中国半湿润流域WRF-Hydro模型参数敏感性分析

为提高WRF-Hydro模型在中国半湿润流域的模拟预报精度,以半湿润的陈河流域为研究对象,选取了WRF-Hydro模型中土层厚度乘子、水箱模型指数、土层渗透系数、地表截留深乘子、地表糙率乘子和河道糙率乘子6个参数进行敏感性分析。通过数据模拟这6个参数在合理取值范围内的不同取值对洪水模拟及各评价指标的影响,定性分析了各参数的敏感性,并采用修正的Morris筛选法定量判断各参数的敏感性。结果表明:土层厚度乘子、土层渗透系数及河道曼宁糙率非常敏感,根据目标函数与典型洪水分析,建议分别在0.1~1.0、0.0~1.0、0.5~1.5内取值。

半湿润流域蓄满超渗空间组合模型研究

半湿润流域蓄满产流与超渗产流兼有,如何区分两种不同性质的产流过程一直是水文预报的难题。基于主导性水文过程的概念,结合遥感技术与地理信息技术,采用水文学界应用广泛的CN值和地形指数指标,划分蓄满产流主导区与超渗产流主导区,提出了蓄满超渗空间组合模型。以东湾流域为例,验证了蓄满产流模型、超渗产流模型及蓄满超渗空间组合模型的模拟效果。结果表明:单一产流模型参数失真,蓄满超渗空间组合模型参数接近实际;蓄满产流与超渗产流主导区划分越精确,参数越合乎实际;蓄满超渗空间组合模型精度较高,验证期结果稳定。

半湿润流域水文模型比较与集合预报

选择7种水文模型分别在中国北部3个半湿润流域做模拟对比,分析不同水文模型在各流域的适用性,并使用贝叶斯模型平均法对不同模型集合,比较各种集合方法的优势,研究贝叶斯模型平均法的应用效果.研究结果表明,以蓄满产流模式为主的模型在半湿润流域应用效果较好,针对不同流域特点对传统模型进行改进可以提高模拟精度.贝叶斯模型平均法能提供较好的确定性预报结果和概率预报结果,仅对少数模拟效果好的模型进行集合,并不能有效提高预报精度,适当增加参与集合的模型数量能使贝叶斯模型平均法更好地综合各模型优势,提高预报结果的精度.

半湿润流域洪水预报实时校正方法比较

为了提高新安江模型在半湿润流域的洪水预报精度,选择K最近邻(KNN)算法、传统的误差自回归(AR)方法、反馈模拟方法3种实时校正方法,以陕西省陈河流域为试验对象进行洪水预报。以洪峰相对误差和纳什效率系数为评价指标,分析对比3种方法的校正效果。结果表明:3种校正方法均能提高预报纳什效率系数,其中反馈模拟最优,AR、KNN效果次之;反馈模拟对洪峰误差校正相比于KNN算法在短预见期内更为精确,两者均能减小AR法在洪峰误差校正上的不足;加入历史样本的KNN算法在洪峰误差校正上效果优于反馈模拟,可有效提高洪水预报精度。

半湿润半干旱流域降雨径流关系及下垫面相似性

以半湿润半干旱地区的5个流域为研究对象,建立并综合各流域降雨径流相关图,发现其中3个地理位置相距较远的流域可以采用一个共同的降雨径流关系图描述,误差在许可范围内且精度等级在乙级以上。采用相似性指标、相对均方根误差和地形指数分布曲线综合定量评价流域的下垫面条件,发现这3个流域的下垫面条件较为相似。结果表明,下垫面条件较为相似的流域,尽管地理位置相距较远,仍可以用一个共同的降雨径流相关图描述;相对均方根误差和地形指数分布曲线更适用于评价半湿润半干旱流域下垫面条件的相似性。

半湿润半干旱流域空间组合模型研究

在半湿润半干旱地区,下垫面条件复杂,产流机制混合多变,而现有的水文模型由于其固定的结构和模式,无法灵活地模拟不同下垫面特征的洪水过程.本文利用CN-地形指数法将流域划分为超渗主导子流域和蓄满主导子流域.将新安江模型(XAJ)、新安江-Green-Ampt模型(XAJG)和Green-Ampt模型(GA)相结合,在子流域分类的基础上构建空间组合模型(SCMs),并在半湿润的东湾流域和半干旱的志丹流域进行检验.结果表明:东湾流域的参数由水文模型来主导;而志丹流域的参数受主导径流影响很大.在东湾流域,偏蓄满的模型模拟结果优于偏超渗的模型,且SCM2模型(XAJ和XAJG的组合模型)的模拟效果最好(径流深合格率为75%,洪峰合格率75%);而SCM5模型(GA和XAJG的组合模型)在以超渗产流为主的志丹流域模拟最好(径流深合格率53.3%,洪峰合格率53.3%).在半干旱半湿润流域,SCMs模型结构灵活,在地形和土壤数据的驱动下,具有更合理的模型结构和参数,模拟精度较高,适应性较强.

女儿寨湿润小流域土壤干旱指数模型分析

从土壤水分平衡原理出发,以降水量、温度和小流域水文因子等为基础,建立了土壤干旱指数模型,利用女儿寨小流域气象站的资料,计算小流域内土壤干旱指数,划分了干旱等级,并分析了土壤干旱的时空分配特征。

CASC2D模型与GSSHA模型在栾川流域的径流模拟

为研究半干旱半湿润流域复杂产流机制下不同模型结构对于径流模拟的影响,选取栾川流域为研究对象,在采用相同的DEM、土地覆盖以及土壤资料的前提下,利用基于超渗产流机制的CASC2D模型以及在其模型结构基础上改Green-Ampt方程为理查德方程计算下渗并增加地下水径流的GSSHA模型对1964—2000年间的8场洪水进行径流模拟。结果表明,GSSHA模型在栾川流域获得较好的模拟效果,除峰现时差外,GSSHA模型在洪峰、径流深模拟以及确定性系数方面均比CASC2D模型有较大提升。

时间步长和产汇流方法对小流域次洪模拟的影响

为研究半干旱半湿润流域复杂产流机制下不同时间步长和产汇流方法对次洪模拟的影响,选取北张店流域为研究对象,对1993～2005年具有代表性的12场次洪降雨径流资料,利用HEC-HMS模型分别以10,15,20 min为时间步长,采用2种方案进行模拟计算并对比分析结果。方案1为初损稳渗法+Clark单位线法;方案2为格林-安普特法+SCS单位线法;河道汇流演算均为马斯京根法,基流计算均为指数消退法,结果表明:时间步长的选取对次洪模拟结果影响较大,两种方案均在15 min时间步长下模拟精度最高,表明时间步长的选取并非是越短越精确。时间步长为15 min时方案1的确定性系数(DC)均值为0.813,方案2的DC均值为0.764,且方案1在洪峰、洪量和峰现时差模拟方面均优于方案2。

半湿润半干旱地区降雨径流关系的区域规律

以陕西地区汉江流域、渭河流域、北洛河和延河流域等15个典型的半湿润半干旱流域为例,分析了各流域的P+P_a-R相关关系,并对其产流规律的区域性进行探讨。研究结果表明,陕西地区汉江、渭河、北洛河和延河流域的P+P_a-R相关图后半部分与45°直线的夹角总体上呈逐渐增大的趋势,且大多数子流域为混合产流,大部分流域的P+P_a-R相关图的后半部分与45°直线有一定的夹角,其中志丹流域和杏河流域超渗产流占主导,P+P_a-R相关图较一致,但均严重偏离45°线。

基于DEM栅格的分布式BTOPMC模型在水文模拟中的应用

应用一个基于DEM栅格的分布式水文模型BTOPMC(Block-wise use of TOPMODEL)模型进行水文模拟研究。该模型结合IGBP全球陆面土壤覆盖与FAO全球数字土壤组成信息,以栅格为计算单元,进行产流计算;汇流采用Muskingum-Cunge法。为了探讨模型的应用范围,将BTOPMC模型与新安江模型应用于湿润流域与半干旱半湿润流域的水文日径流过程模拟,并采用SCE-UA算法进行模型参数优化。结果表明2个模型均能很好地模拟湿润流域日径流过程,在半干旱半湿润流域BTOPMC模型的模拟效果较差,模型的产流机制需要进一步的完善,以扩大模型的应用范围。

淮河上游分布式垂向混合产流模型及其应用

为更好地了解淮河上游流域洪水产汇流特征,将超渗产流与蓄满产流进行垂向组合构建一套基于栅格的分布式垂向混合产流模型应用于淮河上游流域,并与集总式模型进行对比,以便解决干旱及半干旱半湿润地区的洪水预报问题。结果表明,在未考虑上游水库及土地利用影响的情况下,在淮河上游流域分布式模型较集总式模型应用效果好且参数不确定性低,参数率定期与检验期的平均确定性系数为0.74,合格率为75%,能够为变化环境下淮河流域洪水特征变化趋势及当地水资源规划与流域防洪提供依据。

东部湿润区典型小流域土地利用的土壤水效应

不同土地利用类型下土壤水变化机制对流域水文过程与生态环境有较大影响。基于我国东部湿润区野外综合观测土壤墒情数据,探讨了不同土地利用类型下土壤水的动态变化特征。结果表明:(1)总体上,杨梅林土壤含水量在32%~37%之间波动;农田土壤含水量在20%~30%波动。坡耕地土壤含水量稳定在27%~35%之间;竹林土层土壤含水量大致稳定在25%~32%之间。垂直剖面上,表层(10 cm、20 cm)土壤水分变化大,深层(60~80 cm)土壤水分变化较小。表层土壤水分时间变化特征的波动幅度较深层土壤大。(2)不同降雨强度下,竹林土壤水分对降雨的响应程度大于杨梅林、农田和坡耕地。降雨强度越大,土壤水分响应程度越大;降雨停止后,土壤水分消退起伏下降,深层土壤水分变化较表层稳定。(3)通过增墒系数和减墒系数对土壤水分变化进行量化,发现竹林的消退最明显,其余三种土地利用类型变化幅度相当。杨梅林、农田和竹林均是表层变化较深层大,坡耕地变化更为复杂。研究结果将为我国东部湿润地区产汇流机理及防洪减灾研究提供一定参考。

基于洪水行为特征指标的我国山洪类型辨识与模拟

受地形地貌和水文气象条件的影响,山洪过程呈现显著的时空分异性,准确识别和模拟代表性洪水过程类型对山洪灾害防治具有重要意义.以3个洪峰特性指标(洪峰模数、峰现时间和洪水时间尺度)和3个洪水动力学特性指标(涨洪速率、落洪速率和变差系数)刻画山洪行为过程,采用主成分分析、动态K均值聚类、相似性检验和流域水文模拟(HEC和新安江模型)相结合,识别和模拟了典型山洪类型及其行为特征指标,并以全国不同类型区8个流域177场次小时洪水事件进行实例应用.结果表明:所有洪水事件共划分为3种类型,即低强度流量、峰现早、形态尖瘦的洪水类型(类型1),低强度流量、峰现晚、形态矮胖的洪水类型(类型2)和高强度流量、峰现晚的洪水类型(类型3).山洪类型与流域森林覆盖率、流域面积、最大雨强出现时间、最大雨强、降雨量集中度等影响因子具有高度一致性.HEC和新安江模型模拟效果基本一致,对于类型1~3的洪水事件,径流深平均相对误差分别为23.25~27.98%、11.95~18.19%和8.30~18.25%,平均Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.39~0.54、0.76~0.85和0.86~0.91;类型1~3的所有行为特征指标平均相对均方根误差(RMSEr)分别为0.37~0.69、0.37~0.41和0.18~0.25,平均相关系数(r)分别为0.52~0.68、0.78~0.85和0.88~0.94;类型2和3的洪水洪峰特性指标模拟效果最好,RMSEr和r分别为0.18~0.28和0.86~0.91;类型3的洪水动力学特性指标模拟效果最好,RMSEr和r分别为0.19~0.21和0.91~0.97.研究结果为流域洪水管理提供了详细的洪水信息支持,也从洪水行为过程的视角为中小流域暴雨洪水模拟提供新的思路.