组件式流域模拟模型集成技术进展及发展趋势

组件技术与计算机技术相结合能克服传统建模方式难以解决大规模系统模拟集成的缺陷,可有效促进流域模拟模型集成的发展。为此,从模型组件化的可移植性、灵活性、扩展性、与第三方软件集成等方面分析了组件技术在流域模型集成中的重要作用,分析了国内外组件式流域模拟模型集成技术的发展现状,进而提出国内流域模拟模型集成系统存在的问题。最后,从数字流域模型平台化、基于云计算模式的模型集成、模型应用的组件化等方面,探讨了流域模拟模型集成系统的发展趋势。

基于SOA的云计算流域模拟模型集成架构的研究

针对现有流域模型集成系统接口不统一,系统与模型之间集成困难,缺乏通用性和可扩展性等问题,采用SOA与云计算技术,构建了一个开放的、可扩展的、可共享的水利模拟模型集成架构。在该架构中,借鉴SOA的设计思想,将云服务系统的各项业务分解为颗粒度不同的服务,各子功能封装为标准的web服务。采用SOA典型的模块性特征,将流域模拟模型的集成架构分为客户端、云服务平台、云计算应用程序接口层、模型管理服务层、云服务管理层、物理资源层,使得集成模型的各应用系统的服务来源于各层。该架构增强了水利专业模型平台的开放性、用户交互性以及平台的通用性。

流域模拟模型与GIS集成研究现状与展望

综述了流域模拟模型的现状和发展。从数据集成的角度,把流域模拟模型与地理信息系统集成方法归纳为互连式、共连式、流域模拟模型嵌入G IS和G IS嵌入流域模拟模型四种类型,讨论了各类集成方法的技术特点、应用和优缺点;并从数据、G IS技术、流域模拟模型和研究人员四个方面分析了流域模拟模型与G IS集成存在的问题;最后指出基于数字流域的综合集成方式将是流域模拟模型与G IS集成的发展方向。

气候变化与流域径流模拟

讨论了气候变化与流域径流的相互关系,论述了气候模型与流域水文模型在研究对象、研究方法及时空尺度等方面的区别和联系。介绍了水文模拟中的两个重要环节:蒸散发计算和下滲计算问题。

基于GIS的国内外流域水土资源模拟模型研究评析

流域模拟正在发展为水、沙和溶质运动的多相流动过程的研究,考虑了诸如养分、农药等输移过程,并按能量、质量的传输过程来测定和分析三者之间的相互作用。遥感与GIS技术的兴起为流域模拟提供了更为强大的表达工具,充分利用了GIS的空间与属性数据库管理功能及强大的分析与可视化功能,将是今后流域水土资源模拟模型发展的方向。为此,着重从基于GIS流域模拟模型发展情况、GIS与流域模型集成方式及空间离散方法的发展等几方面,对国内外近期流域模拟研究的现状进行了评析。

潋水流域产水产沙自然过程的计算机模拟 Ⅰ.数学模型体系与参数输入

使用流域尺度土壤和水资源管理模拟模型SWRRB(包括198个数学方程),对面积为579.3km2的江西潋水河流域的产水量、产沙量等自然过程进行了计算机模拟,获得了较好的模拟结果。模拟成功的关键是:(1)将流域划分为多个亚区;(2)精心而周到地准备输入参数;(3)按各输入参数对各输出参数影响大小的顺序进行充分的实验和参数调整以达最佳结果。文中对亚区划分和地形要素、气温、降雨、土壤特性和径流曲线系数的赋值给予了较多的注意。

地下汇流模型及其在流域水文模拟中的应用

上两式中 Q(t)为地下水出流量,[L]~3[T]^(-1);L为流域宽度,[L];q为单位度宽上对地下水瞬时补给的强度,[L]~2[T]^(-1);μ为含水层的给水度;K为含水层的渗透系数,[L][T]^(-1);h为含水层的平均水深,[L];π=3.14159…;t为时间。参数J显然也具有时间因次。

鄱阳湖湖泊流域系统水文水动力联合模拟

本文以鄱阳湖湖泊流域系统为研究对象,鉴于该湖泊流域系统尺度较大,下垫面自然属性呈现高度空间异质性且具有流域-平原区-湖泊不同机制的水文水动力过程,为了真实描述湖泊流域间的水文水动力联系及反映不同过程间的作用机制,构建了鄱阳湖湖泊流域联合模拟模型.该模型基于自主研发的流域分布式水文模型WATLAC和湖滨平原区产流模型以及水动力模型MIKE 21 3个不同功能子模型的连接来实现该复杂系统的模拟.模型的联合采用输入-输出驱动及子模型的顺序执行进程,即将五大子流域与平原区入湖径流量作为输入条件来驱动湖泊水动力模型,模拟湖泊水位对流域入湖径流量的响应.以2000-2005年鄱阳湖流域6个水文站点的河道径流量、流域基流指数以及湖泊4个站点的水位资料来率定模型,其中各站点日径流量拟合的纳希效率系数Ens为0.71～0.84,确定性系数R2介于0.70～0.88之间,而湖泊各站点水位拟合的纳希效率系数Ens变化为0.88～0.98,确定性系数R2为0.96～0.98,均取得令人满意的率定结果.本文提出的鄱阳湖湖泊流域系统水文水动力联合模拟模型能较为理想再现湖泊水位对流域降雨-径流过程的响应.水位模拟结果进一步表明,该联合模型能用来获取重要的水动力空间变化特征.该模型可作为有效工具定量揭示湖泊流域系统水文水动力过程对气候变化和流域人类活动的响应.

太湖1889洪水年的流域水文模拟

由于受到水文观测资料时间短的限制,目前难以认识百年遇机率的极端洪水.为此,本文根据19世纪末历史文献的洪水灾害记录,利用流域水文模型,对太湖1889洪水年的流域产流、入湖汇流等水文特征和过程进行模拟.本研究设计了三套模拟实验:首先在现代气候控制实验基础上对1988-2002年时间系列和特大洪水年进行水文模拟和模型率定校验;其次,采用长江下游19世纪末的气候观测资料驱动,对极端年份1889年逐日洪水过程模拟;最后,为减少1 a洪水年模拟的不确定性,还采用蒙特卡罗Bootstrap法模拟了15 a的流域气候场,在5475 d样本下进行特征年份的水文模拟.模拟结果表明,1889年洪水期间产流在当年6月底达到最大,1%频率的径流深达8.6 mm/d,95%CI的误差在-2.94～3.26 mm/d之间.汇入太湖径流同期达到最大,1%频率的洪水流量达到1286.9 m3/s,95%CI的误差在-128.3～165.7 m3/s之间.根据洪水Log-Normal概率分布,计算1889洪水年的重现期为149 a.经Bootstrap法对误差置信区的模拟,95%CI检验在70～175 a间的重现期可信.该研究为延长20世纪洪水序列、拓展对百年时间尺度的特大洪水的认识提供了动力学模拟方面的科学依据.

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DEM的三维景观在流域模拟中的应用

流域模拟试验区的选取受到诸如地理过程复杂性和数据获取难度大等因素的制约,传统的实地踏勘方法不能满足大尺度流域试验区的选取要求。该文提出基于数字高程模型和遥感影像建立三维景观图的方法,构建了流域三维地表模型,从不同视角、尺度观察整个流域及子流域划分情况,为确定试验区提供了客观、科学的依据。

重要水源地小流域水环境动态模拟及调控研究

本研究选取北京密云水库上游曹家路小流域为对象，通过野外监测和模型计算的方法对小流域水环境进行动态模拟及调控研究。综合运用水文学、水环境学、数理统计和地理信息系统等方法，并结合野外监测、实验室分析和计算机模拟等手段，建立了小流域半分布式水文模型和一维河道水质模型。运用该模型对曹家路小流域的水质状况进行了模拟计算，得到了流域出口断面NH3-N、Os、BOD、COD和TN等水质因子的总体特征和全年全时段变化过程。根据1956～2000年的水文数据，分析了流域特征水文年水环境的动态变化，提出了相应的水质保护和水环境容量利用综合调控方案，并依据区域的经济发展进行了水环境动态规划。

流域水文模拟的自动参数化:SWAT2005在香溪河的应用

流域的空间异质性和水文过程的复杂性增加了基于物理过程的分布式水文模型的参数化、校准和验证过程的难度。SWAT是具有很强的水文物理机制的分布式流域水文模型。SWAT的2005版本(SWAT2005)包含了一个参数敏感性分析和自动参数化的模块,用以模型的参数优化。本研究以位于长江三峡大坝坝首的香溪河流域为例,评估了SWAT2005参数敏感性分析和自动参数化对径流模拟的效果。模型的率定期和验证期分别为1970-1974年和1976-1986年。根据率定期香溪河流域兴山水文站的月径流观测值,对SWAT2005预先设定的27个参数进行敏感性排序,选择了CN2,CANMX,CH_K2,ESCO,SURLAG,BIOMIX和ALPHA_BF7个较为敏感的参数对模型进行了自动参数化以获得最优参数值。根据最优参数值模拟了率定期和验证期兴山水文站的月径流量,并与实际观测值进行了对比评估。率定期和验证期兴山水文站月径流量的观测和模拟的平均值和标准差都较为接近,在率定期和验证期确定性系数R2为0.80,Nash-Suttclife效率系数Ens分别为0.70和0.77。评估结果表明,SWAT2005的参数敏感性分析和自动参数化功能在香溪河流域径流模拟的自动参数化过程中效果很好,其他流域利用SWAT开展水文模拟时可以考虑利用SWAT2005的自动参数化功能。

直流域模拟电路分析的一种方法

通过对一实际电路的具体分析，说明该方法对电子电路的状态分析尤其对故障电路的分析、识别以及判定故障元件均有一定的可行性和实用价值。下面用模糊原理对直流域模拟电子电路工作状态进行分析的基本方法作一简单介绍。

计算单元边长对分布式流域水文模型模拟结果的影响

具有物理基础的分布式流域水文模型通常采用DEM栅格作为计算单元,对地形信息具有均化作用,使得提取的坡度为非真值,且不同尺度栅格对应的该非真值差别明显,导致基于不同计算单元边长分布式流域水文模型的模拟结果具有显著差异。为了解决不同分辨率DEM模型对于模拟结果的影响,提出了一种栅格尺度与提取的流域坡度之间关系的归一化表示方法及对应的坡度矫正方法,该矫正方法中引入了可用于模型流速计算公式的坡度矫正系数。研究结果表明,计算单元边长对模拟结果的影响规律与对提取的流域坡度的影响规律完全一致,且提出的方法可以有效消除栅格均化作用对分布式流域水文模型模拟结果的影响。

动态流域模拟模型在黄河宁夏段流域水沙规律研究中的应用

在介绍动态流域模拟模型(DWSM)的原理、结构、河网汇流顺序等的基础上,并对其算法和存储规则进行改进,以提高模型的计算效率,将该模型应用于黄河宁夏段流域的水沙规律研究中。结果表明DWSM模型在黄河宁夏段流域水沙模拟中具有较好的适用性。

哈尔滨主城区无资料子流域模拟径流复杂性测度

针对哈尔滨主城区无资料子流域模拟径流的随机性较大,且易受人为因素的干扰等问题,将本征时间尺度分解(Intrinsic Time-scale Decomposition,ITD)算法引入水文系统复杂性研究中,用于改进传统复杂性测度方法。将ITD与多尺度模糊熵(MFE)相结合测度黑龙江省哈尔滨市主城区8个无资料子流域模拟径流复杂性。结果表明,哈尔滨主城区无资料子流域的模拟径流表现出了较强的非线性特征,其中北部地区运粮河流域的径流熵值最大,南部地区肇兰新河流域的径流熵值最小,模拟径流的复杂性熵值南北方向整体呈现南高北低走向。通过对比加入白噪声和有色噪声后,小波熵(Permutation Entropy,PE)、排列熵(Wavelet Entropy,WE)和ITD-MFE的评价结果,表明ITD-MFE算法具有更好的稳健性。研究成果揭示了哈尔滨市主城区无资料自流域模拟径流复杂性差异及其变化规律,对于今后指导哈尔滨市主城区内科学合理地利用径流资源具有一定的指导意义。

用耦合模型模拟青弋江流域水文对气候变化的响应

用陆面模式SSiB与动态植被模型TRIFFID以及流域地形指数水文模型的耦合模型SSiB4T/TRIFFID模拟了长江下游的青弋江流域植被和水量平衡的动态过程,分析了气温和降水变化对流域径流和蒸发的影响。结果表明:(1)流域气温上升10C,径流减小6.7-9.7%;气温上升20C,径流减小11.7-17.4%;(2)降水增加5%,径流增加9.2-11.6%,降水减小5%,径流减小8.6-11.6%;(3)温度不变仅降水变化对流域蒸发影响很小,温度增加20C,流域总蒸发3-10月份增加8.0-10.7mm,其余月份增加5.4-7.1mm,1月和12月蒸发对温度增加最敏感;(4)气温上升20C,叶面积指数1月和12月增加,5-10月略有减小。降水和气温变化对青弋江流域径流影响明显且与植被类型有关,流域蒸发的变化主要受温度变化的控制。

利用景观指标优化城市洪水估算及流域水文模拟

在无测站或者测站稀少流域，通常根据流量与流域特征因素之间的一般性关系对洪水进行预测。多数情况下，这些流域特征因素是基于城市化程度较低流域的分辨率低的数据集得出，没有考虑位置、相关性和区域大小等。