基于GIS和RS的喀斯特流域SCS产流模型应用

参数λ是SCS产流模型的一个重要参数,模型研究者将标准值λ=0.2作为模型的参数值。但模型参数没有考虑地貌类型对产流的影响,喀斯特地区不同地貌类型下地表坡度、土层厚度、地层岩性、基岩裂隙的发育程度等方面均存在很大差别,而这些因素都直接影响着流域的产流机制。在考虑地貌类型对喀斯特流域产流影响的基础上,通过率定不同地貌类型下的λ值对SCS模型进行改进。以GIS和RS技术作为获取流域地貌类型、土壤类型和土地利用方式等空间信息的主要手段,运用实测降雨径流资料对参数λ进行率定。由于喀斯特地区很少存在具有单一地貌的流域,仅靠实测数据很难确定各地貌类型的λ值,本文尝试通过对地貌结构与λ值关系的分析确定适合喀斯特流域的参数λ,从而建立起喀斯特流域SCS产流模型。模型在贵州平湖流域的应用结果表明,建立的喀斯特流域SCS产流模型的模拟精度较SCS产流模型有了很大提高,说明建立的喀斯特流域SCS产流模型比较合理,可以应用于喀斯特典型流域。     

LASCAM水文模型在流域生态水文过程研究中的应用——模型理论基础

LASCAM水文模型是一种大尺度分布式概念水文模型,介于高精度分布式水文模型和集总式经验模型之间,是基于亚流域空间单元建立的中等精度的分布式概念模型。LASCAM模型在亚流域空间单元定义了3个概念性土壤水库,在经验方程的基础上:①建立亚流域各土壤水库与亚流域生态特征(LAI)和气候(降雨)之间函数关系;②通过对亚流域的降雨-植冠截流过程、地表产流过程、表层入渗-亚表层产流过程、亚表层入渗过程的模拟,揭示降雨在亚流域的(地表和亚表层)径流和入渗等环节的再分配过程;③基于亚流域各土壤水库的水量(水位)建立了各土壤水库之间的水通量过程方程;④建立亚流域各库的蒸散发与生态特征(LAI)之间的函数关系模拟各库的蒸散发过程。最后,通过河道径流演算法则,并依据亚流域与流域总体之间的分布式关系,将各亚流域的径流汇总到整个流域,从而将亚流域空间的水文响应扩展到流域整体空间上,实现了大尺度异质性流域的水文过程和水量平衡模拟。     

喀斯特小流域分布式土壤侵蚀估算模型

为了准确估算喀斯特小流域土壤侵蚀量,根据喀斯特山区小流域复杂地貌特征、径流与侵蚀产沙在垂直方向上的差异性,以栅格DEM为基础,建立了由水文模块和侵蚀模块组成的喀斯特小流域分布式土壤侵蚀模型.其中水文模块选取了改进的喀斯特流域SCS产流模型进行产流量计算,改进的喀斯特流域DHSVM汇流模型进行小裂隙渗流、大裂隙以及管道(地下暗河)流汇流计算.侵蚀模块考虑侵蚀产沙在垂直方向上侵蚀特征的差异性,在典型区域野外调查的基础上,设计室内模拟试验,并对试验数据进行多元线性回归、逐步回归和多元非线性回归分析,建立不同坡度条件下土壤侵蚀模数的多因子模型(非线性回归模型达到极显著或非常显著水平,0.692＜R2＜0.988)进行产沙量计算,并运用泥沙物质平衡原理完成泥沙输移计算.该模型与GIS结合可实现对土壤侵蚀的时空分布过程进行模拟,为加深对该区域土壤侵蚀过程及模型研究提供参考.     

干旱区降雨、融雪混合补给下的径流模拟研究——以博尔塔拉河上游流域为例北大核心CSCD

降雨和高山融雪是博尔塔拉河河源区重要的产流方式,以博尔塔拉河上游流域为例,综合分析流域近50 a气温、降水和径流变化趋势,引入度日模型,探索干旱区降雨和融雪混合补给径流下SCS-CN模型应用方法。为提高模型模拟精度,采用国产"高分一号"卫星数据,结合RS/GIS平台,为SCS模型参数计算提供大尺度高精度基础数据。利用流域2013-2014年实测降水数据,开展径流模拟,结果表明:修正后降水量参数可满足模型降水量的边界条件;SCS模型模拟值与实测值参数率定期和检验期相对误差系数RE分别为7.3%、12.8%,表明该方法在博尔塔拉河上游具有适用性。     

用遥感资料建立分块产流模型

用遥感资料建立的分块产流模型，充分考虑了降雨的空间分布不均匀性，解决了以往分块产流计划中产流参数难以分块选择的缺陷，提高了产流计算的精度。利用遥感资料提取产流参数，可以从参数与流域自然地理特征关系进行分析，使之更符合水文现象的一般规律，并可用于无资料地区。     

基于DEM的水文物理过程模拟

基于数字高程模型,考虑流域空间的变异性,建立数字高程流域水系模型。产流子单元的划分、河网水系的生成及其空间拓扑关系的建立,是由计算机自动完成。计算TOPMODEL地形指数ln(a/tgβ)_i的空间累积分布曲线,并对其作无量纲化处理,推求各产流子单元的土壤蓄水容量分布抛物线参数B,构建数字水文模型。全球能量与水循环亚洲季风试验强化观测区—淮河史灌河流域实例研究表明:数字模型不仅可以很好地模拟流域出口断面的径流过程,而且能够模拟土壤水分的变化过程,还可十分方便地输出水文要素和状态变量的空间分布。这对充分利用现有观测信息进行水文数据的深层次挖掘奠定了基础。     

基于河链结构和LUCC的分布式流域水文模型及径流响应

为了定量评估土地利用/覆被变化的水文水资源效应,并考虑流域水文效应的空间差异,提出考虑土地利用/覆被变化的分布式流域水文模型。该模型基于Shreve河链概念对流域河网进行单元划分,基于中国科学院土地资源分类系统的一级类型,将流域划分为6种不同土地利用及覆被变化类型;在每一类土地利用及覆被变化面积上,分别考虑蒸发和下渗的差异,并利用蓄满-超渗耦合产流模型计算该面积上的地表径流量和地面以下径流量;利用地貌汇流模型和线性水库模型将每类面积上的地表径流量和地面以下径流量演算至流域出口断面,从而得到流域的水文过程。模型参数包括流域地貌特征参数、产流参数和汇流参数,前者可以根据地理信息系统技术和遥感技术获得,而后者则需要根据流域的水文资料通过最优化方法求得。利用大理河流域1981—1990年的逐日降雨、蒸发及流量资料对该模型进行了参数率定和检验,率定期1981—1987年的水量平衡系数为0.993,年径流深合格率为100.0%;检验期1988—1990年的水量平衡系数为1.230,径流深合格率为66.667%,计算结果表明该模型在大理河流域具有良好的适应性。并以2000年大理河流域的土地利用/覆被状况为基准,计算得到流域的基准径流深为30.36 mm,并对大理河流域未来土地利用情况进行情景分析,为充分发挥小流域(或单元)水土保持措施带来的各种效益提供参考依据。     

基于E-FAST的流溪河模型参数敏感性分析

基于E-FAST全局定量敏感性分析方法的思想,提出一个针对分布式物理水文模型——流溪河模型的参数敏感性分析方法,包括参数简化及取值范围确定、参数采样及采样次数的确定、敏感性评价指标的选取、参数敏感度计算4个部分.针对我国4个不同规模的流域(黄龙带水库流域、流溪河水库流域、长湖水库流域和新安江水库流域)开展了分布式物理水文模型参数敏感性分析,并采用4种不同的评价函数进行了对比计算.结果表明,流溪河模型饱和含水率和田间持水率是高度敏感参数,饱和水力传导率、土壤层厚度、土壤特性系数、边坡和河道糙率为敏感参数,其他参数为不敏感参数.     

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。     

内陆河流域分布式水文模型——以黑河干流山区建模为例

应用常规的气象水文数据并结合GIS, 建立了一个适合西北内陆河山区流域分布式水文模型, 并对黑河干流山区出山径流进行了模拟计算和讨论。模型以子流域作为最小的产流、汇流单元, 将各子流域分为裸地区、乔木区、牧草区和冰川区, 并根据实测剖面资料将土壤分为3层, 各分区单独进行水量平衡计算。产流过程基于蓄满产流理论, 以月和日为步长, 月模型在黑河干流山区流域应用效果较好, 日模型受降水的随机性和观测站点少的限制效果不佳。模型参数敏感性分析发现, 降水资料的代表性是模型模拟成败的关键。月模拟结果表明, 植被覆盖可以调节径流过程, 增加流域土壤储水量, 尤其是乔木森林, 即植被具有涵养水源的功能。在全球变暖背景下, 黑河未来出山径流会有一定程度的增加, 冰雪融水和实际蒸散发也会增加, 永久积雪与冰川面积缩小, 雪线上升, 但近期内不会造成冰雪储量大量减少。     

华北石质山区坡地产流模型

坡地是流域的基本产流单元。对坡地产流模型的研究,可为研究流域的水文过程奠定基础。本文在认识坡地产流规律的基础上,经过对人工模拟降雨试验中取得的产流各个环节(降雨、出流及土壤含水量变化)的数据的分析,建立了一个具有物理机制的简单的坡面产流模型。其中,使用Horton模型模拟入渗和地表产流过程,用水箱模型模拟壤中流过程。模型能够同时对降雨过程中的地表、地下出流和土壤含水量变化过程进行模拟。计算得到的产流总量的误差较小,但在变化过程线上存在一些差异。这些差异主要是由模型对实际情况的简化和假定、数学模拟的局限性、变雨强降雨过程的复杂性等因素引起的。这种分层组合的坡面产流模型对华北石质山区的上层超渗、下层蓄满的产流特征是可行的。本文所做的工作是对华北石质山区分布式水文模型的产流模块的初步尝试。     

考虑土地利用/覆被变化的集总式流域水文模型及应用

为了定量评估土地利用／覆被变化的水文水资源效应，提出考虑土地利用／覆被变化的集总式流域水文模型。该模型基于中国科学院土地资源分类系统的一级类型，将流域划分为6种不同土地利用及覆被变化类型；在每一类土地利用及覆被变化面积上，分别考虑蒸发和下渗的差异，并利用蓄满一超渗耦合产流模型计算该面积上的地表径流量和地面以下径流量；利用地貌汇流模型和线性水库模型将每类面积上的地表径流量和地面以下径流量演算至流域出El断面，从而得到流域的水文过程。模型参数包括流域地貌特征参数、产流参数和汇流参数，前者可以根据地理信息系统技术和遥感技术获得，而后者则需要根据流域的水文资料通过最优化方法求得。利用无定河流域1980-2000年的逐日降雨、蒸发及流量资料对该模型进行了参数率定与检验，率定期1986-2000年的水量平衡系数为0．999，年径流深合格率为100．0％；检验期1980-1985年的水量平衡系数为0．953，径流深合格率为83．3％，计算结果表明该模型在无定河流域具有良好的适应性。对模型产汇流参数进行合理性分析，得出无定河流域不同土地利用类型蒸发能力的相对大小关系为耕地〉林地〉草地〉未利用土地。     

SWAT模型参数敏感性分析及应用

地理信息系统(GIS)支持下的SWAT(Soil and Water Assessment Tool)分布式水文模型以流域离散化空间参数来描述流域水文变化特性,从物理意义上表达流域内的水文过程,但众多不确定的参数影响了模型的应用效果,因此有必要对参数进行敏感性分析。将SWAT模型应用到祁连山黑河上游山区流域,进行了11年(1990-2000年)逐日径流模拟,通过一个简便的敏感性分析方法,将模型影响水文过程的参数分成4类敏感级别,最后确定模型的参数。在11年的逐日模拟中,1990-1995年为参数敏感性分析期和模型率定期,1996-2000年为模型的检验期,模拟结果显示,在黑河山区流域,丰水年逐日出山径流的模型效率系数R2达到0.8以上,平水年和枯水年R2在0.51~0.79之间。     

干旱区降雨、融雪混合补给下的径流模拟研究——以博尔塔拉河上游流域为例

降雨和高山融雪是博尔塔拉河河源区重要的产流方式,以博尔塔拉河上游流域为例,综合分析流域近50 a气温、降水和径流变化趋势,引入度日模型,探索干旱区降雨和融雪混合补给径流下SCS-CN模型应用方法。为提高模型模拟精度,采用国产"高分一号"卫星数据,结合RS/GIS平台,为SCS模型参数计算提供大尺度高精度基础数据。利用流域2013-2014年实测降水数据,开展径流模拟,结果表明:修正后降水量参数可满足模型降水量的边界条件;SCS模型模拟值与实测值参数率定期和检验期相对误差系数RE分别为7.3%、12.8%,表明该方法在博尔塔拉河上游具有适用性。     

基于水文效应的城市增长边界的确定——以镇江新民洲为例

城市增长边界(UGB)是城市增长管理、控制城市无序蔓延的重要工具,但如何科学定量划定城市增长边界一直是一个技术难题。针对目前城市增长边界定量划定研究的不足,提出一种基于城市水文效应,适用于城市内涝易发区的城市增长边界划定方法。该方法整合了元胞自动机(CA)模型与区域水文模型(SCS),通过CA模型预测城市不透水面积的扩张范围与形态,并以此作为城市水文模型的参数,评估城市淹水面积的比例及风险,最后根据风险水平确定城市增长边界。以镇江新民洲为例,实证研究了该地区的城市增长边界的合理划定,研究发现该区域城市扩张规模控制500 hm2之内,城市在最大降雨条件下城市积水面积的风险水平能有效降低。研究结果可为新民洲的水文风险控制及城市规划提供依据,同时可为其他城市增长边界划定提供方法参考。     

HIMS模型参数的不确定性及其影响因素

模型参数的不确定性及影响因素分析对无资料流域水文预报具有重要意义。本文以澳大利亚3 个流域为例,采用GLUE方法分析HIMS模型参数的不确定性,在此基础上探讨流域物理属性对参数取值的影响。研究发现:① HIMS模型9个参数的不确定性都比较大,属于敏感参数;② 降雨量、森林覆盖度和表层土壤最大有效蓄水量大的流域,土壤蓄水容量W_sm取值大;土壤饱和导水率和森林覆盖度高的流域,产流系数R、r的取值较大;温度低、森林覆盖度小的流域,实际蒸散发系数ε取值大;易透水、森林覆盖度高的流域,马斯京根汇流系数C₂取值大。这些结论能为今后在无资料流域应用HIMS模型进行水文预报提供一定参考。     

水文循环模拟中下垫面参数化方法综述

针对水文循环模拟中地形、土地利用覆被等流域下垫面参数化方法众多,且模拟效果相差较大的现状。本文首先根据水文循环模拟中产汇流原理,对常用水文循环模拟中产汇流模拟方法进行汇总和分类;在此基础上,对产流模拟中的降水径流相关系数法、蓄满产流和超渗产流等及汇流模拟中的等流时线、单位线、圣维南方程、马斯京根法等主要模拟方法中地形、土地利用覆被和土壤类型参数化方法进行分析和讨论;根据其中流域地形、土地利用覆被和土壤类型参数化方法对机理过程的描述程度,将其分为无明确表示类、率定型参数类、确定型参数类、物理过程表达类;进而阐明不同参数化方法中流域地形、土地利用覆被和土壤类型对水文循环模拟结果的响应和贡献。最后回归模型本质,阐述水文循环模拟中流域下垫面参数化方法中存在经验关系对复杂机理简单表述的合理性和物理机理过程描述的欠缺性问题,并预估未来水文循环模拟中下垫面参数化方法朝着简洁实用化和复杂机理化两个方向发展。     

基于落水洞的岩溶半分布式水文模型的构建及其应用

以贵州省普定县后寨河流域为例,设计1个分单元计算产流和引入落水洞计算汇流过程的半分布式水文模型,先采用不同计算方法分单元模拟产流,后引入落水洞,计算落水洞的汇流路径,在单元区间和落水洞注入汇流中采用水箱模型和在地下管道和河道汇流中引入Nash瞬时单位线进行汇流演算,利用1988、1989年的资料对该模型进行参数率定和检验.结果表明:该模型在后寨河流域有良好的适用性,流量总量上趋于平衡,径流趋势一致,对洪峰、洪量控制较好.     

SWAT与MODFLOW模型耦合的接口及框架结构研究及应用

目前水文科学研究的热点是采用水文模拟途径,在确定水文变化基准期的基础上,利用流域水文模型还原人类活动影响期间的天然径流量,定量评价气候变化和人类活动对流域水资源变化的影响,得出气候变化及人类活动对流域水循环过程影响的响应规律和机理,其中应用最为广泛的流域水文模型是SWAT模型和MOD-FLOW模型。首先分析将SWAT模型与MODFLOW模型耦合进行地表水与地下水联合模拟的必要性,然后对实现这两种模型耦合中的单元转换等接口问题及框架结构作了重点研究。由于SWAT模型和MODFLOW模型模拟的最小计算单元分别为水文响应单元(HRU)和网格(CELL),使得要实现SWAT模型与MODFLOW模型的耦合必须首先完成HRU与CELL之间的转换,即实现SWAT与MODFLOW模型耦合的接口,因此提出了一种在Arc-SWAT2005环境下实现HRU与CELL转换的方法,给出了SWAT-MODFLOW耦合模型的框架结构,并将该方法应用到浑河与太子河流域,为其进行地表水与地下水联合模拟奠定基础。     

地理研究所径流实验室研究动态

中国科学院地理研究所径流实验室是我国现有两个水文模型实验室之一,主要从事流域产流、汇流物理机制的研究和流域系统研究。到目前为止,该室已经安排了五类实验,为流域汇流非线性研究提供了一些实验数据。