水文响应单元空间离散化及SWAT模型改进

水文响应单元(Hydrological Response Units,HRU)是SWAT模型模拟的基本单元,传统方法划分的水文响应单元在空间分布上不连续且难以确定其明确的空间位置,不能反映HRU间的相互作用和进行精确空间分析。利用GIS工具对土地利用和土壤类型数据进行概化处理,提出了HRU空间离散化的方法,实现了水文响应单元在空间上的准确定位。在此基础上,针对SWAT模型中同一子流域所有HRU采取相同延迟的弱点进行改进,并选择太湖地区西苕溪流域对改进的SWAT模型进行水文模拟验证。改进后,校正期港口站Nash效率系数ENS(Nash-Sut-cliffe Efficiency)从0.64提高到0.67,验证期ENS系数从0.70提高到0.76。研究表明:修正后的SWAT模型更能反映流域的水文特征,可以达到非常好的效果,考虑到HRU距离因素的径流延迟更为准确地刻画径流过程。实现HRU空间离散化将为模型改进和更小尺度的空间分析提供数据基础。

GIS支持下的基于DEM的水文响应单元划分——以洞庭湖为例

在GIS技术支持下,以洞庭湖为研究区,设计了水文响应单元划分的实现方案和算法,即用适度指数法确定合理的集水面积阈值,从DEM中提取子流域,并与土地利用和土壤类型图进行空间叠加分析,使得生成的每个水文单元仅含有单一的土地利用和土壤类型。结果表明:洞庭湖流域被离散成105个子流域、19 759个水文响应单元,符合分布式水文模型构建的需求;适度指数法用于设置合理的集水面积阈值,避免了人工率定阈值带来的不确定性,提高了子流域生成的精度和智能性。

水文响应单元划分对SWAT模型总氮模拟效果的影响

为分析水文响应单元(HRU)划定要素的阈值选取对SWAT模型模拟的影响,以东苕溪上游区域为研究对象,对土地利用、土壤类型和坡度三要素设置5%~30%阈值范围,以5%为梯度形成18种方案,以纳什系数(NSE)和均方根差与标准偏差的比值(RSR)为主要评判指标,探究三要素划分阈值对SWAT模型总氮负荷模拟效果的影响。研究结果显示:较为粗放的坡度分级有利于缩小总氮模拟值与实测值的偏差,而土地利用和土壤类型在阈值较小的情况下,总氮模拟的效果较好;各种方案对总氮模拟的结果表明土地利用阈值变化对其影响最大,而耕地面积占比是主要的影响因素,土壤类型阈值的影响相对较小。综合18种方案的总氮模拟结果,土地利用阈值5%、土壤类型阈值5%、坡度分级阈值20%是相对最合适的HRU划分方案。

水文响应单元法在盐渍化风险评价中的应用

运用水文响应单元(HRUs)法评价洮儿河流域地下水环境空间变化对盐渍化风险等级的影响过程,利用反映地下水环境空间变化的3 个重要参数:水文区权重(HZ)、水位埋深(DTW)和水位上升速率(RR),由其3个等级网格值算术相乘HRU = DTW*RR*HZ在GIS 平台上生成2001 年水文响应单元图。结果表明:(1)洮儿河流域整体上盐渍化风险非常小,低风险区主要分布在水文区A、水文区B和水文区D中的安广镇、烧锅镇一带,主要原因是由于区域地下水位下降、水文区A水文及水文地质条件较好;(2)高风险区主要分布在莫莫格湿地、镇赉县境内和来福-叉干镇一带,主要是由于嫩江排泄通道受阻、地表水体的补给以及水田不合理的灌溉造成的。

基于水文响应单元的泥石流灾害易发性分区方法

以水文响应单元和栅格单元为基础评价单元,运用因子贡献率法和信息量法两种评价模型对安宁河流域进行泥石流灾害易发性评价。研究结果表明,在流域尺度范围内,水文响应单元能够更好体现区域中的微观综合地貌特征,切合区域整体性描述;基于水文响应单元的易发性分区不仅与历史泥石流实际分布情况的契合度较高,而且数学模型方法适应效率较高和区内孕灾条件体现更为明显。由此,建立基于水文响应单元泥石流灾害易发性分区对探求流域尺度范围内泥石流灾害易发性分区方法与评价制图是一个有益的尝试与拓展,可为制定减灾防灾决策提供科学参考。

基于水文响应单元的高标准农田水资源供需分析——以黄骅市为例

高标准农田建设是提高农作物单产,改善农用地质量,提高农业生产力十分必要的工作。河北省黄骅市地势平坦,耕地广布,土地利用潜力巨大,是高标准农田建设的重点地区,也是严重的缺水区。开展基于高标准农田建设的水资源供需分析和评价,探索新的土地整理技术措施,可以科学合理利用水资源,提高农用地利用效率。运用基于水文响应单元的水资源模型方法对研究区水资源供需量进行计算,通过ARCGIS软件平台进行空间分析,最终形成基于高标准农田建设的水资源供需分析评价。结果显示,距离海岸较近的黄骅市东部水土资源属于极度充沛区和充沛区,处于黄骅市南部以及西北部部分地区为平衡区,而处于西部和中部的部分地区为缺水区和极度缺水区。

SWAT模型下基于DEM的水文响应单元划分——以濂水流域为例

本文在SWAT模型的基础上,以赣江上游濂水流域为研究区域,设计了中小流域水文响应单元的划分方法.研究以DEM数据为基础,利用TM影像和Google Earth的矢量化数据为参考,采用适度指数法模拟出符合濂水流域的函数拟合,确定河网划分阈值,保障河网划分的准确度.结合土地利用数据、土壤数据和坡度数据将濂水流域划分为49个子流域和181个水文响应单元.通过对濂水流域水文响应单元的划分,避免了人为经验生成河网而导致子流域和水文响应单元划分的不准确性,为濂水及赣江上游子流域的分布式模型模拟提供参考.

微地形空间离散化水文响应单元确定方法

空间离散化是分布式水文模型构建的充要条件。在90 mm/h雨强人工降雨试验、三维激光扫描构建微地形数字高程模型(M-DEM)的基础上,基于元胞自动机(CA)模型研究了人工掏挖微地形在5种不同坡度条件下侵蚀发育过程中不同大小格网/元胞的水沙汇集和传递关系,进而提出空间离散化水文响应单元(HRU)的确定方法。结果表明:基于CA模型所确定的5°,10°,15°,20°和25°坡在溅蚀阶段的最佳HRU大小为6 mm,5 mm,6 mm,5 mm,8 mm;片蚀阶段的最佳HRU大小为6 mm,4 mm,6 mm,5 mm,5 mm,细沟侵蚀阶段的最佳HRU大小为4 mm,7 mm,5 mm,6 mm,6 mm,纳什效率系数均接近于1;综合以上,90 mm/h雨强下人工掏挖微地形水蚀模拟最佳HRU应为6 mm。研究提出了一种微地形空间离散化的方法,为微地形尺度水蚀定量化研究提供了一定的技术支撑。

不同土地利用类型阈值对水文响应单元划定的影响

为了在焉耆盆地应用WASSI模型,须在焉耆盆地划定水文响应单元。通过ARCGIS软件引用适度指数法划定子流域后,增加了不同土地利用分类阈值,对比分析后叠加了合理阈值,通过土地利用图划定出水文响应单元。结果表明,采用土地利用分类阈值为18%时划定水文响应单元为佳,此时水文响应单元数划定为11个。在水文响应单元的划定中主要影响因素是子流域划分以及土地分类利用图阈值,采用合理土地利用分类阈值所得的水文响应单元应同时具有利于计算和阈值适中两大优点。

SWAT模型非点源污染模拟对空间单元划分的响应

流域空间离散化是SWAT等分布式非点源污染模型的基础,不同的空间单元划分方案会对模型模拟结果产生影响。为合理配置SWAT模型非点源污染模拟中的空间单元划分方案,以太湖地区中田舍流域(42km2)为研究区开展研究:根据汇流累积量阈值和土地利用-土壤-坡度分级面积阈值设计25种子流域(SUB)-空间响应单元(HRU)划分方案,其中以真实河网提取阈值、HRU面积阈值为0%-0%-0%作为基准方案进行日尺度模型率定,并利用该套模型率定参数探讨SWAT非点源污染模拟对空间单元划分的响应。结果表明:模型率定期径流、泥沙、总氮和总磷Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.575,0.671,0.483和0.758,模型可以较好表达流域过程;不同的空间单元划分通过对土地利用类型的筛选以及流域过程相关参数的改变影响污染物模拟结果,且模拟结果对HRU划分的敏感性高于子流域划分。因此,利用SWAT进行非点源污染模拟时,应在保证径流、泥沙模拟精度的基础上,进行尽可能详尽的HRU划分(如土地利用-土壤-坡度分级面积阈值分别为0%-0%-0%或0-5%-5%),以更好体现流域空间异质性,避免过粗的HRU集总带来模拟结果的失真,而子流域划分则选取能体现真实河网的适中阈值以体现子流域空间异质性即可。

基于最小响应单元的地下水埋深时空分异特征研究

采用协同克里金插值方法,以2005、2009、2013、2017年4 a翁牛特旗地下水埋深为主变量,以NDVI(归一化植被指数)、降水量和河网密度为协变量,计算研究区内的地下水埋深,运用改进水文响应单元模式,在空间上将协同克里金插值后的地下水埋深栅格数据转换为矢量数据,将传统的简单插值分析方法运用协同克里金和最小响应单元进行改进,使之更贴合实际地下水汇流情况,获取最小响应单元551个,并据此进行空间整体与局部自相关分析。结果表明,在研究区空间上,地下水埋深东西分异规律明显,地下水位呈现西高、东低的态势,受降水和河流影响逐渐变大;在时间序列上,地下水埋深平均变化不大,但逐渐呈现聚集的趋势。

基于源汇景观单元的流域土壤侵蚀风险格局识别

人类活动影响下的土地利用及其景观格局会在一定程度上影响流域土壤侵蚀的发生发展。选取位于三峡库区的綦江流域作为研究区,利用2015年航空影像数据、数字高程模型和土壤数据库,进行水文响应单元的划分,以此作为研究区的源汇景观单元。综合景观类型、土壤和坡度对土壤侵蚀影响的贡献,构建源汇景观单元权重,在此基础上,对景观空间负荷对比指数进行修正并进行土壤侵蚀风险格局识别,最后利用修正的通用土壤侵蚀方程进行土壤侵蚀的模拟,以此验证风险格局的合理性,并综合分析了源汇景观空间特征:源汇景观单元组成结构、权重和土壤侵蚀风险。结果表明:(1)源汇景观单元权重大的地区主要分布在中低山区向低丘缓坡区过渡的地带,坡度较大、土壤可蚀性较高,以及水田、旱地和居民点的源汇景观单元也较为集中分布。(2)各子流域的景观空间负荷对比指数与平均土壤侵蚀模数具有显著正相关关系,因此基于源汇景观单元并赋予其权重的景观空间负荷对比指数能较好地反映流域内部土壤侵蚀规律,可作为流域土壤侵蚀风险评价的有效方法之一。(3)依据各子流域的景观空间负荷对比指数特征可将库区綦江流域划分为五大土壤侵蚀景观风险区:北部沿江地区各子流域耕地分布较为集中且相对水流路径较短,以及林草地较少,土壤侵蚀风险大;中部丘陵地区源景观单元分布较为分散,景观空间分布不均衡,存在一定的土壤侵蚀风险;南部中低山区以林地汇景观分布为主,源景观分布相对较小,土壤侵蚀风险较低。

流域LUCC水文效应研究中的若干问题探讨

随着全球变化研究的深入.土地利用/覆被变化(LUCC)的水文效应研究日益成为热点问题。综合国内外研究进展.论文就流域土地利用/覆被变化水文效应研究中的几个问题进行了总结和探讨:子流域和水文响应单元是分布式水文模型对流域基本空间单元的理想划分:对国内外现有的土地利用分类系统进行了适当的凋整和归并.建立了基于水文响应研究的土地利用分类系统,将土地利用分为9个Ⅰ级类和21个Ⅱ级类:土地利用/覆被变化情景分析的常用方法有参照对比法、历史反演法、模型预测法、极端土地利用法、土地利用空间配置法等。

WASSI-C生态水文模型响应单元空间尺度的确定——以杂古脑流域为例

模型基本单元空间尺度的确定是大尺度生态水文模型应用的前提,也是提高模型模拟精度的关键。该文以长江流域岷江上游的杂谷脑河上游流域为例,通过设置最小流域面积阈值,构建不同的水文响应单元划分方案,探讨生态水文模型WASSI-C响应单元的最佳空间响应尺度。结果表明:模型响应单元空间尺度的变化对模型精度有显著影响,模拟效果存在随响应单元划分面积阈值增加先提高再稳定的趋势,面积阈值小于85km2时,模型的模拟效果较好。此外,面积阈值小于85km2时,模型模拟的水、碳循环变量验证的拟合相关性系数和效率系数均趋于稳定,因此可以将模型水文响应单元流域划分的面积阈值确定为85km2。基于这一尺度的模拟与验证研究,分析了WASSI-C模型中关键变量设置对模拟结果的影响。

遥感、GIS辅助下流域空间离散化方法研究

以江西兴国潋水河流域为研究区 ,设计了流域—子流域—水文响应单元的空间离散方案和实现步骤。在遥感、GIS技术支持下 ,应用了基于栅格的数字高程模型 (DEM)的流域水文建模方法 ,进行了流域河网的自动生成 ,子流域的自动划分以及流域边界生成研究 ,根据流域地形特征将整个流域分割成多个子流域。在分割出的每个子流域内部 ,通过数字土壤图和土地利用图的叠加统计分析生成单一土地利用类型和土壤类型组合的水文响应单元 ,将研究区离散成为 6 2个子流域 ,399个水文响应单元 ,实现了分布式流域建模的空间离散化 ,在这个过程中 ,研究解决了平坦区河网精确生成和流域边界的误差改正等技术难题。

土地利用变化对潘家口水库控制流域径流影响

以潘家口水库控制流域为研究对象,利用1970、1980、1995和2010年4期土地利用数据分析土地利用时空变化特征,并结合SWAT模型从水文响应单元的角度,分析土地利用变化对流域径流变化及其空间分布的影响。结果表明:土地利用类型变化主要表现为水域减少,林地增加及草地、耕地减少,以及建设用地的扩张;2010年土地利用情景下研究区域中滦河、伊逊河、武烈河与老牛河4个子流域多年平均径流量平均减少6.36%。耕地及草地向林地的转化导致产流量减少,蒸发量增加是径流量减少的主要原因。单纯土地利用变化对潘家口入库径流影响并不大,上游中小水库、塘坝等工程的修建,及工农业和城市用水量的增加等是影响径流变化的主要原因。

基于元胞自动机的森林水源涵养量模型新方法——概念与理论框架

模型方法是定量评价森林水源涵养的重要途径。根据元胞自动机的基本理论,结合森林水源涵养效应的多尺度特征,提出了一个新的基于元胞自动机的森林水源涵养量计算模型。该模型将森林"水文响应单元"网格化作为元胞空间的基本单元,邻域定义为摩尔(Moore)型,元胞"水库"水量状态变化范围定义在一个连续的实数空间上。将元胞单元对不同降雨事件的响应分为不产生径流和产生径流两种情况,通过对蒸散发、邻域元胞间水量传输、深层渗漏等制定转换规则,模拟森林在不同尺度上的水源涵养动态特征。这种新模型方法将为森林水源涵养由小尺度(水文响应单元)向流域、景观尺度上推提供有效的定量研究途径,从而进一步推动森林水源涵养功能研究的深入。

滇池流域不透水表面动态模拟及其非点源污染风险评价

利用混合模型综合模拟不透水表面的时空演化规律及其水环境效应是定量探索湖滨型城市可持续发展模式的有效途径。以滇池流域为研究区域,借助遥感与GIS技术探索2000—2016年城市化过程中不透水表面的时空演变特征及其扩张规律,并采用分区元胞自动机模型对2021年和2031年不透水表面的分布进行模拟与预测。进而在子流域和水文响应单元的尺度上计算2000—2031年不透水表面的覆盖率(ISC),对滇池流域历史和未来的水环境城市非点源污染风险进行评价。结果表明:(1)滇池流域不透水表面的扩张具有以滇池湖体为中心向外辐射的显著特征,不透水表面面积增加了286.28 km 2,增长速率为17.9 km 2/年。2006—2009年增长最快为38.8 km 2/年,其覆盖率从2000年的10.16%增加到2016年的20.64%;(2)相比较不分区元胞自动机模型,分区元胞自动机模型在模拟用地变化时的精度有显著提升(Kappa系数提高超过16%,总体精度提高超过26%),可以借以模拟未来不透水表面的扩张情景;(3)子流域和水文响应单元两种尺度下的不透水表面覆盖率都逐年升高,城市非点源污染风险也逐年增大,若不加以重视,风险将会进一步增加。研究结果可为调整土地利用结构、协调城镇建设与水环境保护提供科学依据。

不同精度的土壤数据对水质和水量模拟的影响

【背景】模型模拟是研究面源污染的重要手段,建模过程中输入数据的质量是影响模型准确度的重要因素,其中土壤数据作为流域模型的重要输入数据之一,对模型的产流过程有重要的影响。然而,以往的研究多集中于土壤数据精度对水量和水文过程的影响,对水质的研究还比较欠缺。【目的】为丰富该领域建模的先验知识,为流域模型建立过程中的数据选择提供帮助。【方法】采用SWAT(soil&water assessment tool)模型,利用不同精度(1:5万、1:50万和1:100万)的土壤数据进行建模,对凤羽河流域的水量、泥沙、总氮和总磷含量进行了模拟。并采用SWAT-CUP软件进行参数的率定,得到基于3种不同土壤数据的最佳模拟结果。在此基础上,研究不同精度土壤数据对水文响应单元划分、模型参数、水质和水量模拟的影响。【结果】(1)土壤数据对水文响应单元(HRU,hydrologic response unit)的划分数量有明显影响,HRU划分数量的敏感性与划分阈值及土壤图详细程度有关;(2)进行参数率定后模型的表现效果有明显的提高,不同精度的土壤数据对于不同指标(流量、泥沙、总氮和总磷)的模拟效果存在差异,但并非土壤数据精度越高模拟效果越好;(3)随着子流域面积的增大,不同土壤数据提取的土壤属性的平均值趋于一致,且校准过程会对面积较小的子流域产生较大的影响。【结论】因此,在实际的模型模拟中应根据流域的大小和模拟的指标选择土壤数据的精度,同时在模型校准过程中要注意空间尺度的影响。

白龙江流域泥石流危险性评价

泥石流是暴发在山区小流域内的特殊地质灾害,泥石流危险度评价是泥石流灾害风险预测、评价和防治的前提。本文以流域单元为评价单元,选取沟床比降、泥石流规模和堵江程度3个因子,构建危险性评价模型,提出流域尺度的危险性评价方法。以甘肃省陇南地区白龙江流域为研究区,应用GIS技术,利用数字高程模型(DEM)数据,建立以水文响应单元为基本评价单元,应用危险度模型计算研究区泥石流危险度,划分危险度等级,编制泥石流危险性评价结果图。结果表明:处于中度危险以上的泥石流沟数量占78%,其中,极高度危险的泥石流沟占25.3%。评价结果与实际灾情吻合,可为白龙江流域防灾减灾提供参考依据。