BTOPMC/SCAU分布式流域水文模型原理和系统设计

BTOPMC(block-wise use of TOPMODEL(TOPgraphic MODEL,基于地形的水文模型)with the Muskingum-Cunge method,分块应用TOPMODEL和马斯京根-康吉汇流方法)是一个具有较强物理基础的分布式流域水文模型,主要用于教学和流域研究,模型有待软件化,以便用于流域作业预报和水资源管理。该文采用多层架构体系设计了该模型的计算机系统,形成了BTOPMC/SCAU(south china agricultural university),系统由数据层、模型层、通信层、数据表达层和用户操作层组成,运行环境采用客户端/服务端模式。提供手动和自动2种参数率定模式,自动率定采用SCE-UA(shuffled complex evolution developed at university of arizona)全局最优算法,内置7种目标函数。采用Open MP(open multi-processing,开放式多处理)多核并发编程技术在产汇流模块实现了多核并行计算。系统为流域水文作业预报和水资源管理提供了精致的方法和简便工具。

分布式流域水文模型BTOPMC/SCAU地形模块的可视化

操作简单、显示直观、逻辑组织好的可视化界面,可有力促进水文模型的研发、应用、推广和普及。根据分布式水文模型系统BTOPMC/SCAU中地形模块对输入的DEM数据进行填洼、数字河网提取、子流域划分等工作内容,开发了一个简单直观、互动性好的用户操作界面,界面后台采用可扩展的系统架构,使地形模块工作直接面向用户。经验证,BTOPMC/SCAU系统的地形模块可视化、人机互动性强、运算速度快,在韩江流域水文模拟应用中取得了较好的效果,为模型系统后期整体开发奠定了基础。

基于BTOPMC模型的土地覆被变化径流响应模拟

为分析土地覆被变化的水文效应,构建4种土地覆被情景,采用BTOPMC模型对淮河流域黄泥庄集水区1982-1986年的日径流过程进行模拟.结果表明,土地覆被变化对蒸散发量和径流量计算影响显著,与现状覆被情景的模拟结果相比,森林覆被情景蒸散发量增加,径流量减少,而林地草原和耕地覆被情景下情况相反,且各土地覆被变化情景下枯季径流深的变化幅度明显小于雨季的变化幅度.该模型能较好地分析和评价土地覆被变化下的径流响应.

考虑积融雪的BTOPMC模型及其在岷江上游流域的应用

对于有积雪覆盖地区的径流预报来说,积雪融雪模型至关重要,它直接影响着水文模型的适用范围和模拟精度.建立了一种基于温度指标的可用于缺资料流域的积融雪模型,并与分布式水文物理模型BTOPMC进行耦合.通过在岷江上游流域的应用发现,考虑积融雪过程的BTOPMC模型平均纳希效率系数达到75.26%,而原BTOPMC模型平均纳希效率系数仅69.58%,提高了5.68%.通过比较径流模拟曲线发现,考虑积融雪后的BTOPMC模型在积雪期和融雪期的模拟流量与观测流量更为接近.

基于分布式水文模型BTOPMC的晋江流域水文循环模拟

晋江流域所在福建省泉州市近年来经济社会发展迅速,水资源短缺已经成为制约该地区发展一个重要因素.开展水文循环过程模拟对把握该流域水资源时空演变规律,提高决策管理水平具有重要意义.本研究采用已在亚洲季风区多个国家广泛得到应用的BTOPMC(Block-wise use of the TOPMODEL with the Muskingum—Cunge routing method)分布式水文模型对晋江流水文循环过程进行模拟.模拟结果表明BTOPMC模型在该流域具有较好的适用性,具有为制定科学合理的水资源管理政策提供决策支持的潜力.

BTOPMC模型与新安江模型在史河上游的应用比较研究

介绍了一个由TOPMODEL发展而来的基于栅格的分布式水文模型——BTOPMC模型。选取史河流域黄泥庄水文站以上集水面积为研究区域,在空间分辨率为30秒的数字高程模型数据基础上构建数字流域水系,基于IGBP全球陆面土地覆被数据以及FAO全球数字土壤数据运用BTOPMC模型和新安江模型分别对黄泥庄站1982年到1987年的日径流过程进行模拟。采用模拟与实测洪量比和确定性系数对两个模型的模拟结果进行比较分析。结果表明两个模型都能很好地模拟日径流过程,新安江模型有更好的模拟效果。

BTOPMC在山区流域暴雨洪水预警预报中的应用

为验证分布式水文物理模型BTOPMC在山区流域暴雨洪水预警预报中的适用性,利用BTOPMC模型对四川省2个山洪易发流域的暴雨洪水过程进行模拟。结果表明:BTOPMC模型能够较准确地模拟洪峰流量以及洪峰出现时间,达到暴雨洪水预警预报对模型的要求,该模型适用于山区流域的暴雨洪水预警预报。

基于GLUE方法的分布式水文模型BTOPMC参数不确定性分析

为了解分布式水文物理模型BTOPMC参数不确定性对模拟精度和预测结果的影响程度,以湄公河为例,采用GLUE方法对BTOPMC参数的不确定性进行了研究。在选定参数的先验分布为均匀分布的基础上,选择用累计似然分布的5%和95%的评价作为预测不确定性的界限,得到90%置信区间的降雨径流(洪水)过程线。结果表明,大部分时段实测洪水流量都落在了90%置信区间之内,说明采用GLUE方法对BTOPMC模型的参数进行不确定性分析是可行的。

降雨时间尺度对BTOPMC模型参数及洪水模拟的影响

以分布式水文物理模型BTOPMC为平台,选取四川省东南地区湔江、石亭江、明江流域为研究区域,探讨降雨时间尺度对该模型参数的影响,以提高模型洪水模拟结果的精度,并为建立流域物理特性与模型参数之间的定量关系提供参考。结果表明,不同时间尺度下三个流域不同洪水过程模拟结果均较好,1h时间尺度下的模拟结果纳希效率明显高于2h、3h时间尺度。

BTOPMC模型在小流域的适宜性及参数敏感性研究

将为大流域开发的一个具有物理基础的BTOPMC分布式水文模型应用于史灌河流域的黄泥庄集水区,检验该模型在小流域的适宜性,并对模型参数进行敏感性分析。模拟结果表明,对小流域径流总量较精确,径流系数误差很小,为模型参数率定提供指导。

BTOPMC模型参数敏感性分析及应用

根据改进的Morris筛选法对BTOPMC模型进行参数敏感性分析,辨析出影响淮河流域史河上游黄泥庄水文站以上集水区径流模拟结果精度的主要参数因子:导水率衰退因子m、糙率系数n0、土壤脱水函数系数alpha。在16a的逐日模拟中,1982-1987年为模型率定期,2001-2010年为模型的验证期,模拟结果显示,径流总量比值在率定期和验证期都大于99%,Nash效率系数高于0.75,BTOPMC模型模拟结果良好。

BTOPMC模型在无资料地区的径流模拟

选取嘉陵江中游的9个流域,采用参数移植法的区域化方法,研究分布式水文模型BTOPMC在无资料地区的径流模拟结果。取8个流域作为参证流域,一个有资料的流域作为＂无资料＂地区,结果表明,单个流域率定的参数运用到＂无资料＂地区用于径流模拟时,模拟的精度存在很大的不确定性,而将多个流域参数率定的参数综合用于无资料地区的径流模拟时,不确定因素明显消除,当参证流域为2-5个时,模拟精度最好,之后随着参证流域的增多,模拟精度逐渐减小。本次研究为分布式水文模型BTOPMC模型在无资料的中小流域应用提供一定依据。

东湾流域BTOPMC模型和新安江模型的应用比较

对BTOPMC模型的原理、结构以及参数进行了详细介绍,利用东湾流域DEM资料、土地覆盖资料、土壤组成资料、NDVI数据、月平均气候资料及1982—2000年的实测水文资料,对BTOPMC模型与新安江模型的模拟性能进行了比较研究。结果表明,新安江模型整体的模拟精度较BTOPMC模型的模拟精度要高。

基于BTOPMC模型的NDVI分辨率影响研究

归一化植被指数NDVI是S-W模型计算蒸散发的主要输入资料之一。分别采用月分辨率和10d分辨率的NDVI估算黄泥庄流域1985~1987年蒸散发能力并驱动一个水文模型,以研究NDVI分辨率对蒸散发能力估算和水文模型精度的影响。结果表明:由10d分辨率NDVI计算的根系层蒸发能力和植被截留蒸发能力都比由月分辨率资料计算的值小,年根系层蒸发能力减少9.77%~13.64%,植被截留蒸发能力减少5.34%~8.43%,并且,NDVI分辨率在夏季对根系层蒸发能力影响较大,而在冬季对截留蒸发能力影响较大。利用估算的两种蒸散发能力值分别驱动BTOPMC模型并分别率定参数,模型两种模拟结果较接近,水文模型对NDVI分辨率并不敏感。

BTOPMC模型蒸散发计算及径流模拟

将BTOPMC模型应用于淮河流域黄泥庄集水区,模型蒸散发模块模拟效果良好;流域蒸散发能力计算值与水面蒸发实测值的比较结果表明月蒸发值差别较小,年蒸发量计算值与实测值一致;1982-1987年逐月叶面积指数与实测水面蒸发值变化趋势相符。径流模拟结果表明对小流域径流总量较精确,径流系数误差很小。

DEM分辨率对BTOPMC参数及模拟结果的影响

以日本富士川流域为研究对象,在4种不同的DEM分辨率条件下利用BTOPMC模型对洪水进行了模拟,并对各种分辨率条件下所得的模型参数以及模拟结果进行了对比。结果表明:①DEM分辨率对饱和土壤导水率、平均饱和差初始值的影响比较大,对饱和土壤导水率的衰减因子、根层最大储水量、糙率的影响不是很明显;②由于对流域物理特性进行了概化,因此模拟的精度不是很理想,但总体结果还可以接受;③并不是DEM分辨率越高模拟的效果就越好。

土壤空间分辨率对BTOPMC模型径流模拟的影响

以湄公河为例,给出了3种不同分辨率的网格土壤类型,分析了不同的土壤空间分辨率对BTOPMC模型参数的影响。结果表明:不同分辨率下,用1980年优化得到的BTOPMC模型参数模拟1982年径流时,都能体现湄公河流域的水文过程,且峰现时差几乎不受土壤空间分辨率的影响;使用不同土壤分辨率的数据进行优化得到的Nash效率相近;BTOPMC模型对土壤信息的敏感性较弱。

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。

基于BTOPMC的无资料区水文模拟及相似性分析

针对稀缺资料地区分布式水文模型无法直接应用的问题,以无径流观测资料的西充河流域(西充境内)为研究区、以相近的李子溪流域为参证流域,建立了BTOPMC模型进行流域水文相似性分析,并采用参数移植法模拟研究区径流过程。结果表明:参证流域径流模拟结果良好,经参数转移之后的BTOPMC模型具有一定的适用性。该方法解决了水文模型在参数移植构成中的不确定性问题,可为其他无观测资料流域的模拟提供借鉴。

雨量插值方法对BTOPMC模型及洪水模拟的影响

以BTOPMC为研究对象和平台,用最邻近插值法、算术平均法、引入面积权重的泰森多边形法、引入泰森多边形的距离反比加权法4种不同的降雨空间插值方法,对3个小流域进行了洪水模拟,分析了各插值方法对模型参数、模拟精度、洪水洪峰流量、峰现时间等的影响。结果表明:引入泰森多边形的距离反比加权法在各插值方法中表现较好,对各流域各场洪水洪峰流量的模拟精度较高,模拟洪峰时刻与其他几种方法相比更接近实测洪峰时刻;BTOPMC模型原有的最邻近插值法在对模型参数进行率定时Nash效率较高,但在验证时比另外3种插值方法低;引入面积权重的泰森多边形法在模拟中表现不稳定。