,相对偏差变化明显。     

相似流域选择的模糊集模型与方法

提出水文计算中相似流域选择的模糊集模型与方法,以改进水文计算中选择相似流域的经验性方法.原则上模型也可用于其他水文相似问题.     

祁连山黑河干流山区水文模拟研究进展

流域水文模拟是在认识水文规律的基础上, 对流域水文过程的一种数学描述.黑河流域作为典型的内陆河流域历来是研究寒区、 旱区水文过程的热点区域.祁连山黑河干流山区的水文模拟研究也备受学者们的关注, 经验模型、 概念模型和分布式水文模型在该区域均有应用, 虽然都对出山径流做出了准确的模拟, 但是引进的模型对高寒山区水文过程的刻画不够详细.内陆河高寒山区流域的水文模拟要充分考虑冰川、 积雪、 冻土等因素所引起的特殊寒区水文过程, 准确刻画这些水文过程是高寒山区流域水文模拟成功的关键.今后应该继续加强野外观测, 深入开展冻土水文过程、 冰雪水文过程的模拟研究, 发展真正适合于高寒山区流域水文过程的分布式水文模型.     

基于ArcGIS的DEM流域划分

从数字高程模型DEM(Digit Elevation Models)直接提取河网及流域信息,是分布式水文模型开发与应用的基础.本文利用ArcGIS中的水文分析工具从DEM中提取了流域水文特征.主要包括:DEM的预处理、水流方向的确定、水流累积量提取、河网的提取、集水区的提取和流域的划分.本文探讨了两种不同划分流域的方法...     

同位素示踪剂在流域水文模拟中的应用

主要目的是通过对同位素在流域水文模拟应用中的一些假定、限制条件以及方法进行澄清和系统化,从而促进同位素在流域水文模拟中一些新的研究方向和研究热点.主要从三个方面,即同位素流量过程线分割、流域平均滞时与不同水源混合、与水文模型耦合,讨论同位素示踪剂在流域水文模拟中的研究进展情况.同时指出了同位素在流域水文模拟中应用存在的一些主要问题,包括:①降雨同位素含量的时空变化;②不同径流成分的采样;③径流输出同位素含量的空间变化;④流域平均滞时分布函数的确定;⑤水文同位素耦合模型.     

流域水文模型的发展

本文列出了当今世界上比较流行的15个流域水文模型。对现行概念性集总式流域水文模型的结构和参数的特点进行了评论,指出了这类流域水文模型存在的主要缺陷。对新一代流域水文模型, 即分布式流域水文模型,尤其是其中具有物理基础的分布式流域水文模型,进行了较为深入的分析,指出其之所以优于集总式流域水文模型的主要原因。最后对流域水文模型进一步发展所必须具备的理论和技术条件做了初步讨论。     

月分布式水文概念性模型及应用

文章在RS与GIS支持下,建立地理空间信息库,提取流域土地利用、土壤类型和植被类型等地理信息及相应的水文空间参数,采用已有的水文概念性模型,建立了一个月分布式水文概念性模型.模型结构简单,所需参数较少,可操作性强.模型在雁栖河流域的应用结果显示,总体上能较好地模拟流域的月迳流量,可用于评估流域水资源量、气候变化以及土地利用变化对水资源的影响.     

流域水文模型发展展望

介绍了流域水文模型的理论基础,总结了流域水文模型与计算机技术集成化,地理信息系统与遥感技术的嵌套应用趋势以及水文模型发展中将会遇到的问题。     

分布式水文模型的进展及展望

分布式水文模型是当前水文建模领域最为活跃的研究方向,是解决流域水文、生态和环境问题的有效的途径.讨论了分布式水文模型的结构、与地理信息系统和遥感技术的关系、参数标定、应用领域等问题,指出分布式水文模型发展面临的问题并展望了未来的发展方向.     

数字高程模型在流域水文模型应用中的若干问题

数字高程模型(DEM)在流域水文模型中得到了广泛应用,主要是因为DEM能够自动提取流域水文模型所需要的确定流域排水结构的水文信息。回顾并讨论了DEM在流域水文模型应用中的几个问题,主要包括河网自动提取的方法、DEM中排水方向的确定以及封闭洼地的处理,同时还包括在流域水文模型中应用时DEM的结构类型及尺度问题。由于由DEM生成的模拟河网与流域实际河网间存在一定的差别,最后还讨论了如何对模拟河网进行矫正的问题。     

前期土壤含水量对水文模拟不确定性影响分析

前期土壤含水量是影响洪水形成的重要流域物理因素,在该次水文模拟中土壤初始含水量采用新安江日模型计算得出.研究中,通过改变日模型模拟的时间长度TP,来研究初始时刻土壤含水量的变化对洪水模拟精度的影响.结果表明:初始土壤含水量对于洪水模拟的精度有显著影响,不同日模型计算时间可以使次洪初始土壤蓄水量W的变化达到42%,而相应的洪峰偏差达到57.7%.土壤和降雨观测数据分析显示,土壤体积含水量与前期累积降雨量有一定地相关关系.为有效解决传统模型与流域真实物理属性数据的融合问题,初步建立了实测土壤体积含水量数据与模型中土壤湿度参数及前期降雨的经验关系.     

大尺度水文模型参数不确定性分析的挑战与综合研究框架

水文模型是对自然界复杂水文现象与过程的一种综合近似描述,在水旱灾害防治、水资源管理与开发利用等方面应用广泛。本文分析了大尺度水文模型应用的难点,总结了参数不确定性研究的主要进展,介绍了参数不确定性分析框架“敏感性分析—参数优化—参数区域化”(SOR)的基本概念、重要性与应用情况。论文基于已有认识,建议在水文建模优化过程中引入更全面的参数不确定性分析SOR框架,并加强新一代分布式水文模型与更加成熟的水文气象数据观测系统的开发,以减少来自模型结构与模型驱动数据的不确定性,提高全球变化背景下大尺度水文模型水循环过程模拟和预测的准确性。     

基于贝叶斯模型平均的径流模拟及不确定性分析

水文模型是模拟水循环过程重要手段,依靠单个模型进行模拟往往存在很大的不确定性,使通过多模型进行组合模拟成为必然趋势。选取3个集总式水文模型应用贝叶斯模型平均(BMA)进行流域月径流量的多模型模拟,采用期望最大化算法推求BMA分布参数以得到BMA均值模拟序列和90%不确定性区间。以武烈河实测数据为例进行分析,结果表明:BMA方法既能通过均值模拟提供更高精度的模拟效果,还可通过不确定性置信区间定量评价模型结构不确定性,为径流模拟提供丰富信息。     

水环境非点源污染数学模型研究进展

水环境非点源污染正日益受到人们的重视，成为国内外学者所关注的热点领域。对水文模型、非点源模型的研究现状做了归纳分析，尤其是对模型与RS、GIS的集成进行了探讨，论述了两者结合的意义和重要性，提出了结合的层次性，归纳了结合的多种方式。最后对非点源污染模型的发展前景进行了分析和预测。     

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。     

PEST在WetSpa分布式水文模型参数率定中的应用

分布式水文模型随着计算机、遥感和地理信息系统等信息技术的发展成为水文模拟的热点,但面临着参数过多难以率定的问题.PEST是独立于模型的非线性参数估计和不确定性分析的综合软件,能通过尽量少的模型运行次数估计参数.本文应用以ArcView3.2为操作平台的WetSpa分布式水文模型,结合人工试错法和PEST独立参数自动率定程序联合对WetSpa模型进行参数率定,对白盆珠水库流域1992～2001年日径流进行连续模拟研究,取得较好效果.     

黑河流域生态—水文观测试验与水—生态集成管理研究

对黑河流域水—生态—经济系统研究的主要内容“流域生态—水文观测试验与流域水—生态集成管理”做了概要论述。认为流域水循环、生态水、集成水管理三大科学问题的解决必需加强该领域的研究;结合黑河流域的前期基础、研究现状和能力建设,提出了近期研究的4个领域：流域水循环、水平衡与可利用水资源;流域生态—水文过程与生态环境用水;人类活动驱动的流域水—生态系统演变;流域生态—水文野外平台与流域集成环境。对此进行了进一步的阐述,对该方面研究的方法论和技术难点亦做了简述。     

水文模型参数区域化研究进展

参数区域化方法是解决资料缺乏地区水文模拟和预报的有效手段,主要包括回归法、空间邻近法和属性相似法三类方法,可将有资料流域的水文模型参数移用到资料缺乏流域。首先回顾了区域化方法的基本原理和应用方法,并分析了三类主要区域化方法的适用性。从流域特征因子、水文模型及参数、不确定性探讨三个方面综述了区域化方法的研究进展。分析发现,当前区域化方法缺乏完善的理论基础,流域特征因子选择存在主观性,水文模型及参数的适用性方面研究不足。最后展望了未来的研究重点：（1）多维度适用性比较;（2）水文过程和参数的空间分布规律;（3）参数的尺度问题;（4）参数区域化的不确定性问题。     

A distributed water-heat coupled model for mountainous watershed of an inland river basin of Northwest China (I) model structure and equations

It is absolutely necessary to quantify the hydrological processes in earth surface by numerical models in the cold regions where although most Chinese large rivers acquire their headstreams, due to global warming, its glacier, permafrost and snow cover have degraded seriously in the recent 50 years. Especially in an arid inland river basin, where the main water resources come from mountainous watershed, it becomes an urgent case. However, frozen ground’s impact to water cycle is little considered in the distributed hydrological models for a watershed. Took Heihe mountainous watershed with an area of 10,009 km², as an example, the authors designed a distributed heat-water coupled (DWHC) model by referring to SHAW and COUP. The DWHC model includes meteorological variable interception model, vegetation interception model, snow and glacier melting model, soil water-heat coupled model, evapotransporation model, runoff generation model, infiltration model and flow concentration model. With 1 km DTM grids in daily scale, the DWHC model describes the basic hydrological processes in the research watershed, with 3∼5 soil layers for each of the 18 soil types, 9 vegetation types and 11 landuse types, according to the field measurements, remote sensing data and some previous research results. The model can compute the continuous equation of heat and water flow in the soil and can estimate them continuously, by numerical methods or by some empirical formula, which depends on freezing soil status. However, the model still has some conceptual parameters, and need to be improved in the future. This paper describes only the model structure and basic equations, whereas in the next papers, the model calibration results using the data measured at meteorological stations, together with Mesoscale Model version 5 (MM5) outputs, will be further introduced.