雅鲁藏布江流域的分布式水文模拟及径流变化分析

针对雅鲁藏布江流域,依据100m网格的数字高程模型DEM,基于分布式水文模型GBHM原理,构建了3km网格的分布式水文模型.模型采用次网格参数化方法处理了网格内水文参数的非均一性,并完整地模拟了1960～1998年的水文过程.结果表明,模型较好地模拟了河道的径流过程,并可根据模型模拟的结果分析流域径流等水文要素的变化趋势.     

TOKASIDE模型及其在洪水预报中的应用

分布式物理水文模型是当前国际水文研究中的热点和难点问题,是解决资料短缺流域水文预报问题的有效途径.以正交网格降雨径流模型研究为基础,针对分布式TOPKAPI(托普卡匹)模型中存在的汇流方向概化、产流模式单一、水库调蓄影响等问题,提出了基于地形运动和蓄满超渗产流模式的网格化分布式物理水文模型TOKASIDE.本文描述了T...     

基于DEM的等流时单元法在大流域分布式水文模型中的应用

等流时单元法是一种具有物理基础同时又非常简便的分布式流域汇流模型。若能应用于大流域,会显著提高大流域分布式水文模型的计算能力,可以扩展其在大流域分布式水文模型中的应用,降低其限制性。采用基于DEM的等流时单元法进行坡面汇流计算,即坡面汇流经河流两侧并入河道,河道汇流使用扩散波方程（USGS的河道汇流程序包SFR1）,将其推广到大流域分布式水文模型的应用之中。该方法与二维坡面汇流的扩散波数值方程相比较,能够节省计算时间。在伊通河中下游较大流域上试用结果表明,农安站计算与实测流量的最大相对拟合误差为13%,模型月流量Nash-Sutcliffe效率系数为0.9。等流时单元法用于大流域分布式水文模型的坡面汇流是可行的。     

一个网格型松散结构分布式水文模型的构建

根据流域降雨径流的基本过程,以蓄满产流理论为基础,建立了一个网格型松散结构的分布式流域水文模型。模型将流域离散为包含河道与不包含河道两种类型的单元格,以协克里金方法插值得到空间离散的降雨输入,考虑的产汇流物理过程包括降雨、植被截留及蒸散发、单元格产流、单元格汇流及河网汇流。模型结构简单,参数较少,在充分利用植被覆盖类型图及土地利用类型图的基础上,能够获得大部分参数的选用值。通过在长江三峡区间沿渡河流域的实际应用,模型计算成果令人满意。     

分析Nudging对辽宁地区降尺度的影响

利用分析Nudging方法,选取辽宁省2015年7月和10月作为夏季和秋季代表月份,开展不同分辨率嵌套网格上的分析同化试验,研究在不同分辨率的嵌套网格上使用分析Nudging对地面要素降尺度模拟的影响。结果表明,采用分析Nudging后,可以明显减小WRF模式模拟高空要素与大尺度背景场的差异,使模式在长时间的积分过程中能够与大尺度背景场保持很好的一致性,且在12 km和4 km分辨率上均采用分析Nudging相对于仅在36 km分辨率嵌套上采用分析Nudging效果更好。对于地面要素影响方面,不同分辨率嵌套网格采用分析Nudging相对于控制试验均可以提高地面2 m温度、相对湿度、10 m风速和降水的模拟准确度。总体来看,分析Nudging应用于12 km分辨率上的降尺度效果整体最优,当进一步在4 km分辨率嵌套上使用分析Nudging后,反而使得模式对温度、降水的模拟变差,说明在区域气候降尺度中,考虑大尺度背景场本身的分辨率,不宜在高分辨率嵌套网格上进一步采用分析Nudging。     

VIC模型汇流方案的改进

VIC模型作为具有物理基础的大尺度水文模型得到了广泛应用,然而其现行汇流方案无法用于场次洪水的模拟。本文采用单位线法和Maskingum-Cunge法对模型的汇流方案进行了改进。以时段气象数据驱动VIC模型进行产流计算,以所改进的汇流方案进行汇流演算,对西江南宁以上流域的场次洪水过程进行了模拟,结果表明,改进的汇流方案可以较好的模拟出口断面的洪水过程,并对洪水的空间演进过程具有一定的描述能力。     

黄河小花区间暴雨径流过程分布式模拟

提出了一种松散偶合型结构的分布式水文模型,模型以小时为时段,主要用于洪水模拟。模型构建在DEM的基础上,由数字流域、单元网格模型、河网汇流模型、水库调蓄模型和图形用户界面(GUI)等5部分构成。通过GUI可以实现模型的输入、参数选择和运行输出。模型适用于人类活动较少的、半湿润和半干旱地区,在黄河小浪底-花园口区间洛河卢氏以上流域得到应用。     

考虑重力侵蚀影响的分布式土壤侵蚀模型

黄土高原地区的土壤侵蚀具有水力侵蚀和重力侵蚀相伴发生的特点,在大多数针对黄土高原的侵蚀模型研究中未考虑重力侵蚀的影响,使得模型的模拟精度较差。针对黄土高原的侵蚀特点,采用量化影响重力侵蚀发生的主要因素,确定重力侵蚀发生的具体沟道栅格单元的方法,从而考虑了重力侵蚀对产输沙过程的影响。所建立的分布式土壤侵蚀模型以逐网格汇流的水文模型为基础,采用逐网格侵蚀输沙的模拟方式,能够模拟上方来水来沙对侵蚀输沙的影响。经小理河流域实测资料验证,模型具有一定的计算精度。     

气候变化对径流影响的模拟

建立了气候-陆面单向连接模型,通过降尺度模型处理GCMs的输出结果,连接到分布式水文模型计算径流,以山西省为例进行了不同情景下未来径流变化趋势的分析.不仅使用了分布式的产汇流,而且提出了在网格上使用回归分析的植被系数综合反映该单元与蒸发有关的下垫面状况.简要验证了5个GCMs输出结果在山西省的适应性:气候模型对气温的模拟较好,对于降水更多的具有定性的揭示长期演变趋势的性质.比较分析了不同气候模型在不同排放情景下径流的状况,未来50a山西省径流的最可能的变化趋势是径流随气温的升高将逐步减少.     

流域坡面汇流研究现状述评

对当前坡面汇流计算方法的研究进展进行了较为系统的总结与分析,并对坡面汇流的非线性效应以及城市低影响开发中的雨水入渗与蓄集对坡面汇流的控制作用进行了简要分析。从模型简单实用的角度出发,认为以流域时间-面积关系与线性水库相串联的ModClark法等为代表的概念性分布式坡面汇流模型具有良好的发展前景;考虑到基于等流时单元的变动等流时线法在反映雨强非线性影响中存在的问题,认为根据水文响应单元在不同雨强条件下汇流时间的变化,调整其汇流参数以反映坡面汇流的非线性效应,对于流域坡面汇流的分布式模拟更具有实际意义;针对目前低影响开发设施长时间序列大空间尺度的室外降雨径流监测资料普遍较为缺乏的现状,给出了后期应积极选择合适的技术以加强低影响开发性能监测工作的建议。     

分布式水文模型的GPU并行化及快速模拟技术

分布式水文模型对流域水文过程的应用深度及广度不断加深,常与数值天气及气候预报相结合,面临巨大的计算量。近年来GPU技术的进步使普通电脑能够实现高效而又廉价的并行计算。提出了资料插值、单元产流以及单元汇流采用GPU并行计算,马斯京根法河道汇流采用一种非并行的递归方法。基于笔记本电脑和NVIDIA GPU/CUDA结合C#语言,由分布式新安江模型在沂河流域的模拟应用表明,降水量空间插值及新安江产流的并行执行效率为普通CPU上C#的8~9倍。使用直接递归法实现马斯京根汇流演算比以往采用汇流次序表的执行效率提升0.5~0.9倍。     

城市雨洪模拟技术研究进展

从对水文过程描述的角度对城市雨洪模拟技术进行了回顾,认为管网汇流阶段算法较为成熟,而产流和坡面汇流阶段还有待深入研究.从模型构建思想的角度回顾其发展历程,阐明了经验性模型和分布式概念性模型的局限性以及分布式物理模型的良好发展前景.通过总结国内外几个具代表性城市雨洪模型的特点,从特定模型的角度进一步分析城市雨洪模型的现状,并指出中国与国外模型研究的差距.对与城市雨洪模拟精度密切相关的基础数据收集与管理技术进行了讨论,并提出了城市雨洪模拟技术的发展方向.     

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。     

考虑动态汇流路径的时变分布式单位线

针对现有分布式单位线汇流理论未考虑土壤含水量变化引起的时变汇流路径问题,提出动态汇流路径新概念,推求同时考虑降雨强度和土壤含水量时空分布的坡面流速计算公式,引入地形指数刻画流域蓄水能力空间分布,从而获得栅格尺度流域流速分布场,进一步建立不同蓄满状态下流域动态汇流路径集合,最终实现考虑动态汇流路径的时变分布式单位线推求。以龙虎圩和东石流域为实例,通过SCS模型计算产流量,采用本文所提方法进行汇流计算,引入涵盖低流量误差、高流量误差及洪量误差的多目标优化方法率定参数,2个典型流域28场洪水预报结果表明,洪峰流量相对误差在±15%内,峰现时间误差在±6 h之间,纳什效率系数平均值超过0.8,与现有方法相比,所提方法能更加准确地反映汇流时间分布场,提高了洪水预报精度。     

基于GPU加速技术的非结构流域雨洪数值模型

为高效高精度地模拟流域雨洪过程,应用动力波法求解二维圣维南方程,并耦合水文过程,建立了包含流域降雨产流、汇流、下渗以及洪水演进等过程的高性能流域雨洪数值模型。该模型的优势在于使用非结构网格,可较好地处理不规则边界,准确贴合复杂地形表面,使得模型能精确计算模拟流域雨洪过程,同时引入GPU技术加速计算,使得大尺度流域雨洪计算成为可能。最后,将模型应用于V型经典算例及2个实际流域雨洪算例,所得结果与实测吻合较好,计算所用时间较短,表明该模型可以快速且精确模拟流域雨洪过程。研究结果有助于实现对实际流域雨洪灾害进行合理高效的预测,为应急抢险工作提供有力支撑。     

基于分布式水文模型的中小河流洪水预报技术

中小河流大多位于资料短缺的山丘区,洪水具有突发性强、汇流时间快、预见期短以及分布广的特点。中小河流洪水预报首要目的和任务是预警预报,预报方式应以自动预报为主,以实现及时预警,最大程度地避免人员伤亡,减轻灾害损失。本文分析了中小河流洪水预报的特点与难点,提出了中小河流洪水预报的思路及实用预报模型与方法,开展了基于分布式水文模型的中小河流洪水预报技术在新安江上游屯溪流域预警预报中的应用研究,以期为当前所开展的全国中小河流洪水预警预报系统建设提供参考。研究表明:分布式水文模型是资料短缺地区中小河流洪水预报的有效方法,基于分布式水文模型的洪水预报技术能够满足中小河流洪水自动预警预报的生产需要。     

山丘区变动产流层分布式水文模型

基于山坡水文试验的新认识, 提出变动产流层概念, 将壤中流的描述从单一的土壤层间拓展到土壤-风化基岩界面, 通过对壤中流形成及发展过程的精细刻画, 实现了蓄满-超渗产流及其转换机制的统一描述。基于变动产流层概念, 根据运动波模型理论, 推导了单元网格的超渗/饱和地面径流、壤中流的计算公式, 利用非线性水库计算地下径流量, 采用二维扩散波进行地表汇流、一维扩散波进行河道汇流, 建立了面向山丘区的变动产流层分布式水文模型(VRGL)。对典型湿润山丘区的屯溪流域2010—2019年共24场洪水进行模拟, 结果显示: 洪峰流量和洪量的相对误差均在±20%内, 确定性系数在0.84左右, 表明VRGL具有较高的精度, 可用于山丘区洪水预报。     

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...     

从水文学产汇流角度分析碱坪沟“8·13”泥石流特征

本研究以四川省都江堰市龙池镇碱坪沟泥石流流域对象,基于HEC-HMS流域分布式水文模型,利用RS和GIS技术提取流域产汇流参数,模拟分析碱坪沟8·13泥石流的暴雨汇流过程,结合流域内土地利用类型分布,模拟降雨-径流关系,并综合考虑泥石流的相关特征参数,利用情景分析法探讨泥石流流域内的土地利用类型变化对泥石流汇流过程的影响关系。     

冰川流域径流估算方法探索——以科其喀尔巴西冰川为例

利用科其喀尔巴西冰川2005年6月至2006年5月水文、气象资料,并结合15 m融合TM、1∶[KG-*2]50000地形图、FY 2C数值产品和NCEP/NCAR再分析资料等,构建了10个简单、具有一定自主创新意义的分布式冰川融水径流模型（空间分辨率60 m）,较好地模拟了研究冰川流域的日平均流量。结果表明,利用FY 2C总云量资料并结合辐射传输参数化方案能够较好地估算流域太阳入射短波辐射;单独利用总辐射有直接估算大型冰川流域某段时期融水径流的可能。气温与冰川末端流量呈指数关系,度日因子模型更适合于消融季节;提出的基于单元格气温和海拔的简单消融模型有望改进度日因子模型。在气温指数模型中加入太阳辐射调整系数,能够更好地估算冰川融水径流。简化分布式能量平衡模型能够反映大型冰川融水径流的变化;单层汇流方案在一定程度上能够概化托木尔型冰川的汇流过程。