基于REOF的两种卫星降水产品(IMERG和MSWEP)在金沙江流域降水分区尺度精度评估

高时空分辨率降水产品的精度评估是卫星降水用于水文气象干旱等研究的前提。本研究提出在降水分区尺度下评估IMERG和MSWEP两种卫星降水产品的精度,并与不分区尺度(即流域尺度)进行比较。首先采用旋转经验正交函数(REOF)对金沙江流域(JSB)进行降水分区,通过贡献率得出8个分区较为适合。然后识别降水的空间分布特征,发现2种降水产品都可以很好地捕捉降水呈现出的从上游到下游逐渐增加的趋势。最后在日尺度、降水发生概率和极端降水探测能力3个方面对降水产品在分区尺度和不分区尺度的性能进行评估。结果表明,在日尺度上,MSWEP的精度在多数降水分区优于IMERG,被推荐5次(1、3、6、7和8区),集中在流域的中游。同时流域尺度也推荐MSWEP。在降水事件发生概率方面,MSWEP能再现不同等级降水强度的概率密度分布,但过高估计0.1~1 mm/d降水事件的发生概率;而IMERG过高估计小于0.1 mm/d降水事件的概率。在极端降水探测能力方面,流域尺度的KGE值都是正值,且IMERG优于MSWEP,但分区尺度上,KGE值在部分降水分区中存在负值,表明IMERG和MSWEP均不能很好地探测出该区的极端降水事件。本研究成果表明降水分区尺度是必需的,能够更加精细地评估降水产品。研究结果可为具有类似气候条件的卫星降水评估提供参考。

基于时空融合算法的水体叶绿素a反演研究

为了准确反演水体中叶绿素a浓度,以黄柏河东支流域为例,采用STNLFFM时空融合算法,对2017年GF-4和Sentinel-2反射率数据进行融合,以重构Sentinel-2影像的时间序列数据,并对应用算法前后获取的水质参数-光谱特征响应关系建立多元线性回归模型,比较模型对叶绿素a的预测效果以验证时空融合算法的可行性,利用重构后影像光谱特征与水质参数的响应关系建立人工神经网络模型,反演2017年黄柏河东支流域各水库水体叶绿素a浓度。结果表明:利用时空融合算法生成的影像接近真实影像,提高了多元线性回归模型预测叶绿素a的效果,R2从融合前0.659提高至融合后0.844,且基于时空融合算法获取的水质参数-光谱关系建立的人工神经网络模型模拟精度较好,R2和MRE达到0.925和9.461%,反演的叶绿素a浓度空间差异性明显。证明了时空融合算法在水质参数反演过程中具有较好的应用前景。

融合ARIMA模型和MCMC方法的非一致性设计洪水计算

常规非一致性频率分析方法在选择协变量、建立统计参数与协变量的函数关系方面均存在主观性,且仅获得设计洪水估计值,不能同时进行不确定性分析。为改进上述不足,建立了ARIMA-MCMC模型,在贝叶斯MCMC方法抽样过程中考虑统计参数拟合期内的时变性,进而对未来气候变化条件下的非一致性设计洪水频率分布模型参数进行抽样,基于参数后验分布进行设计洪水计算,并推求相应的置信区间。选取雅砻江流域小得石水文站作为分析对象,采用ARIMA-MCMC模型定量评估未来气候变化条件下小得石站设计洪水的变化情况。结果表明:基于ARIMA-MCMC方法的参数抽样收敛效果较好,3种情景下的模型统计量D均小于显著水平5%的临界值;除SSP2-4.5情景下P=0.1%和P=0.05%的设计值外,其他情况的设计最大日流量较历史期均明显增加,其中SSP1-2.6、SSP5-8.5情景下的增幅分别为7.1%~10.5%、13.9%~27.2%。本文建立的ARIMA-MCMC方法能够有效进行非一致性设计洪水频率分析。

基于RSEI指数的长江上游流域生态环境质量时空演变及影响因子研究

为准确、及时地获取长江上游生态环境质量的变化趋势以及演变格局,基于Google Earth Engine(GEE)平台的MODIS系列遥感数据,通过计算长江上游流域生长季5—10月的绿度(NDVI)、湿度(WET)、热度(LST)及干度(NDSI)4个指标,采用主成分分析法(PCA)构建出遥感生态环境指数RSEI,并对长江上游流域生态环境进行评价。结果表明:(1) 4个指标在第1主成分(PC1)上的平均贡献率为71%,表明依据这4个指标在长江上游流域构建RSEI是可行的;(2)长江上游流域RSEI整体呈现显著增加趋势(p<0.05),增加速率为1.1×10^(-3)/a,具体可细分为两个阶段,分别是快速增长期(2000—2010年),其速率为5.9×10^(-3)/a,以及增速放缓期(2010—2020年),其速率为3.9×10^(-3)/a;(3)长江上游流域生态环境质量以优和良为主,且表现为南部比北部好及东部比西部好的空间分布格局;(4) 2000—2010年流域生态环境质量改善明显,改善面积占34.7%,2010—2020年改善面积与退化面积接近,两者仅差1.3%左右;(5) 2000—2020年长江上游流域RSEI变化趋势为正的像元面积占长江上游流域总面积的64.7%,其中显著退化的区域主要集中在嘉陵江下游地区;(6)生态环境质量主导自然影响因子在2000年为热度>绿度>湿度>干度;2010年依次为绿度>热度>湿度>干度;2020年依次为绿度>湿度>热度>干度。综上,利用GEE平台能快速、准确地监测长江上游流域生态环境质量,近21年来流域生态环境质量整体呈改善态势,但针对嘉陵江下游生态退化现象需要引起政府重视,尽快提出一系列生态修复措施,防止其生态环境进一步恶化。

淮河息县流域不同土地利用类型的水沙贡献率研究

深入研究不同土地利用方式对流域水沙过程的影响,对流域水土流失防治和生态环境管理具有重要意义。利用息县站1996-2003年实测月径流与月泥沙资料,建立息县流域SWAT模型,根据SWAT模型模拟结果,统计不同土地利用类型下产流产沙量对全流域的贡献率;然后将SWAT模型的各子流域产流产沙模拟数据作为随机森林回归模型所需的输出变量,使用随机森林回归模型评估不同土地利用类型对径流和泥沙过程的重要度。结果表明:①SWAT模型精度较高,径流和泥沙率定期和验证期的决定性系数R2、纳什系数NSE均大于0.75,偏差百分比PBIAS为-1、-5.6和5.1、9.6,模型适用于息县流域径流与泥沙模拟;②流域内土地利用类型对产流过程与产沙过程的贡献率排序分别为林地>旱田>水田>草地,旱田>水田>草地>林地;③随机森林回归模型的各阶段的决定性系数R2基本大于0.5,拟合效果较好;随机森林回归模型得到的不同土地利用类型对流域水沙过程的重要度排序与SWAT模型模拟计算得到的不同土地利用类型对水沙过程的贡献率排序基本相同,说明了利用SWAT模型计算不同土地利用类型对水沙过程的贡献率的准确性较高。综上,耕地对息县流域的水沙贡献率最大,本研究的方法同样可应用于其他流域,以得到不同流域内不同土地利用类型的水沙贡献率,为流域内的高效水土保持治理提供参考。

澜沧江流域卫星产品降尺度与融合方法

卫星降水产品具有覆盖范围广、更适用于无资料区域的优势,但分辨率较低、精度不足,为获取高时空分辨率、高精度的降水数据,需对卫星产品进行降尺度,并与地面观测数据融合,以提高数据质量。以澜沧江流域为例,在综合考虑地形、地理和植被等要素的基础上,建立地理加权回归(geographic weighted regression,GWR)模型对热带降雨测量卫星(tropical rainfall measurement mission,TRMM)和基于人工神经网络的遥感降水估计-气候数据记录(precipitation estimation from remotely sensed information using artificial neural networks-climate data record,PERSIANN-CDR)产品进行空间降尺度,再采用集合卡尔曼滤波算法,将地面气象站点经反距离加权插值法(inverse distance weighted,IDW)插值后的数据作为融合算法观测值,对降尺度后的TRMM、PERSIANN-CDR数据进行融合,以进一步提高降水数据精度。结果表明:1)相比TRMM卫星降水产品,PERSIANN-CDR降水产品对澜沧江流域降水的捕捉能力更弱,但降尺度后两者卫星产品数据精度都有较显著的提升;且两类产品在旱季(11月至次年4月)的精度评估效果相较于雨季(5月至10月)更为明显,表明GWR方法能显著提升这两类卫星降水产品对旱季降水的监测效果。2)对比其他学者的研究表明,对降尺度后的产品进一步使用集合卡尔曼滤波算法,最终得到的融合结果极好,并改善了卫星产品高估降水的现象。综上所述,该研究所使用的降尺度与融合方法,能够显著提升数据空间分辨率与精度,最终得到与地面观测降水数据相关性极高的高空间分辨率卫星产品结果。

湖北省土壤有机碳垂直分布及储量估算

土壤有机碳空间分布和储量估算是全球碳循环和气候变化的关键研究领域之一。该文利用湖北省第2次土壤普查资料,研究了省内13种土壤类型地表以下1 m内的有机碳的含量、密度和容重的垂直变化规律,并估算分层(5层)和整体的有机碳储量。结果表明:对研究的所有类型的土壤,它们的有机碳的含量和碳密度均随土壤深度增加而下降,容重随深度增加而变大;湖北省有机碳储量总量为1.1Pg,其中表层土壤为0.385 Pg,占总有机碳储量的35%;所研究的13种土壤类型中,紫色土的有机碳碳密度最小(为3.41 kg/m^2),山地草甸土最大(为32.46 kg/m^2),全省平均碳密度为12.87 kg/m^2,高于全国平均水平(10.53 kg/m^2),说明湖北省植被覆盖率较高,土壤有机质积累较多,有利于生态改善和农业生产。

新安江模型参数的局部灵敏度分析

新安江模型是我国应用广泛的一种降雨径流流域模型,适用于湿润和半湿润地区。新安江模型参数较多,人工率定时需要首先率定对模拟结果影响最为敏感的参数,因此对参数进行灵敏度分析是必要的。采用水文模拟法和摩尔斯分类筛选法,对清江流域1989年9月30日至10月5日次洪水进行径流模拟,并让参数变化一定的步长,用Nash系数对模拟结果的精度进行评定,从而反映出参数的灵敏度。结果表明,最灵敏的参数是FC和Cg;Kc和WM是灵敏参数;b对峰值流量是高灵敏参数,而对径流总量来说是灵敏参数;WUM,WLM,WDM,C和IMP是不灵敏参数。

BP网络泛化能力的改进及在径流预测中的应用

采用提前停止法对BP预测模型的泛化能力进行了改进,并在清江流域进行了实例应用。结果表明:提前停止法能够提高网络的泛化能力,使预测达到更好的效果,并且精度更高;该方法划分样本的标准还需要作进一步研究。

三峡水库汛期分期方法研究

利用宜昌站1882—2005年共124 a及6月1日—9月30日共122 d的日流量资料作为汛期分期的基本资料,采用矢量统计法和相对频率法对三峡水库汛期进行了分期。结果表明:矢量统计法能够将汛期划分到日,但有一定的限制性;相对频率法比较直观,但分期只能精确到旬;6月1—30日为三峡水库前汛期,7月1日—9月10日为水库的主汛期,9月11—30日为水库的后汛期。

汛限水位动态控制方法在三峡水库的应用

以三峡水库为例,针对汛期水库在单一汛限水位下运行导致洪水资源浪费问题,基于1882~2005年的汛期实测日流量资料,应用成因分析和统计分析法将汛期分为3期,分别推求分期的设计洪水,采用规范调洪演算方法和考虑年内洪水统计特性变化规律,确定了汛限水位动态控制变幅,提高了水库水资源的利用率。

预蓄预泄模型在三峡水库动态控制中的应用

三峡水库位于湖北宜昌三斗坪,6月中旬至9月下旬来水量约占全年来水量的61%,洪水则主要集中在7月、8月的主汛期。为了避免出现汛后无水可蓄和充分利用洪水资源,汛期调度时,采用汛期水位动态控制比单一水位调度更能够充分发挥水库的防洪发电效益。随着水文气象预报手段的发展,延长了预报的有效预见期,为预蓄预泄调度提供时间。本文利用宜昌站的汛期日流量资料作为基本资料,对汛期进行分期和确定汛期水位动态控制变幅范围,进而对有代表性的单峰型、双峰型、多峰型洪水在变幅范围内分别采用预蓄预泄模型进行调度,结果显示发电效益增加1%左右。

目标函数对HEC-HMS模型参数率定的影响研究

以清江流域(渔峡口以上)为例,采用分布式水文模型HEC-HMS研究了模型参数自动率定功能,并选取参数优化的目标函数,以探讨目标函数的选取对模型模拟结果的影响,并分析其原因。结果表明,峰值加权均方根误差目标函数的模拟效果最佳,为选取其他洪水模拟参数优化目标函数提供了理论依据。

降雨空间插值方法及在清江流域的应用

将普通克里格法、协同克里格法和反距离加权法3种空间插值方法应用于清江流域的降雨空间插值,比较了它们的应用效果,并分析了它们插值效果不同的原因.其中协同克里格法在应用时考虑了海拔高度对降雨量插值结果的影响.结果表明,两种克里格方法的插值结果的误差要远远小于反距离加权法,并且插值所得到的等雨量线更光滑.对于两种克里格方法,协同克里格法要优于普通克里格法,前者比后者的MAE值要小10%.反距离加权法明显不如两种克里格法的原因是该方法不能准确反映相邻站点的空间依赖关系.而协同克里格法优于普通克里格法是因为协同克里格插值法考虑到了地形对降雨量的影响,因而更适用于清江流域这样的山地流域.

平滑最小值法与数字滤波法在流域径流分割中的应用比较

将平滑最小值法和2种数字滤波法应用于三峡水库的日入库流量的基流分割,比较了3种方法的基流分割效果.结果表明,数字滤波法优于平滑最小值法,所得的地下径流更平滑,更符合流量过程线退水段的物理规律;拥有2个参数的数字滤波器对总径流序列的高频信号的平滑作用要优于拥有1个参数的数字滤波器,所获得的地下径流序列更为稳定,变化性小,更适用于三峡大坝坝址以上的大流域的基流分割.

基于BP网络的河道径流预报方法与应用

河道径流预报过程可以认为是一种复杂非线性函数关系的逼近过程。BP网络具有表达任意非线性映射的特性，因此建立了基于MATLAB神经网络工具箱的BP网络的径流预报模型。其中采用自相关函数确定网络输入层的神经元数，通过比较样本均方误差值来确定隐含层的神经元数。利用清江渔峡口以上流域1989—1995年的径流量资料对该模型进行了训练和检验,从而完成了该流域年径流量的预报，并且用多项精度评定指标对其进行了精度定量评价。结果表明：所建模型对所选流域的径流预报精度达到了乙等以上水平，具有一定的实用性。

基于最小二乘法的绳套型水位流量关系最优定线研究

汛期河道的水位流量关系通常呈绳套型,对其进行高精度的定线是洪水资源实施高效管理的基础。传统的定线方法效率低,误差大,因而本文使用最小二乘法为优化方法,对绳套型水位流量方程进行优化定线。首先,Saint-Venant方程中的迁移惯性项和局地惯性项被去掉以简化方程,附加比降被引入以使方程能够拟合绳套型曲线;然后,简化后的方程通过取对数、多项式展开和幂级数展开被线性化;最后应用最小二乘法估计线性化方程中的参数。对3个案例的应用结果表明,所获得的定线方程能有效拟合观测的水位流量曲线,对拟合结果的偏离符号检验、适线检验和偏离数值检验均符合水文资料整编规范中的定线精度要求,说明将最小二乘法应用于绳套型水位流量曲线的优化定线是有效的。

基于SRTM DEM的月降水量空间插值方法研究

利用ArcG IS地统计模块中的反距离权插值法、径向基函数插值法、克里格插值法和协克里格插值法,对清江流域1998年4—9月的月降水量进行了插值研究。结果表明:考虑高程、坡度、坡向等地形因素的协克里格插值法比其他3种方法具有更好的插值效果。

三峡水库中期优化调度方法研究

以建成后的三峡水库为研究对象，开发了一个基于入库径流预报的水库中期优化调度模型．所开发的优化模型使用离散动态规划法作为优化算法，模型中包括长期优化模块（时间跨度为一年，优化时段为一个月），中期优化模块（时间跨度为3～7d，优化时段为1d），和长中期优化模块之间的耦合环节．长期优化模块所输出的是月平均库水位，它被设定为中期优化模型所使用的离散动态规划法的终止状态，以此实现长中期优化模型的耦合．应用此优化模型进行三峡水库调度模拟的结果显示，这种耦合机制的设计是成功的：长期优化的库水位轨迹能很好地指导中期优化调度．利用开发的优化模型，研究了具有不同预见期的入库径流预报对发电效益的影响效益．发现在7d以内，入库径流预报的预见期越长，所获得的年发电量越大．在7d的预见期下，年发电量最大可达理论年最大发电量（8．85×10^10kW·h）的85％．

瞬时单位线参数的率定与递归更新对地面径流模拟结果的影响

在用瞬时单位线进行流域净雨的坡面汇流计算时,需要先率定其2个参数:线性水库的个数n及单个线性水库的调蓄系数K.传统参数率定方法为矩法,研究表明,使用矩法率定所得的瞬时单位线对地面径流的模拟精度较差,需要对参数进行更新.提出了一个用于瞬时单位线参数更新的递归公式,并研究了参数更新次数对流域地面径流模拟精度的影响.递归方程的推导是针对地面径流过程线的2个主要特征值:洪峰流量和峰现时间,使模拟的洪峰流量和峰现时间尽量接近观测值.应用结果表明,递归公式能够获得比矩法更高的地面径流模拟精度;但应用递归公式的次数不能太多,当超过2次时,模拟精度反而会降低.分析原因认为,递归公式推导的原理,是使洪峰流量和峰现时间的模拟值尽量接近观测值,以它们之间偏离的程度来调整参数n、k的值,但对整个地面径流过程的模拟精度的评判需要考虑整个地面径流过程,而不仅仅是洪峰流量和峰现时间,这是更新次数不应过多的原因.