潮河流域时变增益分布式水循环模型研究

在广泛了解有关分布式水文模型研究进展的基础上,结合中国实际资料条件和问题,提出了一种"水文循环机理-系统理论"相耦合的分布式水循环模型——时变增益分布式水循环模型(DTVGM),并建立了潮河流域分布式水文循环模型。实例研究表明,DTVGM的应用是比较成功的,基本上能够满足水资源管理的要求。

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。

分布式时变增益流域水循环模拟

针对分布式水文模拟的问题,结合河西走廊黑河流域实际资料条件,提出将水文循环空间数字化信息与水文系统理论相结合的分布式时变增益水循环模型(DTVGM)。DTVGM将单元时变增益水文非线性模型(TVGM)拓广到由DEM划分的流域单元网格上建立非线性地表水产流模型,基于水量平衡方程和蓄泄方程建立土壤水产流模型,并应用运动波方法建立分级网格汇流模型。最后,以黑河干流山区流域为例应用DTVGM开展了实例研究,设计开发了模型系统。研究区域被划分为38 277个网格单元(网格大小为500 m×500 m),在此基础上将流域划分为456级带状汇流区域。考虑到黑河干流山区的寒区特点,模型耦合了融雪径流模型。模拟结果表明,DTVGM既有分布式水文概念性模拟的特征,同时具有水文系统分析适应能力强的优点,能够在水文资料信息不完全或者有不确定性干扰条件获得比较好的分布式水文模拟效率,在黑河干流山区的应用能够较好地满足水资源管理的要求。

黄河无定河流域分布式时变增益水文模型的应用研究

黄河无定河流域是典型的黄土高原沟壑地区,水文时空变化大,观测站点有限,水文过程的非线性问题和人类活动影响问题比较突出.本文针对黄河无定河流域内不同尺度水文循环模拟问题,对作者开发的分布式时变增益水文模型进行了改进,拓展到了月、日、时三个时间尺度,应用于无定河内的大理河、小理河及岔巴沟三级不同空间尺度的流域.研究表明:分布式时变增益水文模型是水文系统非线性理论与分布式流域水文模拟结合的一种新途径,水文系统模拟的精度比较满意.该模型为分析土壤湿度的时空分布与变化以及人类活动的影响,提供了一种量化分析的有效工具.

黄河流域时变增益分布式水文模型(Ⅰ)——模型的原理与结构

针对黄河流域气候变化与人类活动对流域水资源量的变化影响问题,建立了一大尺度分布式时变增益水文模型(DTVGM).DTVGM是系统论与物理机制相结合的水文模型.它能够在一定程度上解决无资料(缺资料)地区的水文问题(PUB).模型主要分为自然情况下产流与人类活动影响两大模块.

黄河流域时变增益分布式水文模型(Ⅱ)——模型的校检与应用

针对分布式水文的应用问题,结合黄河流域时变增益分布式水文模型,在黄河流域进行了实例研究.对黄河干流17个主要流量控制站进行了连续径流模拟.模拟总水量同实测总水量的相对误差在5%以内,其中有11个站效率系数(确定性系数)在0.8以上,其余的也在0.7以上.最后,运用模型分析了气候变化与人类活动对黄河流域降雨产流的影响.

黑河流域水循环系统的分布式模拟(Ⅰ)——模型开发与验证

从水循环的物理机制着手,在考虑人工侧支循环的基础上,以现代地理信息技术为数据处理平台,开发了黑河流域水循环系统的分布式模拟模型.文中系统描述了模型结构,从水循环过程和能量循环过程2个方面对模型各要素的过程模拟进行了阐述,其中水循环过程包括蒸发蒸腾、入渗与径流、地下水运动、地下水流出和地下水溢出、坡面汇流与河道汇流、人工侧支循环等要素过程.在获取各类输入参数后,采用1km网格、以日为时间步长对黑河流域上、中游地区（36 728个网格单元）进行了1981～2002年的逐日模拟.结果表明,所建立的分布式模型对月径流过程和日平均流量过程具有较高模拟精度.校正期内前后两个验证期均得到良好验证.该模型可用于预测未来环境变化条件下流域水资源演变.

大渡河流域分布式水循环模型开发研究

大渡河流域是我国西南水电开发总体布局的重要靶区,也是南水北调西线工程的重要水源区。采用分布式水分能量传输模型(WEP模型),在地理信息技术的支撑下,构建了大渡河流域具有物理机制的分布式水循环模拟模型。模型水平单元为5 km×5 km的网格,采用马赛克法对单元的内的土地利用及植被分异进行处理;在垂直方向上,该模型可有效模拟冠层截流、填洼产流、入渗、植被蒸腾、水面和裸地蒸发垂直水循环要素过程。模型具有较好的模拟精度,在校正和验证期模型模拟误差(泸定站)均小于5%,Nash效率均在0.8以上。该模型可为区域水资源评价、生态影响评价等提供直接支撑,可为流域水电梯级开发调度和西线工程的运行调度提供支撑。

基于MPI的分布式水循环模型并行计算性能研究

为满足分布式水文模型快速模拟的需要,引入并行计算技术。基于MPI编程模型实现了WEP-L分布式水循环模型产流模块的并行编程,采取子流域任务划分和对等模式实现了模型的并行设计。为了减少进程间的通信时间,在产流计算之前,数据按随年、月、日变化以及不随时间变化分成四类,分批进行通信;产流计算完成之后,采用聚合通信方式中的数据收集,快速统计结果。模型并行化后应用于黄河流域,结果如下:(1)随着参与计算的进程数增加,并行计算的加速比呈先增加后减少的趋势,并行效率随进程数增加呈线性下降趋势。(2)模型并行性能受通信开销制约,当通信开销增量大于产流计算时间减少量时,加速比达到峰值4.8。

用分布式水循环模型与机器学习预测内蒙古河套灌区节水潜力

为探究内蒙古河套灌区真实节水潜力,该研究构建河套灌区分布式水循环模型与基于机器学习的盐分模型,设置节水方案集,定量分析各方案下的灌区引、耗水量、地下水埋深、积盐量变化等。结果表明:1)水面蒸发的纳什系数均不低于0.654,相对误差绝对值不高于4.82%,相关关系为0.88,排水过程纳什系数均不低于0.600,相对误差绝对值不高于5.11%,相关关系为0.82,地下水埋深的纳什系数均不低于0.628,相对误差绝对值不高于分别为5.12%,相关关系为0.86,满足灌区水循环满足精度要求。该研究选择采用土壤盐分模型,得到土壤积盐量与实测值的纳什系数均不低于0.76,满足精度要求。2)渠道衬砌节水方案S1、田间节水调控方案S2、种植结构调整方案S3的耗水节水量分别为2.93亿、3.02亿和2.54亿m^(3)。S1+S2+S3组合方案灌区耗水节水量最多,为9.11亿m^(3),S2+S3方案组合次之。3)渠系水利用系数提高,将引起地下水水位下降,不利于排盐,S1方案下地下水埋深大于3 m的面积比例较基准方案增加了7.59%,不利于灌区排盐。田间工程措施使得相应的农田入渗量减少,地下水位下降,有利于灌区脱盐,S2方案下地下水入渗补给量较基准方案减少2.57亿m^(3),灌区地下水位下降较为明显,S2方案有利于灌区脱盐。S3方案下地下水入渗补给量略微减少,地下水位变化不大,有利于灌区脱盐。不同方案组合,S1+S2、S1+S2+S3方案下对地下水埋深影响较大,尤其是S1+S2+S3方案在灌区西北部、山前、乌拉特前旗、乌梁素海东部的形成连片埋深高值区,影响区域生育期农田作物与林草地植被生长。S1+S2方案下不利于灌区脱盐,自然植被生育期平均埋深超过2.5 m的比例较基准方案增加了5.46%。在综合考虑生态环境的约束下,推荐耗水节水量最大的方案S2+S3,即灌区适宜的耗水节水潜力为5.69亿m3。该方案下虽然也会引起地下水位略有下降、进乌梁素海排入水量略微减少,但最有有利于灌区排盐。研究可为引黄灌区节水方案制定与灌溉管理提供技术支撑。

基于二元水循环的灌区分布式水文模型的应用研究

针对中国北方灌区的水文特点,在二元水循环理论的指导下,对自然流域水文模型SWAT进行了改进,构建了灌区分布式水文模型,改进了SWAT模型的灌溉水运动模块、稻田水分循环模块、稻田水量平衡各要素和产量模拟的计算方法,增加了渠系渗漏模拟模块等。以河南省人民胜利渠灌区为例,利用改进的SWAT模型对该灌区的水循环过程进行了模拟。为验证模型的有效性,选用Nash-Suttclife效率系数(纳西效率系数)E、线性回归系数R2来评估模型在校准和验证过程中的模拟效果。结果表明:该模型适合灌区水分循环的模拟。模型的构建和改进,对分布式水文模型在高强度人类活动影响区域的水资源、水环境研究和管理起到积极的作用,为灌溉水文学提供了新的研究方法。

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。

分布式水文模型研究与应用进展

分布式水文模型是探索和认识复杂水文循环过程和机理的有效手段,也是解决许多水文实际问题的有效工具。本文从当前水文水资源科学研究的热点问题出发,系统总结了分布式水文模型在解决水文学面临的重要问题中研究与应用的现状、进展与不足,讨论了建模中存在的难点问题和关键技术,并探讨了分布式水文模型的发展趋势。

基于MODFLOW的流域分布式水文模型研究——以渭河中下游地区为例

在流域水循环框架下,以MODFLOW为基础,结合河水的一维动力波模型和地表、土壤坡面产汇流模型,建立了渭河中下游地区的流域分布式水文模型。该模型突出了研究区地下水循环这一主要水文环节。通过一个水文年的数据检验,证明该模型所获得的参数具有代表性,由各项参数模拟得到的流量过程与实测过程比较符合。在此基础上进行了模拟计算,确定了渭河中下游地区地下水天然补给资源量、浅层地下水开采潜力及现状条件下滨河湿地水源地开采与河水量的关系。该模型的开发不仅对科学调配和合理利用地表水和地下水资源,而且对滨河湿地生态系统功能的恢复和保护具有特别重要的意义。

岷江中上游及青衣江流域分布式水循环模拟研究

将分布式水循环模拟技术和现代地理信息技术技术,应用到流域水循环模拟中,开发了岷江中上游及青衣江流域的分布式水循环模拟模型,以期为流域水循环演变规律的系统揭示和区域水资源的综合调控提供技术支撑。模型原型为具有自主知识产权、且在国内得到广泛应用的分布式水循环模拟模型(WEP模型)。研究中采用的基本计算单元为5 km×5 km的正方形网格单元,并采用Masic法进一步表征基本计算单元内下垫面及水循环过程的分异。模拟结果表明,模型具有较高的模拟精度,关键控制站月径流过程模拟的相对误差在5%以内,Nash效率达到0.72以上。模型还可进一步输出各计算单元上水分、能量要素过程,可为区域水土资源开发和综合环境整治宏观战略的制定提供技术支撑。

基于GIS的分布式水文模型系统开发研究

近几年,随着计算机、地理信息系统GIS和遥感技术的发展,分布式水文模型得到了迅速发展。首先介绍了地理信息系统在分布式水循环模型的应用,探讨了地理信息系统与分布式水文模型的 4种集成模式;然后应用松散耦合结构开发了基于GIS的 水循环机理 系统理论相耦合的时变增益分布式水文模型"系统,并在甘肃省内板桥流域进行了实例验证,获得了良好的模拟效果。

涪江流域分布式日径流模型研究

以长江上游支流—涪江流域为研究对象,建立分布式时变增益水文模型（DTVGM）,利用1981年和1998年的实测日资料检验,模型效率系数达到0.8,模拟精度较高。

涪江流域分布式日径流模型

以长江上游支流涪江流域为研究对象,建立分布式时变增益日径流模型(Distributed Time Variant Gain Mod-el,简记为DTVGM)。对涪江流域的概况,模型的构成,河网的提取、参数的选择进行了介绍。利用1981年和1998年的实测资料检验模型,模型效率系数达到0.8,取得较好的模拟效果,模拟流量过程线与实测流量过程线吻合较好。模型可以提供各个空间网格上水文变量的分布。

海河流域二元水循环模型开发及其应用——Ⅰ.模型开发与验证

针对高强度人类活动作用下海河流域水循环的"自然-人工"二元特性,开发了流域二元水循环模型(简称"二元模型")。二元模型由分布式流域水循环模型(WEP)、水资源合理配置模型(ROWAS)和多目标决策分析模型(DAMOS)3个模型耦合而成。针对各模型的优势与不足,提出了两层耦合的技术路线,以实现统筹考虑水资源、宏观经济与生态环境的流域水资源综合管理分析的功能。WEP、ROWAS和DAMOS分别采用11752个、125个和8个计算单元对海河流域进行划分,在获取各类输入参数后,应用二元模型对海河流域进行了分析计算与模型验证。结果表明,所建立的二元模型对径流过程、入海水量以及地下水流场等均具有合理的模拟精度,模型得到验证,可望用作海河流域水资源规划与管理的情景分析工具。

基于流域水循环模型的广义水资源评价(Ⅰ)——评价方法

本文针对传统水资源评价中仅以径流性水资源为评价对象、没有考虑生态系统对雨水资源的直接利用,不能反映水循环过程中的全部有效水量及其利用效率等问题,阐述了广义水资源(既包括径流性水资源,又包括植被、作物等生态系统利用的雨水资源)的概念,论述了广义水资源评价的必要性与可行性;提出了基于流域水循环模型的广义水资源评价方法和具体计算公式,并以分布式流域水循环模型WEP-L为例对广义水资源各构成部分如何计算进行了说明;提出了根据广义水资源各分量在循环利用过程中,是否发挥关键功效来初步界定“高效水量”和“低效水量”的评价方法。