喀斯特流域分布式水文模型及植被生态水文效应

根据喀斯特流域多孔介质与裂隙水流特征,建立了达西流、裂隙渗流与槽蓄汇流演算相结合的混合汇流演算模式,实现了对分布式水文-植被-土壤模型(DHSVM)的改进。利用贵州普定喀斯特生态水文试验站陈旗小流域观测资料,对模型计算的流量过程及植被截流、蒸散发及土壤含水率时空分布进行验证。结果表明,模型能较好地模拟喀斯特流域陡涨、陡落的流量过程。同时,模型能模拟出土壤含水率、实际蒸散发与降雨、下垫面岩溶裂隙、植被覆盖的响应关系,对分析中国南方喀斯特地区下垫面变化条件下的生态水文效应具有重要意义。

土壤数据对分布式流域水文模型模拟效果的影响

基于空间半分布式的SWAT模型和全分布式的WetSpa Extension模型,分析了高分辨率的SoLIM数字土壤数据和美国SSURGO传统土壤数据对流域径流空间分布式模拟和总量模拟的影响。结果显示:利用不同土壤数据得到的产水模拟结果在空间上差别明显,但模拟径流总量的差别随着模拟面积的增大而逐渐减小。根据实验结果,对于注重空间分布的模拟目的,需要较详细输入数据的支持;对于总量模拟,则可随模拟面积的增大而适当放宽对输入数据分辨率的要求。

基于DEM的分布式流域水文模型及应用

提出了一个基于数字高程模型(DEM)的分布式流域水文模型,主要用来模拟湿润地区的蓄满产流机制。通过建立土壤蓄水能力和地貌指数的关系来描述蓄水能力的空间分布。坡面流流向采用多向流法来决定。应用结果表明,该模型模拟流量过程的精度较高,与三水源新安江模型、TOPMODEL基本相当;而且模拟的土壤蓄水量的空间分布也基本符合水文规律。

森林流域分布式水文模型研究

构建了森林流域基于物理过程的分布式水文模型。该模型界面明晰,参数较少、容易获取,具有明确的物理意义,而且能模拟降雨、气温、植被、冻土和地形等因素对系统水文过程的影响。通过改变模型中降雨输入和森林植被组成等参数的方法可以探讨森林生态系统水文过程对降雨输入和森林植被变化的响应。

蓄水容量曲线设定分布式霍顿模型土壤含水量初值

分布式水文模型对土壤含水量的空间描述能力对土壤墒情模拟、分布式输出等具有重要的意义。但分布式水文模型的土壤含水量空间分布计算,需耗费大量的计算资源。为了提高分布式模型的计算效率,从定性的理论分析和定量的数据比对2个方面,证明蓄水容量曲线和分布式模型中逐单元土壤含水量序列的相关关系,并建立了二者之间的转换公式,据此可以将面平均的土壤含水量转换为空间分布的土壤含水量。用离散蓄水容量曲线法设置分布式模型的土壤含水量初值,并与传统模型预热法进行比较,结果表明两种方法得到的土壤含水量空间分布总体趋势完全一致,次洪模拟效果相同,并且节省了大量的计算资源,极大地提高了分布式模型的计算效率。

黑龙江流域分布式水文模型研究

黑龙江是高纬度寒区界河,防洪问题突出,模型研究较少。本文建立黑龙江流域空间信息库,构建了基于物理机制的黑龙江流域分布式水文模型GBHM-HLJ。其中引入冻土导水率随冻融期温度指数型变化的概化模型,模拟土壤冻融循环对水分运移的影响。率定期和验证期10个主要站点日均流量模拟的Nash-Sutcliffe效率系数均在0.73以上,月均流量模拟的决定系数在0.82以上。模拟的流域平均雪水当量逐月数据与2014—2019年FY-3C卫星遥感反演数据进行对比,决定系数为0.83。干流控制站哈巴罗夫斯克站1960—1990年日均流量模拟的Nash-Sutcliffe效率系数为0.90,历年最大日均流量模拟的决定系数为0.72。黑龙江流域分布式水文模型为研究流域水文规律和干支流洪水特征提供了基础。

物理性分布式水文模型参数灵敏度分析在Bukuro流域的应用

以日本Bukuro流域为例,运用Morris筛选法结合误差评价基准,对自主构建的径流-融雪耦合分布式水文模型中物理参数进行灵敏度分析.结果表明:影响降水-径流过程的土壤参数灵敏度由大至小依次为土壤垂直剖面第一层层厚、横向透水系数、垂向渗透系数、糙率;影响融雪过程的融雪参数灵敏度由大至小依次为容积传输系数、温度修正系数、积雪层表面漫反射因数;土壤垂直剖面第一层参数主要影响径流量的计算值,而土壤第二层参数值会影响模拟结果与观测值之间的时间差.本研究方法可为物理性分布式水文模型构建、验证及其在中小尺度流域应用中的参数率定提供借鉴.

分布式水文模型中多源数据的应用

长江为中国的第一大河流，全长6300km，呈东西长、南北短的狭长形；流域地形复杂，地区气候差异明显；流域内降水充沛，但分布很不均匀；中下游水系复杂，洪水威胁十分严重，洪灾频繁。2002～2004年长江水利委员会与瑞士政府合作开展“长江防洪预报援助项目”，引进分布式水文模型PREVAH和遥感、地理信息系统等，开展了基于遥感、地理信息系统的分布式水文模型在长江三峡地区的试验研究。以PREVAH为例，简单介绍了该模型的基本框架，重点介绍了分布式水文模型对空间数据、气象数据、水文数据等多元信息的应用，对提高水文模型中多元数据应用水平、改善预报精度具有较大的借鉴和参考价值。

基于分布式水文模拟的流域土壤水分时间稳定性分析

针对大范围地面土壤水监测会耗费大量人力物力等问题,为了获取密度较高同时又准确可靠的流域土壤水数据用于时间稳定性分析,寻找可以反映流域土壤水平均状况的代表性点,利用分布式水文土壤植被模型(DHSVM)模拟淮河黄泥庄水文站以上小流域293个采样网格上、中、下三层土壤含水量数据。结果显示:垂向方向上,黄泥庄流域土壤水分时间稳定性随深度递减;流域上层和中层具备时间稳定性特征的代表性点具有较高的一致性,易发生于流域主要土壤和植被类型覆盖区域,在此区域布设测点观测土壤水,可以更准确快速地捕获代表黄泥庄流域上层和中层平均土壤水分特征;采样点7、17和215可作为上、中层土壤的流域平均土壤水代表性点,利用它们预测流域土壤水平均值,可降低观测成本。研究成果可为流域土壤水监测方案设计提供参考。

植被—土壤—水文相互作用及生态水文模型参数的动态表述

植被与土壤、水文之间存在复杂的相互作用,是生态水文模型和植被变化生态水文效应评估研究的重点.虽然陆面植被指数等动态变化对流域截留、蒸散发等水量、能量平衡项影响已有较多研究,但植被地下生物量变化如何改变土壤结构和水力特性,进而影响入渗和径流等水文过程研究相对缺乏.本文综述国内外植被变化对土壤、水文动态变化特征研究成果基础上,分析植被变化水文响应的阈值效应和尺度效应、植被变化下的土壤水力参数时变特征定量表述及其与植被、土壤类型以及气候条件的关系.在生态水文模型中,考虑植被因子对土壤水力参数影响的动态表达可以提高植被变化下水文效应模拟和预测的可靠性.

多源遥感数据与水文过程模型的土壤水分同化方法研究

提出一种基于集合卡尔曼滤波的一维数据同化系统,对不同深度土壤层的水分含量进行同化,该系统的模型算子为分布式水文模型,观测算子是积分方程模型和条件温度指数模型.于2008年6月1日至7月2日在黑河流域进行了同化实验,结果表明,集合卡尔曼滤波能较好地处理强非线性问题,与单独DHSVM模型模拟土壤水分含量相比,同化的表层和根层土壤水分含量精度有明显提高,其中盈科站表层的均方根误差和平均误差分别减小了0.021 7和0.032 9,根层的均方根误差和平均误差分别减小了0.019 3和0.025;临泽站的精度也有明显提高,表明多源遥感数据的同化在地表土壤水分含量的估计中具有较大的潜力.

流域植被与土壤导水系数对青弋江流域水文影响的数值试验

为了揭示植被覆盖以及土壤导水系数变化对流域水文的影响,用陆面模式SSiB4与动态植被模型TRIFFID和流域地形指数水文模型TOPMODEL的耦合模型(SSiBT/TRIFFID)进行流域植被覆盖与土壤导水系数变化对流域水文影响的数值试验。结果表明:①植被类型明显影响流域地表能量平衡和水量平衡;②流域森林植被能明显减小一般洪峰流量,但对大的洪峰流量没有减弱作用;③减小土壤导水系数将明显增加地表径流和减小基流。

LAI和FVC植被参数对VIC模型土壤含水量模拟的影响研究

植被参数是分布式水文模型的重要输入参量,对径流、土壤水分等水循环参数的模拟具有显著的影响。论文以西藏那曲为研究区,对比分析了MODIS遥感数据估算的叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)、植被覆盖指数(Fractional vegetation cover,FVC)两种动态植被参数对VIC水文模型模拟表层土壤含水量(0~15 cm)的精度影响。结果表明,与使用静态植被参数相比,基于MODIS的动态LAI及FVC驱动的VIC模型模拟的表层土壤含水量的精度显著提高,且冰冻期的改善尤为明显,偏差Bias从0.101 cm^3·cm^(-3)下降至0.032 cm^3·cm^(-3),均方根误差RMSE从0.135 cm^3·cm^(-3)下降至0.071 cm^3·cm^(-3),相关系数R从0.483上升至0.836。进一步分析表明,两种植被参数对VIC模型的表层土壤含水量模拟精度都有一定的影响,但FVC的影响更显著。

考虑土壤膨胀性的流域水文模型应用研究

目前分布式水文模型在进行流域水文过程模拟时,还未考虑土壤膨胀性对降雨入渗的影响,这会造成模型模拟失真,制约着流域分布式水文模型的适用性。对传统降雨入渗产流模型(TGAM)进行修正,引入膨胀性土壤导水系数和膨胀性土壤饱和含水量,提出考虑土壤膨胀性影响的降水入渗产流模型(GJGAM),并将其应用到流域分布式水文模型WEP-L模型中。最后,以南小河沟流域作为研究区域,选择十八亩台断面为控制断面,分别利用改进前、后的WEP-L模型模拟研究区的降水径流过程,对比验证WEP-L模型改进后的适用性。结果表明,利用改进前后的WEP-L模型,率定期内研究断面的月径流模拟值与实测值的相对误差变化不大,但Nash-Sutcliffe效率系数显著提高。验证期内相对误差减小,Nash-Sutcliffe效率系数提高。通过考虑土壤膨胀性对降雨入渗的影响,WEP-L模型对南小河沟流域降雨入渗过程的模拟效果明显改善,具有较好适用性。

多源遥感土壤湿度产品与水文模拟结果的时空对比分析

为实现土壤湿度连续准确的时空刻画,在不同气候条件下进行多源遥感土壤湿度产品(SMOS、ASCAT、ESA CCI、SMAP)与分布式降雨径流模型模拟土壤湿度时空对比研究。考虑到遥感数据与模型模拟数据时空匹配度上的差异性,将遥感原始表层土壤湿度(Surface Soil Moisture,SSM)和预处理后的剖面土壤湿度(Profile Soil Moisture,PSM)与分布式水文模型模拟的PSM分别进行对比。对比所用时间尺度为日尺度,空间尺度为流域尺度和栅格尺度。研究区域为湿润气候条件下的渠江流域和半干旱气候条件下的伊洛河流域。结果表明,在同一流域内当分布式水文模型土壤湿度模拟能力较高时,SMAP反演PSM与模型模拟值一致性较高,相关系数达到0.8,相对其他遥感产品其准确度较高。研究成果对获取高准确度土壤湿度时空信息具有一定的指导意义和实践价值。

考虑植被生理生态特征变化的生态水文过程模拟

基于分布式水文-土壤-植被模型(DHSVM),考虑气候干湿条件下植被水分胁迫作用及水分利用适应性,提出了植物最小气孔阻力r smin随降雨量变化的蒸散发计算模式.根据枯期退水特征分析,提出了反映径流退水特征的两段式土壤渗透性衰减系数,实现了对DHSVM的改进.根据东江红壤丘陵区植被分布特征,选取星丰流域,采用现场观测、室内分析,结合遥感反演技术,确定研究区植被及土壤特征参数.利用2003—2008年实测气象、水文资料进行参数率定和模型验证.采用扰动分析方法分析土壤和植被参数变化对径流及蒸散发量影响的灵敏度.结果表明:改进的模型能较好地模拟植被生理特征随环境变化的生态水文过程,提高了流域水文过程模拟精度,为分析下垫面变化的生态水文效应提供科学依据.

流域土地利用/覆盖与植被变化的水文响应模拟研究

以鄱阳湖的主要水源区梅江流域作为研究区,利用分布式机理性环境水文模型SWAT,探讨人类活动背景下植被变化对流域水文特征的影响。以遥感获取的叶面积指数(LAI)表征流域的植被状态数据,并通过控制性模拟来研究流域土地利用/覆盖、植被状态的改变导致的流域水文特征响应。模拟结果表明:在1987-2001年的15 a中,虽然流域的土地利用/覆盖变化很小,但由于植被叶面积指数的变化,导致了流域年径流总量5.4%的增加,其中枯水期的增量为10.2%,丰水期则为2.6%;土地利用/覆盖和植被变化对流域水文过程的影响主要表现在暴雨强度相同的情况下,植被变化对流域流量的影响呈非线性变化趋势,其中对中等程度的暴雨影响最大;植被增加具有明显的使暴雨洪峰出现时间滞后的效应,同时也使洪水之后的"退水"过程变得平缓。

赣江源头流域植被变化的水文响应模拟研究

应用2个分布式水文模型（SWAT和Topmodel模型），对赣江流域的源头——梅江流域20年内的植被变化所造成的生态水文响应做出了模拟研究。根据2个模型不同的特点，设计了不同的模拟方案，使用SWAT模型模拟径流量的变化，Topmodel模型模拟汇流过程的变化。模拟得到的结果是：排除研究时间段内流域气候变化的影响，仅变换流域下垫面的属性，植被的变化对流域水文特征产生了明显影响，在整个梅江流域的范围内，2000年的年径流总量比1987年增加了14．6％；在其子流域——琴江流域，1995～2000年的7次洪峰峰值径流出现时间比1987年延迟，峰值径流量减少约5％。这说明从上世纪80年代开始在该流域内进行的植树造林和国土整治工作，即江西省“山江湖工程”，对流域的生态健康具有良好的回馈效应。

基于土壤植被不同参数化方法的流域蒸散发模拟

植被和土壤是水循环中的重要载体,模拟流域水循环时植被和土壤的参数化也显得尤为重要。通过对比流域蒸散发模拟中分布式模型和集总式概念模型的土壤植被参数化方法,计算了潘家口水库流域不同时间尺度上的流域蒸散发,分析了不同时间尺度下流域蒸散发的影响因素。通过分析得出:(1)分布式水文模型中的植被参数化方法包括对植被时空分布与变化的描述,以及与之相关的土壤-植被-大气中水分和能量的传输过程的描述。(2)从GBHM模型与流域水热耦合平衡模型的对比分析可知,在流域尺度上,年实际蒸散发与潜在蒸散发之间呈互补的高度非线性关系;但在山坡和小时时间尺度上,实际蒸散发与潜在蒸散发之间呈正比关系,并可近似为线性正比关系。(3)基于流域水热耦合平衡模型在不同时间尺度的参数化分析可知,考虑植被土壤水分和植被覆盖度能改善对流域蒸散发的年际和季节变化的模拟精度;土壤水分和植被的影响随着时间尺度变小表现得越来越显著。

基于栅格式SCS模型的分布式水文模型研究

利用基于栅格分布的土地利用类型和土壤类型,通过将SCS模型改进为栅格式的SCS模型,并结合栅格式Clark单位线汇流方法,构建了一个具有松散耦合型分布式水文模型.该模型结构简单,模型参数较少,所需流域特性资料容易获取,对流域具有较强的适应性,并可以获得流域栅格分布式的产流结果.本研究将该模型应用到欧阳海流域上,构建洪水预报模型进行场次洪水过程模拟,并与新安江模型模拟结果进行对比.模拟结果表明,所构建的松散结构分布式水文模型具有较高的模拟精度,能够应用到实际的洪水预报中.