基于VIC模型的三峡库区流域小时尺度实时洪水预报

VIC模型在流域面积大于3 000 km^(2)的大型流域日或月尺度洪水模拟中表现出良好的适用性,而在大型流域小时尺度实时洪水预报过程中的适用性尚未得到验证。以三峡库区大型流域为例,通过建立小时尺度VIC分布式洪水预报模型,构建三峡库区流域实时滚动洪水预报方案,将VIC分布式洪水预报模型实地化部署并应用于2022及2023年三峡库区实时洪水预报。结果表明:VIC模型应用于2014—2021年三峡库区各子流域历史洪水模拟,率定期和验证期的洪量、洪峰平均合格率均在80%以上,确定性系数均值在0.70以上,构建的VIC分布式洪水预报模型在三峡库区及其子流域洪水模拟中表现出良好的适用性;在2022及2023年三峡库区4场典型洪水的实时洪水预报中,径流深和洪峰的平均相对误差达到16.3%和5.0%,重点产流区产流量平均相对误差为7.8%,能够准确把握库区重点产流区的洪量及来水过程,因此VIC模型在大型流域小时尺度实时洪水预报中具有较大的应用潜力。

基于VIC模型的金沙江流域水文要素分析和径流预测研究

[目的]金沙江流域是西南高山峡谷区的重要生态区域。在全球气候变暖背景下,预测并评估金沙江气候及未来径流变化对流域尺度的水土流失防治、防洪减灾和水土资源规划具有重要意义。[方法]基于VIC模型模拟金沙江流域的水文过程,对CMIP6全球气候模式下的2种排放情景(SSP2-4.5、SSP5-8.5)的20个气候模式及多模式集合平均(MMEA)的数据进行降尺度处理,预测2015-2100年径流变化趋势。[结果](1)历史径流模拟显示,模型模拟值与实测值的纳什效率系数超过0.6,BIAS(相对偏差)绝对值控制在0.15以内,表明VIC模型适用于模拟金沙江流域水文过程;(2)VIC模型模拟的水文过程分量显示,降水量从上游到下游递增,蒸散发在中下游较高,地表径流和基流的多年平均值从上游到下游递增,且存在显著差异;(3)基于EEMD(集合经验模态分解)的统计降尺度方法对比单模式和(MMEA)的模拟结果发现,观测数据与MMEA匹配度最高。在未来SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下,模拟结果显示高辐射高排放情景(SSP5-8.5)下水文要素变化更显著,尤其是蒸散发增加趋势明显。[结论]径流量模拟显示,SSP2-4.5情景下年平均径流量变化不明显,而SSP5-8.5情景下年平均径流量呈小幅增长趋势。未来年内月径流量在SSP5-8.5情景下大多数月份高于SSP2-4.5情景。研究结果以期为金沙江流域水资源评估与管理、生态综合治理提供一定参考依据。

VIC模型与SWAT模型在中小流域径流模拟中的对比研究

结合GIS与RS技术的分布式水文模型已成为当今水文界研究的重点。从气象与水文水资源学科交叉的角度对分布式水文模型VIC模型与SWAT模型进行研究,并将其应用于白莲河流域,以此探讨该模型在中小流域的适用性。模拟结果表明,VIC模型与SWAT模型在白莲河流域率定期与检验期的模拟效果相差很小。SWAT模型的效率系数与相关系数略高一些,SWAT模型的模拟效果比较平均,每年相差不大;但VIC模型在1995年和1999年模拟效果明显好于其它年份,尤其在2002年,VIC模型模拟的洪峰与实测的相差较大,从而影响总体的效率系数偏低,而SWAT模型模拟的更接近实测值。研究结果表明两种模型对于我国中小流域的径流模拟具有一定的适用性。

基于VIC模型的逐日土壤含水量模拟

基于VIC（Variable Infikration Capacity）大尺度水文模型，采用实测的日降水和日最高、最低气温数据，模拟了近35年（1971～2005）全国范围30km×30km分辨率的逐日土壤含水量。文章利用43个流域的实测流量资料，率定模型水文参数，建立和验证水文参数移用公式，确定无资料地区的水文参数。选取全国范围内的28个站19年的土壤含水量实测值，对模拟的土壤含水量进行了验证。结果表明，VIC模型较好地模拟了土壤含水量，尤其是在湿润和半湿润地区。模拟的0～100cm的土壤含水量多年平均值与实际的全国土壤水分分布较为一致。

用VIC模型模拟黑河上游流域水分和能量通量的时空分布

受地形起伏影响,山区流域的水分和能量通量时空分布差异很大.利用水文模型VIC(variable infiltration capacity)对黑河上游流域的水文和能量时空分布进行了模拟,并通过观测对模拟结果进行了验证.结果表明:VIC模型能够较合理地模拟研究区径流过程,对净辐射的计算也较准确,模拟得到的部分水分通量和能量通量(感热、潜热和土壤热通量)在趋势上较一致,但在数量上存在偏差.积雪过程对研究区的水文和能量循环有重要影响,VIC模型对积雪的模拟偏差较大,导致了每年4月左右的模拟径流偏低,也没有模拟出积雪融化导致的土壤含水量上升;同时,积雪模拟的不准确也明显影响到能量通量的模拟.在研究区,土壤水分变化受土壤冻融影响明显,VIC模型对气温较高、不发生冻融过程的7-9月土壤水分变化模拟较好,但是在其他月份,对积雪及表层土壤消融导致的土壤水分迅速增加和土壤冻结导致的土壤水分迅速减少两个过程的模拟比较差;VIC模型能够给出水分和能量各通量的时空分布,较好地揭示研究流域各个通量的空间异质性及相互影响.

基于土壤属性的VIC模型基流参数估计框架

"异参同效"现象是水文模型参数率定过程中的一个难题。为了减少需要率定的模型参数个数,从而降低模型参数的相互作用,构建了利用土壤属性直接估计VIC(Variable Infiltration Capacity)模型3个基流参数的框架,并在3个位于不同水文气候条件下的典型流域中作了实例研究。传统的VIC模型参数估计方法需要率定6个参数;而在新的参数估计框架下,需要率定的模型参数从6个减少为3个。蒙特卡罗模拟结果表明新的参数估计框架提高了参数的敏感性。同时,新的参数估计方法模拟的径流过程和之前通过率定得到的径流过程差别很小。GLUE(Generalised Likelihood Uncertainty Estimation)方法分析得到径流模拟的不确定性结果表明:新的参数估计框架计算径流的90%置信区间要明显小于传统方法,而且对于低流量的模拟效果更加明显,也就是说采用新的参数估计框架可以显著降低径流模拟的不确定性。这种基流参数估计方法可以被应用于其他相似的水文模型中。

VIC模型与新安江模型径流模拟对比研究

分别选取VIC模型与新安江模型作为分布式和集总式水文模型的代表,以太湖上游山区西苕溪流域为例,以Nash-Suttcliffe效率系数为目标函数,用SCE-UA(shuffled complex evolution algorithm)自动优化算法进行参数自动率定,探究不同结构的模型在径流模拟中的差异性.模拟结果表明:VIC模型和新安江模型在该地区日降雨径流模拟中都表现出了较好的适用性,率定期模型效率系数分别为0.76和0.77,验证期分别为0.84和0.82;但是在月时间尺度上,VIC模型和新安江模型则表现出了较大的差异,率定期分别为0.78和0.87,验证期则分别为0.85和0.91;从月均方根误差和平均绝对误差来看,新安江模型也表现了更好的模拟性能.从丰水(25%)、平水(50%)和枯水(25%)三个流量等级探究VIC模型和新安江模型的模拟及预测效果,结果显示:VIC模型在丰水时模拟较好,新安江模型在平水和枯水时模拟较好,尤其是在低流量时,模拟能力远优于VIC模型.

VIC模型在流域径流模拟中的应用

为了进一步加深对流域径流形成机理的认识,将VIC模型的径流模拟理论与方法应用在栾川、王瑶和尚义3个半干旱半湿润区流域,研究和探讨了径流模拟结果。结果表明:①VIC模型考虑了入渗、蒸发、土壤湿度、径流产生在计算区域内的变化;②从径流模拟的结果可以看出来,对于越靠近湿润地区的流域,并不是模型越复杂模拟精度越高,而是模型越简单往往有比较高的径流模拟精度;而对于半干旱地区的流域,考虑超渗机理的模型模拟精度要比不考虑超渗机理的模型模拟精度高,但混合机制的VIC模型计算过程比较复杂;③对考虑了两种产流机制的VIC模型以及兼容模型的研究,有助于进一步认识流域上的径流形成过程,尤其对于半干旱半湿润流域上的径流形成过程。

基于VIC模型的拉萨河流域分布式水文模拟

通过构建大尺度分布式VIC(variable infiltration capacity)模型,对拉萨河流域的水文过程进行了模拟,并以拉萨水文站为控制站点对模型进行率定和验证.结果表明:日尺度上,率定期和验证期的Nash-Suttcliffe效率系数(ENS)、确定性系数(R2)、相关性系数(r)基本都在0.80以上;月尺度上,3个指标达0.90以上;空间上,网格水量相对误差都小于1%.表明VIC模型能够较好地应用于拉萨河流域,适用性较好.VIC模型的构建,为研究气候变化对拉萨河流域水循环的影响奠定了基础.

基于VIC模型与集合卡尔曼滤波的土壤水分同化研究

基于可变下渗能力水文模型(Variable Infiltration Capacity,VIC)和集合卡尔曼滤波(Ensemble Kalman Filter,EnKF)算法发展了一种土壤表层水分的数据同化方案,并在新疆维吾尔自治区的森林、高盖草和低盖草3种植被覆盖类型地区进行试验。在同化过程中,有强降水存在时,3种植被覆盖类型的同化值均比实际测量值高;降水较少时,高盖草和低盖草两种类型的同化值比实际测量值略低,而在森林地区,同化值比实际测量值略高。总体上,该同化方案得到的结果比VIC模拟得到的结果更接近于实际测量值,取得较好同化效果。

VIC模型在三江源地区产汇流模拟中的应用

基于大尺度陆面水文模型VIC模型,以纳什效率系数、相关系数及相对误差为评判标准,对三江源地区产汇流过程进行了模拟分析。结果表明:三江源地区产流存在明显的时间和空间分布,产流主要发生在6～9月与降水的空间分布相吻合,且受东亚季风的影响,产流量随纬度的升高而减小;VIC模型能较好地模拟三江源地区年内及年际流量的变化过程,具有较高的模拟精度,具体表现为纳什效率系数在0.65～0.80之间,黄河源区、长江源区、澜沧江源区相对误差分别为-0.3%、8.8%、-15.2%,可见VIC模型在三江源地区具有较高的适用性,能用于该地区水文过程的模拟及气候变化对水资源影响的研究。

水量平衡与能量平衡模式下的VIC模型在喀什河流域的应用研究

【目的】寻找合适的拟合模式。【方法】以天山西部山区的喀什河流域为研究区,基于1990―2000年的水文气象站点实测资料和同时间段的CFSR再分析数据,通过VIC模型模拟日和月时间尺度下水量平衡和能量平衡2种模式的径流过程,并分析了研究区内2种模式下空间分布差异较大的水文要素。【结果】在日和月时间尺度下,能量平衡模式的径流模拟效果在模型的率定期与验证期均优于水量平衡模式;依据实际气候和地理条件,因为缺乏对降雨和降雪的条件判断,并且未能够考虑到冰冻圈层对产汇流的影响,致使水量平衡模式不能够详细合理地解释水文要素的空间分布特点与差异性。【结论】总体而言,VIC模型能量平衡模式能够更好地模拟研究区径流过程及水文要素的空间分布特征。

VIC模型在西北干旱半干旱地区的应用研究

以黑河莺落峡流域为例,分析了陆面模式VIC能量平衡模式与水量平衡模式在干旱、半干旱地区水文模拟的适用性。实例结果表明,在干旱、半干旱地区,能量平衡模式比水量平衡模式的模型模拟效果更好,对实际蒸发的计算精度更高。

基于VIC模型的气候变化对红水河上游流域径流影响研究

为研究红水河上游流域未来径流变化特征,利用VIC模型和全球气候模式(GCMs)对3种典型排放情景下的流域未来径流的变化进行了模拟研究。结果表明:红水河上游流域未来的年平均径流量明显减少,且6~9月径流量明显减少,未来年平均径流量比历史基准期平均径流量减少约14.32%~34.33%;径流量在流域西部的山区增加明显,而在中东部的河谷平原地区减少较多;在未来径流总量减少的情况下,流域出口不同重现期的年最大日流量主要表现为增加,流域出口处的龙滩水库入库洪水上升的可能性较大,水库防洪风险增加,径流性水资源可控性和利用率降低。研究结果可为研究区的水资源管理提供参考依据。

基于VIC模型的天然径流还原研究

具有一致性的水文径流系列是进行水资源评价、水利水电工程设计的基础,然而随着人类活动的不断加剧,水文观测系列的一致性遭到了破坏。针对传统径流还原工作量大、难以解决因下垫面变化引起的径流变异等问题,提出了基于VIC模型的天然径流还原方法,并在漳河上游进行了应用。结果表明:基于VIC模型的天然径流还原方法在漳河上游具有较好的适用性,模型率定期和验证期与传统径流还原方法的相对误差都在5%以内,两者拟合Nash-Sutcliffe效率系数均在0.80左右。

基于VIC模型构建的综合干旱指数在黄河流域的应用

【目的】研究黄河流域年内和年际尺度的干旱特征,为评估干旱、半干旱地区极端气候提供参考。【方法】基于VIC模型划分0.5°×0.5°经纬网,结合黄河流域多年降水资料,将子流域所有网格日径流取均值,采用GPP(Gringorten plotting position)算法构建非参数多变量综合干旱指数(Non-parametric multivariate standardized drought index,NMSDI),并在黄河流域进行了实例应用。【结果】(1)在6个月尺度上,干旱初期NMSDI指数与标准化降水指数(Standardized precipitation index,SPI)类似,末期与标准化流量指数(Standardized streamnow index,SSI)类似。(2)黄河上游及北部干旱较其他区域更为严重,旱灾风险春夏高、秋冬低。(3)黄河流域年内和年际的NMSDI指数以降低为主,但R/S分析表明,降低的趋势在未来有所减缓。(4)黄河流域年际NMSDI系列趋于稳定,仅渭河流域在1991年出现突变,可能是气候变化与人类活动耦合的结果。【结论】与传统的干旱指标相比,NMSDI综合了气象、水文干旱指标的特点且不依赖于假设的分布函数,可以有效捕获干旱状态,同时避免了不同指标之间不能直接比较的不足,在研究流域有较好的适用性。

基于VIC模型的滦河流域综合干旱指数的构建与应用

干旱频发已成为严重制约社会经济可持续发展的重要因素,但由于干旱形成机理复杂,影响因素众多,目前尚无公认普遍适用的干旱指数,因此寻找并构建适用于研究区的综合干旱指数成为当前研究的热点和重点。本文以滦河流域为研究对象,选取1960-1979年为研究期,通过对降水距平百分数、相对湿润度和由VIC模型的中间变量-土壤含水量计算得到的土壤相对湿度指数进行主成分分析,构建了适用于该流域的综合干旱指数,对研究期的旱情进行了评价,并与标准化降水指数(SPI)、帕默尔指数(PDSI)的评价结果进行比较,验证其适用性。结果表明:基于VIC模型的综合干旱指数能较好地评价滦河流域历史旱情。该研究在提升海河流域干旱监测和评价能力方面具有一定的理论与实用价值,也为其它流域的干旱评价具有参考价值。

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。

基于VIC模型与SWAT模型的径流模拟对比研究

首先对VIC模型与SWAT模型进行了简介,然后将两个模型应用到湖北省白莲河流域,探讨其在中小流域尺度的径流模拟中的适用性,同时进行径流模拟的对比研究。利用白莲河流域的水文气象数据、DEM数据、植被类型和土壤类型等资料,经过数据的收集整理建立白莲河流域的VIC模型与SWAT模型。采用1995-1999年汛期(4-10月)作为模型参数的率定期,2002-2004年汛期(4-10月)作为模型参数的检验期。研究结果表明:两个模型基本能够反映白莲河流域的日径流水文过程,具有一定的适用性。

基于均匀设计法的VIC模型参数率定

【目的】用新方法对大尺度分布式水文模型VIC的参数进行率定,为水文模型参数率定提供新的思路。【方法】采用均匀设计理论对传统的率定区间进行重构,确定最优组合,并对渭河流域的林家村、张家山以及流域出口断面水文站的径流进行模拟调试。【结果】将基准期需要率定的6个参数转化成一个6因素10水平的组合,仅通过10次率定就使各站的Nash系数达到0.85以上,总量精度误差控制在5%以内,能够满足工程精度要求。【结论】与其他参数率定方法相比,均匀设计原理在保证模拟效果的同时可以极大地减少工作量。