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SWAT模型的格尔木河上游分布式水文模拟和径流预测

研究格尔木河流域水文循环过程并预测未来流域水资源的变化特征,对地区生态环境保护和下游盐湖矿产资源可持续开发利用具有重要意义。选取格尔木水文站以上区域构建SWAT(Soil and Water Assessment Tool)分布式水文模型。采用大气同化数据集为气象驱动,联合区域内纳赤台和格尔木水文站的实测月尺度径流数据进行参数的率定和验证。在率定期和验证期内,纳什效率系数、确定性系数和相对偏差系数均达到了良好的标准,表明SWAT模型在格尔木河高寒山区流域水文过程模拟中具有较好的适用性。研究表明流域降水量偏少,地表径流量、壤中流量与降水量的变化趋势具有较好的一致性,降水量年际变化中蒸散发量为主要消耗量,占40.26%。根据未来气候预测模型RegCM4.6,预测路径浓度RCP2.6、RCP4.5和RCP8.53种情景下格尔木河未来40年径流量呈增加趋势。3种情景下的年平均径流量较基准期(2006—2018年)分别增加了7.63%、11.01%、15.96%;随着温室气体排放浓度的增加,径流量呈现出增加趋势,特别是夏秋季增幅较大。短时间内径流量增大可能会引发格尔木市洪涝灾害,破坏盐湖企业生产设施;但若将洪水资源进行调控和利用,不仅防范了洪涝灾害,同时也利于解决盐湖企业日渐增大的用水需求难题。

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。

基于分布式时变增益水文模型和CN05.1降水数据的赣江流域径流模拟研究

水文模型是径流模拟的重要手段,降水是水文循环的重要组成部分,模型的选择和降水数据的质量对流域径流模拟都具有重要意义。以赣江流域为研究区域,通过对比CN05.1降水数据与站点线性插值降水数据,分析CN05.1降水数据的可靠性,评估基于分布式时变增益水文模型(DTVGM)和CN05.1降水数据在赣江流域径流模拟的适用性。研究表明:(1)CN05.1降水和站点插值降水多年月平均降水年内变化过程类似,空间分布相关性很高,R均值为0.90,CN05.1日降水与站点插值日降水相关性较高,RMSE均小于等于7.52 mm,R均大于等于0.81;(2)基于CN05.1降水和站点插值降水数据模拟了赣江流域新田等6个水文站1961—2009年的流量,模拟流量在多数大流量处大于实测流量,表明模型对于大流量的模拟存在高估现象;(3)无论是日径流还是月径流,基于CN05.1降水数据的径流模拟精度均较高,且月径流模拟要优于日径流。因此,基于DTVGM模型和CN05.1降水数据在赣江流域径流模拟具有较高的适用性。

分布式水文模型与自回归误差校正相结合的低枯流量预报研究

随着全球气候变化和人类活动影响加剧,干旱事件频发,枯水期的水资源供需矛盾日益突出,准确预报低枯流量愈受重视。本文采用分布式水文模型GBEHM,结合自回归(AR)误差校正方法修正径流模拟结果,进而结合气象预报降水信息,建立了低枯流量预报方法,并将其应用于长江石鼓水文站以上流域,开展了2000—2012年的径流模拟和候、旬、月尺度的预报研究。模拟结果表明:GBEHM模型能较好地重现逐日径流过程,率定期和验证期的纳什效率系数分别为0.94和0.91,相对水量平衡误差分别为1.0%和3.9%;枯水期的模拟径流较观测值偏低,经AR误差校正后率定期和验证期合格率提升至81%~96%。分析预报结果表明,枯水期和严重干旱期的径流预报合格率分别接近80%和85%,经AR误差校正后,预报合格率最大可提升至91%和97%。本研究结合分布式水文模型和误差实时校正技术,实现了候、旬、月尺度的高精度低枯流量预报,提高了枯水期和严重干旱期的径流预报精度,具有工程应用前景。

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。

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。

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。

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。

基于时空变源分布式模型的流域洪水复盘分析方法——以海河流域北三河系“23·7”较大洪水为例

海河流域北三河系覆盖北京、天津、河北三省(直辖市),其防洪安全事关当地社会经济发展。为有效应对气候变化影响下极端暴雨频发所带来的洪水防御新挑战,提出了一种时空双维度流域性洪水复盘新思路,以“23·7”北三河系较大洪水为例,通过构建时空变源分布式水文模型结合暴雨时空统计分析对全河系洪水的发生、发展过程进行了模拟。模拟结果的确定性系数均大于0.7,洪峰相对误差均小于5%,所建模型可以较好地表征此次洪水的产流机制变化。分析发现,此次洪水过程中北运河流域产流以蓄满产流机制为主,潮白河流域产流则蓄满及混合产流两种机制均有体现,特别是靠近降雨集中区的山区平原过渡地带表现出明显的混合产流机制。建议在未来进一步完善流域防洪体系,重点提升该区域的水雨情监测能力。所提出的时空双维度下的流域性洪水复盘分析方法可为今后其他流域级洪水模拟复盘提供技术参考。

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。

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。

基于DEM的分布式水文模型研究综述

基于DEM的分布式水文模型是数字化时代水文模型发展的主要方向。论文回顾了分布式水文模型30年的发展历史,对国内外分布式水文模型的研究状况做了简要评述。归纳出基于DEM的分布式水文模型的主要特点。在分布式水文模型的构建中,水文单元的划分是一个十分关键的环节,论文重点探讨了3种基于DEM常用的流域离散化方法。在模型结构方面,提出了一个典型的分布式水文模型框架,包括分布式输入模块,单元水文模型和河网汇流模型。在模型参数方面,提出了3种分布式水文模型参数的确定方法。最后。

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%。

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。

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。

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。