基于NRIHM的分布式水文模型在湿润流域的应用

分布式水文模型是水文模型的发展趋势,南京水文研究所模型(NRIHM)是架构灵活的集总式水文模型,为探索基于NRIHM的分布式水文模型在湿润流域开展水文模拟的可行性与适应性,在湿润地区南大洼—沙河集嵌套流域开展了相关研究。首先基于NRIHM产流模型构建思路构建了一层产流模型与二层产流模型,利用天然试验流域观测成果进行了栅格点尺度的产流模拟验证,对比模拟结果发现二层-抛物线的组合方式模拟效果更优。基于此种产流计算方法,构建了具有二层土壤结构的分布式水文模型,以长江滁河水系沙河集水库以上集水区为研究流域开展应用,率定期和验证期平均确定性系数分别为0.80和0.86,平均洪峰、洪量相对误差也均低于20%,表明该模型能够较好模拟实际径流过程,初步证明了该模型在湿润地区具有较好的适用性。

基于GPU加速的分布式水文模型并行计算性能

针对具有物理机制的分布式水文模型对大流域、长序列模拟计算时间长、模拟速度慢的问题,引入基于GPU的并行计算技术,实现分布式水文模型WEP-L(water and energy transfer processes in large river basins)产流过程的并行化。选择鄱阳湖流域为实验区,采用计算能力为8.6的NVIDIA RTX A4000对算法性能进行测试。研究表明:提出的基于GPU的分布式水文模型并行算法具有良好的加速效果,当线程总数越接近划分的子流域个数(计算任务量)时,并行性能越好,在实验流域WEP-L模型子流域单元为8712个时,加速比最大达到2.5左右;随着计算任务量的增加,加速比逐渐增大,当实验流域WEP-L模型子流域单元增加到24897个时,加速比能达到3.5,表明GPU并行算法在大尺度流域分布式水文模型计算中具有良好的发展潜力。

基于分布式水文模型的水源涵养不同功能评估方法——以渭河涵养区为例

为了实现水源涵养量计算和不同功能的综合评估,基于分布式水文模型(WEP-L)提出了一种新方法,即利用WEP-L模型计算次降水过程中降水量和地表产流、冠层截留量的差值作为水源涵养量,并分别评估削洪(地表径流量)、补枯(地下径流量)、维持植被生态系统用水(植被蒸腾量)等不同水源涵养功能的评估方法。为了验证该方法的合理性,以渭河流域咸阳站以上区域为例,对比了该方法和InVEST模型方法的计算结果,由于两种方法在评估内容和使用模型上都存在差异,为了保证计算结果的可比性,先对比了基于相同评价内容的WEP-L模型法I和InVEST模型方法,再对比了基于不同评价内容的WEP-L模型法I和WEP-L模型法II,结论如下:基于相同评价内容的WEP模型法I和InVEST模型法计算结果数值接近,研究区2000—2018年水源涵养量年均值分别为12.43 mm(5.76亿m~3)和12.08 mm(5.6亿m~3),两种方法所得结果空间分布特征相似,稍有差异之处与InVEST模型的参数没有经过本地化处理有关;基于不同评价内容的WEP-L模型法Ⅰ和WEP-L模型法II计算结果数值相差较大,研究区2000—2018年水源涵养量均值分别为12.43 mm和432.57 mm,空间分布特征上有差异的地方分布于研究区的北部、东部及东北部,主要与两种方法评价时是否考虑蒸散发有关。WEP-L模型法II评估结果中削洪、补枯、维持植被生态系统用水等功能多年变化趋势分别为:2006—2010年期间增加、2012年以后下降以及增加。2012年后补枯功能和维持植被生态系统用水功能之间可能存在权衡关系。通过不同方法计算结果差异原因分析,证明了基于WEP-L模型的不同涵养功能评估方法的合理性,其结果也可为渭河涵养区水资源和生态保护策略的制定提供更多依据。

基于水热平衡的分布式水文模型研究与应用

分布式水文模型在水利部“四预”建设中发挥了至关重要的作用,但无径流资料区(简称无资料区)分布式水文模拟技术仍需进一步完善。从水热循环产汇流理论、模型构建与求解、模型参数率定三个方面入手,改进传统分布式水文模型。提出了耦合热量平衡的流域产汇流理论,揭示了水量热量动力学过程耦合机理和水热循环通量量化关系。构建了系统完整的物理机制水热平衡分布式水文模型及其数值求解方法,实现了流域地表温度和水位的分布式数值模拟。明确了模型结构和参数的物理意义,降低了需要率定的参数个数。将参数率定目标由径流量转换为地表温度和水位,综合利用遥感反演和台站观测资料率定模型参数。将研发的模型在江西赣江流域进行应用,结果表明,构建的模型具有较强的物理机制,数值求解方法精度高、稳定性好,实现了无资料区参数率定和水文模拟,为无资料区分布式水文模型研发与应用提供了新思路。

基于分布式水文模型的内蒙古自治区小流域洪水分析技术研究与应用

山丘区在经历短时强降雨时,极易暴发山洪,由于内蒙古自治区小流域水文资料匮乏,导致其预报难度大。对内蒙古自治区全部小流域进行整合分析,重新划分了5935个小流域分区作为洪水预报分析单元,针对不同下垫面和气候条件分析各小流域分区的产汇流特性,以分布式水文模型集群为主对小流域洪水进行分析研究。选取锡伯河试点流域进行应用分析,在该试点流域内洪水模拟预报精度良好,能够满足地区小流域洪水预报预警需求。此研究成果可逐步在内蒙古自治区范围内进行试用推广,为全区防洪减灾提供科学依据。

岩溶分布式水文模型构建与应用

为了使分布式水文模型能够更好地应用于岩溶地区,针对岩溶地区的水文特性,对分布式模型加以改进,建立了一套可用于岩溶地区的分布式水文模型,并讨论了改进后的模型汇流时计算时间步长与最优计算次序对汇流的影响。模型构建时考虑到了岩溶地区的地下水中裂隙水与管道水对流域汇流的影响,从而对模型加以改进,使模型在物理意义上与汇流实际情况更加接近。以广西凤山县乔音河流域为例,对改进后的模型进行了应用研究,结果表明改进后的模型可以较好地模拟岩溶地区的降雨径流过程。

基于分布式水文模型的水土保持水文水资源效应研究

水文变化与影响机制颇为复杂,水文模型的出现与应用使得水文研究以及水资源规划更为便捷。其中分布式水文模型更是地理工作者的研究热点,并取得了显著进展。本文则借助水文模型分析水土保持水文水资源效应,简述分布式水文模型,重点结合实例探究水土保持水文水资源效应,旨在丰富此类水文模型的水土保持水文水资源效应研究,为相关工作提供参考。

分布式水文模型在“22.6”北江特大洪水中的应用研究

为提升精细化洪水预报能力,强化数字孪生流域建设基础支撑,将基于物理机制的分布式水文模型应用于“22.6”北江特大洪水模拟和分析。结果表明,该模型对北江流域内29个水文站点的洪水过程和洪峰流量模拟效果良好,较好反演了“22.6”北江洪水过程,在北江流域具有较好的适用性;经飞来峡水库断面入库洪水还原分析,北江上游三大水库和飞来峡水库联合调度有效削减了下游洪峰流量。分布式水文模型的应用,有助于提升精细化洪水预报能力,强化数字孪生流域建设基础支撑。

基于RAGA的分布式水文模型参数分类优化方法研究

计算效率低及异参同效(局部优化)是分布式水文模型参数优化研究中存在的主要问题。本文基于RAGA(基于实数编码的加速遗传算法),提出一种分布式水文模型参数分类优化方法,将需要率定的参数根据物理意义分成若干类,逐类进行优化。这种方法可降低待优化参数的维度,一方面可以提高优化计算的速度,另一方面可以在一定程度上逼近全局最优,减少异参同效的问题。本文采用分布式水文模型WEP-L(Water and Energy Processesin Large Scale Basin)模型,针对黄河流域玛曲水文站以上区域1997—2000年逐月流量过程进行参数率定,并对2006—2016年系列进行验证。对比参数不分类优化方法,发现采用参数分类优化方法后,WEP-L模型参数优化的速度提高37%左右,纳什效率系数(NSE)从0.739提高到0.829。说明参数分类优化方法既可以节约时间,又可以保证优化算法的全局性,提高模拟的精度。

CASC2D分布式水文模型异构并行算法研究

针对CASC2D模型精细化水文模拟时面临的计算耗时长、效率低等问题,在保持产汇流算法和流域拓扑结构的基础上,采用CPU+GPU的异构并行算法对CASC2D模型程序进行重新设计和优化,模型程序中的降雨、产流、坡面汇流和河道汇流过程均优化为并行计算,以提高CASC2D模型的计算效率。将优化后的CASC2D模型应用于前毛庄流域的洪水流量过程模拟,计算结果与原CASC2D模型保持一致。在栅格分辨率为30 m,计算步长为3 s时,与原CPU串行计算方法相比,并行加速比达到34倍以上,并且栅格单元数据精度越高,加速比提升越明显。异构并行算法可在不降低模拟精度的条件下显著提升CASC2D模型的计算效率,满足实时水文预报的应用需求。

分布式水文模型参数群组敏感性快速定量评估研究

为提高分布式水文模型参数敏感性分析的效率,首次结合RSMSobo方法,对分布式水文模型SWAT模型进行参数群组的敏感性分析。结果表明:其下垫面综合影响参数CN值对SWAT模型水量目标影响程度最高,其参数群组的敏感度均值为0.52,计算单元坡比SLOPE对洪水过程影响程度最低。研究成果对于分布式水文模型参数群组的敏感度快速分析具有重要参考价值。

基于流域分布式水文模型构建的实践应用研究

水文地质建模是研究水文地质流程循环规律的重要工具,根据建模对下游空间离散影响的不同,将流域水文建模分成集总式和分布式。与集总式模型比较,散布式流域水文建模由于充分考虑了降水、下垫层等因素的时空不均匀性,对水文循环流程的描述也更加接近于真实环境,是现代水文建模发展的必然趋势。分布式模型自面世以来就在全世界得到了广泛的重视,是当前水文科学研究发展的热点之一。文章系统总结了分布式水文模型的研究历史和应用现状,系统分析了模式发展中存在的重要问题和难点,并对分布式水文模型的发展进行了预测。

分布式水文模型在黄河流域的应用

流域的水资源规划和管理都离不开水资源的定量化评估。而准确评估流域的水资源量,尤其是在大流域,必须明晰不同气候、地形、土地利用等自然条件下的水文循环过程。同时农业灌溉及水库调节等人工的直接取水和调控使水文过程变得更为复杂。仅依靠气象及水文观测数据,已很难拟合出单一的降雨-径流关系来模拟和预测流域水资源的时空分布。这时就需要一种新型水文模拟手段,它可以利用地理信息来描述流域的空间不均一性,并基于物理控制方程来描述水文过程,这就是分布式水文模型。作者介绍了这种模型及其在黄河流域的应用。

分布式水文模型亚流域合理划分水平刍议

不同的亚流域划分对流域径流和泥沙负荷模拟的影响源于地形、土壤、土地利用以及气候特征输入的空间分布不均匀性。假设当亚流域划分充分考虑流域输入数据空间分布不均匀性时,流域模拟的输出结果趋于稳定,并应用分布式水文模型——SWAT作为研究工具,在GIS技术支持下,选择两个面积不同的流域采用不同的亚流域划分数量进行流域径流和泥沙负荷模拟。模拟结果表明,当亚流域划分数量达到一定水平时,增加亚流域划分对模型输出结果的影响较小,这在一定程度上证实了上述假设。在此基础上,以简化模型输入数据和输出结果分析处理工作且保证模拟精度为原则,对分布式水文模型亚流域划分的合理划分水平进行了探讨。

黄河流域分布式水文模型开发和验证

研究目的是开发和验证大流域分布式水文模型,为黄河流域水资源评价和演化规律分析服务。在综合了分布式水文模型和陆面过程模型各自优点的基础上,开发出模拟对象为“天然—人工”二元水循环系统的WEP-L模型。该模型以“子流域内等高带”为计算单元,并用“马赛克”法考虑计算单元内土地覆被的多样性,避免了采用过粗网格单元产生的模拟失真问题。针对各水循环要素过程时间尺度不同的特点,计算时采用了1h至1d的“变时间步长”,既合理表述了水循环动力学机制又提高了计算效率。将全黄河流域划分为具有空间拓扑关系的8485个子流域和38720个等高带,采用45年(1956～2000年)水文气象系列数据及相应下垫面条件进行了模拟计算,并根据黄河流域主要水文站逐月和逐日径流系列进行了模型校验。验证结果表明,所构建的模型具有较高模拟精度,可应用于黄河流域二元水循环过程模拟和水资源演变规律分析。

黄河流域分布式水文模型初步研究与进展

结合国家重点基础研究规划项目"黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理"的研究,综述了黄河流域分布式水文模型研究的主要进展,包括分布式水文模型的特点和基本结构、分布式水文模型中的数字高程模型(DEM)和水文学基础、地理信息系统(GIS)和遥感(RS)在分布式水文模拟中的应用等方面的内容,对未来分布式水文模型的研究提出几点认识。

基于DEM的分布式水文模型在大尺度流域应用研究

本文选取空间大尺度黄河河源区流域为研究对象,利用分布式水文模型进行径流量模拟,采用1976～1985年唐乃亥水文站逐年、月实测径流资料进行参数率定,确定模型的基本参数,得到了较好的模拟效果。模拟结果表明气候变化是引起黄河河源区径流变化的主要原因。在80～90年代的20年间,黄河河源区由气候变化引起径流减少62.11亿m3,占径流变化总量的108.72%,由土地覆被变化引起径流增加5.73亿m3,增加量占径流变化总量的10.03%。

基于DEM的分布式水文模型构建方法

基于 DEM的分布式水文模型是现代水文学同高科技 (如计算机技术、 3S技术等 )相结合的产物 ,是研究变化环境下水文循环与水资源演化规律的理想工具 ,代表了水文模型的最新发展方向。从 DEM的特性出发 ,本文探讨并总结了分布式水文模型的特点、建模思路和模型基本结构框图。在流域离散化方面 ,重点介绍了分布式水文模型常用的三种单元划分方法 ;最后 ,针对分布式水文模型构建问题 ,从“输入模块”、“单元水文模型”、“河网汇流模型”三方面 ,阐述了分布式水文模型微结构构建方法。

分布式水文模型EasyDHM(Ⅰ):理论方法

介绍了自主开发的分布式水文模型EasyDHM的空间单元离散方式、主要理论模块以及相应的模型软件系统MWEasyDHM。EasyDHM的空间离散采用通用子流域划分算法,很大程度上扩展了分布式水文模型的通用性。同时,它支持多种产汇流算法,还支持用户对主要产汇流参数的敏感性分析和参数优化,以优化模型模拟效果。

亚流域划分对分布式水文模型模拟结果的影响

本文以GIS技术为支持,选择黄河下游支流洛河卢氏水文站以上流域为研究区域,应用分布式水文模型SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)在不同的亚流域划分数量条件下进行流域产流和产沙模拟,进而分析亚流域划分对分布式水文模型模拟结果的影响,结果表明:(1)产流量随亚流域数量的增加而增大,变化幅度较小;产沙量随亚流域数量的增加而减小,变化幅度较大;(2)存在一个亚流域划分水平,当超过此水平时亚流域数量的变化对产流量和产沙量几乎没有影响。根据计算流域产沙量的MUSLE方程,分析了由于亚流域划分数量变化对流域产沙的影响,发现在研究区内其主要原因为MUSLE中径流项对亚流域划分数量变化的响应,其次是土壤可蚀性因子、植被覆盖和管理因子和地形因子参数值的统计变化。