CASC2D分布式水文模型异构并行算法研究

针对CASC2D模型精细化水文模拟时面临的计算耗时长、效率低等问题,在保持产汇流算法和流域拓扑结构的基础上,采用CPU+GPU的异构并行算法对CASC2D模型程序进行重新设计和优化,模型程序中的降雨、产流、坡面汇流和河道汇流过程均优化为并行计算,以提高CASC2D模型的计算效率。将优化后的CASC2D模型应用于前毛庄流域的洪水流量过程模拟,计算结果与原CASC2D模型保持一致。在栅格分辨率为30 m,计算步长为3 s时,与原CPU串行计算方法相比,并行加速比达到34倍以上,并且栅格单元数据精度越高,加速比提升越明显。异构并行算法可在不降低模拟精度的条件下显著提升CASC2D模型的计算效率,满足实时水文预报的应用需求。

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。

基于CASC2D模型的县北沟流域径流模拟研究

基于物理基础的分布式水文模型中的CASC2D模型,对县北沟流域径流过程进行了模拟分析,以确定性系数、洪峰相对误差、径流深相对误差为评判标准。结果表明,采用CASC2D模型在县北沟流域的径流模拟效果良好,8场洪水中有6场洪水确定性系数在0.75以上,且均值为0.85。洪峰相对误差合格率为100%,径流深相对误差合格率为87.5%,只有1986062614这场洪水径流深相对误差不合格。可见,CASC2D模型在县北沟流域具有较好的适用性,能用于该流域径流过程的模拟。

分布式水沙物理模型CASC2D-SED的应用研究

对基于栅格单元的分布式水沙物理模型在国内的应用进行研究。在介绍CASC2D-SED概念的基础上,研究其产流及产沙模块在国内半湿润地区以及产流模块在无资料地区径流模拟中的适用性。选取宁夏三关口流域以及好水川流域为典型研究流域,对三关口流域1983—1987年8场洪水进行了产流及产沙过程模拟,结果表明:模型的产流及产沙模块在三关口流域均取得良好的模拟效果,验证了模型的合理性及适用性。同时将三关口流域的参数移用于好水川流域,进行2010年及2011年4—9月的径流模拟,得到流域内15个计算点及流域出口处的日来水量,经验证,模型模拟结果可靠,可用于无资料地区的径流模拟。

CASC2D模型在半湿润半干旱地区的应用与研究

概念性的分布式水文模型由于其性较好的实用性取得了快速的发展,特别是基于蓄满产流机制的分布式水文模型已经在湿润地区得到了较广泛的应用,但是在半湿润半干旱地区却得不到很好的应用效果。现选取基于物理基础的采用超渗产流机制的分布式水文模型在半湿润半干旱地区进行应用,通过对陕西地区的3个流域的29场洪水进行模拟,研究CASC2D模型在半湿润半干旱地区水文模拟及洪水预报情况,认为模型可以用于中小尺度半湿润半干旱地区,并且有较好的模拟结果。

CASC2D模型和新安江模型的应用比较

通过CASC2D模型和新安江模型的原理对比,并选取前毛庄流域1978—2012年间的5场洪水和板桥流域2001—2005年间的4场洪水进行实际应用,从原理和应用两方面反映分布式水文模型和概念性水文模型的差异。根据对CASC2D模型模拟结果进行的误差分析、合理性分析,研究CASC2D模型的应用条件以及如何提高模型模拟精度。

截流缓释生态工程对流域径流影响

截流缓释生态坝是结合生物措施和工程措施对小型淤地坝改良后的水土保持措施。为了揭示改良后的水土保持措施对小流域径流的影响,为淤地坝新的发展提供借鉴,以骆驼林流域为研究对象,构建流域CASC2D-SED模型,以实测降雨径流资料进行参数率定及验证,通过实地勘察、试验确定工程建设后下垫面情况的变化,将工程与模型进行耦合,比较工程建设前后流域径流实测模拟对比分析,并结合流域径流量与径流系数的计算分析,确定工程对流域径流的影响。率定期模型确定性系数均在0.7以上,洪峰相对误差绝对值在20%以内,拟合度良好;工程建设后,流域径流量和径流系数均明显增加,径流系数增加3.5%左右;工程能够有效削减洪峰,减少洪峰流量30%左右。截流缓释生态工程能够显著地增加流域径流系数,并可以起消减洪峰的作用。

基于物理基础的分布式水文模型应用研究

为了探讨基于物理基础的分布式水文模型在国内半干旱半湿润流域的应用,研究模型径流模拟在中小尺度流域的合理性与适用性,采用基于连续栅格单元演算的分布式水文模型CASC2D,对县北沟流域1983年～2007年8场洪水和栾川流域1961年～1998年8场洪水进行了径流模拟。对模拟精度、特征值等方面进行的比较分析结果表明,模型在县北沟流域和栾川流域均取得较好的模拟效果,且县北沟流域的模拟效果比栾川流域好;模型适用于中小尺度的半干旱半湿润流域,在超渗产流与混合产流流域均能取得较高的精度。

基于坝系水资源高效利用的宁南山区降雨径流响应研究

汇集于坝系中的降雨径流是宁南山区地表水资源的重要来源。随着区域水土保持工程措施的实施,宁南山区降雨径流发生了较大的变化。以好水川流域为例,在构建数字流域模型的基础上,运用CASC2D分布式水文模型模拟了流域降雨径流对典型水土保持措施的响应关系,为区域坝系水资源高效利用和水土资源规划管理提供依据。

基于栅格的分布式水文模型应用研究

基于DEM的分布式水文模型是数字化时代水文模型发展的主要方向。笔者在DEM的基础上,GIS软件的支持下,采用基于连续栅格单元演算的分布式水文模型CASC2D,对半干旱地区三关口流域和典型湿润地区呈村流域进行洪水模拟。由于模型采用的是超渗产流模式,适用于半干旱半湿润地区,因此在半干旱地区的三关口流域模拟效果较好;而对于典型湿润地区的呈村流域,产流机制为蓄满产流,模拟的洪峰流量及洪量较实测数据偏小。

宁南地区小流域径流模拟及参数敏感性分析

以宁夏六盘山地区海子流域为例,在分析分布式水文模型CASC2D模型参数敏感性的基础上,结合观测数据率定模型参数后进行典型洪水模拟,分析了模型在流域面积小、降雨充沛、地形及土地利用变化较为复杂条件下的适用性。结果表明:截留深度、糙率、饱和水力传导度、饱和毛管水头为敏感性高或极高的参数;CASC2D模型模拟的确定性系数均在0.8以上,洪峰相对误差绝对值在10%以内,适用于流域面积更小的微单元流域。

基于物理基础与基于栅格的分布式水文模型研究

借鉴分布式水文模型CASC2D的研究并结合中国的情况进行改进。为提高模型的计算速度以及增加模型在中国流域的实用价值,在模型中引入Preissmann隐式差分方法来计算河道汇流并与原模型的显式差分方法进行对比;引入蓄满产流模式计算栅格单元的产流并与原模型的Green-Ampt产流模式进行对比;引入线性水库或滞后演算方法来描述湿润地区地下径流的汇流过程。根据Goodwin Creek和舒家实验流域的概况,拟定具体的研究方案,模型在两实验流域都取得了良好的洪水模拟效果,从而验证了模型结构的合理性和正确性。随着地理信息系统和遥感技术的进一步发展,分布式CASC2D模型将广泛应用于中小流域的洪水模拟和预报。