基于水热平衡的分布式水文模型研究与应用

分布式水文模型在水利部“四预”建设中发挥了至关重要的作用,但无径流资料区(简称无资料区)分布式水文模拟技术仍需进一步完善。从水热循环产汇流理论、模型构建与求解、模型参数率定三个方面入手,改进传统分布式水文模型。提出了耦合热量平衡的流域产汇流理论,揭示了水量热量动力学过程耦合机理和水热循环通量量化关系。构建了系统完整的物理机制水热平衡分布式水文模型及其数值求解方法,实现了流域地表温度和水位的分布式数值模拟。明确了模型结构和参数的物理意义,降低了需要率定的参数个数。将参数率定目标由径流量转换为地表温度和水位,综合利用遥感反演和台站观测资料率定模型参数。将研发的模型在江西赣江流域进行应用,结果表明,构建的模型具有较强的物理机制,数值求解方法精度高、稳定性好,实现了无资料区参数率定和水文模拟,为无资料区分布式水文模型研发与应用提供了新思路。

基于GPU加速的分布式水文模型并行计算性能

针对具有物理机制的分布式水文模型对大流域、长序列模拟计算时间长、模拟速度慢的问题,引入基于GPU的并行计算技术,实现分布式水文模型WEP-L(water and energy transfer processes in large river basins)产流过程的并行化。选择鄱阳湖流域为实验区,采用计算能力为8.6的NVIDIA RTX A4000对算法性能进行测试。研究表明:提出的基于GPU的分布式水文模型并行算法具有良好的加速效果,当线程总数越接近划分的子流域个数(计算任务量)时,并行性能越好,在实验流域WEP-L模型子流域单元为8712个时,加速比最大达到2.5左右;随着计算任务量的增加,加速比逐渐增大,当实验流域WEP-L模型子流域单元增加到24897个时,加速比能达到3.5,表明GPU并行算法在大尺度流域分布式水文模型计算中具有良好的发展潜力。

基于SWAT模型的格尔木河上游分布式水文模拟和径流预测

研究格尔木河流域水文循环过程并预测未来流域水资源的变化特征,对地区生态环境保护和下游盐湖矿产资源可持续开发利用具有重要意义。选取格尔木水文站以上区域构建SWAT(Soil and Water Assessment Tool)分布式水文模型。采用大气同化数据集为气象驱动,联合区域内纳赤台和格尔木水文站的实测月尺度径流数据进行参数的率定和验证。在率定期和验证期内,纳什效率系数、确定性系数和相对偏差系数均达到了良好的标准,表明SWAT模型在格尔木河高寒山区流域水文过程模拟中具有较好的适用性。研究表明流域降水量偏少,地表径流量、壤中流量与降水量的变化趋势具有较好的一致性,降水量年际变化中蒸散发量为主要消耗量,占40.26%。根据未来气候预测模型RegCM4.6,预测路径浓度RCP2.6、RCP4.5和RCP8.53种情景下格尔木河未来40年径流量呈增加趋势。3种情景下的年平均径流量较基准期(2006—2018年)分别增加了7.63%、11.01%、15.96%;随着温室气体排放浓度的增加,径流量呈现出增加趋势,特别是夏秋季增幅较大。短时间内径流量增大可能会引发格尔木市洪涝灾害,破坏盐湖企业生产设施;但若将洪水资源进行调控和利用,不仅防范了洪涝灾害,同时也利于解决盐湖企业日渐增大的用水需求难题。

基于分布式水文模型的内蒙古自治区小流域洪水分析技术研究与应用

山丘区在经历短时强降雨时,极易暴发山洪,由于内蒙古自治区小流域水文资料匮乏,导致其预报难度大。对内蒙古自治区全部小流域进行整合分析,重新划分了5935个小流域分区作为洪水预报分析单元,针对不同下垫面和气候条件分析各小流域分区的产汇流特性,以分布式水文模型集群为主对小流域洪水进行分析研究。选取锡伯河试点流域进行应用分析,在该试点流域内洪水模拟预报精度良好,能够满足地区小流域洪水预报预警需求。此研究成果可逐步在内蒙古自治区范围内进行试用推广,为全区防洪减灾提供科学依据。

基于分布式时变增益水文模型和CN05.1降水数据的赣江流域径流模拟研究

水文模型是径流模拟的重要手段,降水是水文循环的重要组成部分,模型的选择和降水数据的质量对流域径流模拟都具有重要意义。以赣江流域为研究区域,通过对比CN05.1降水数据与站点线性插值降水数据,分析CN05.1降水数据的可靠性,评估基于分布式时变增益水文模型(DTVGM)和CN05.1降水数据在赣江流域径流模拟的适用性。研究表明:(1)CN05.1降水和站点插值降水多年月平均降水年内变化过程类似,空间分布相关性很高,R均值为0.90,CN05.1日降水与站点插值日降水相关性较高,RMSE均小于等于7.52 mm,R均大于等于0.81;(2)基于CN05.1降水和站点插值降水数据模拟了赣江流域新田等6个水文站1961—2009年的流量,模拟流量在多数大流量处大于实测流量,表明模型对于大流量的模拟存在高估现象;(3)无论是日径流还是月径流,基于CN05.1降水数据的径流模拟精度均较高,且月径流模拟要优于日径流。因此,基于DTVGM模型和CN05.1降水数据在赣江流域径流模拟具有较高的适用性。

基于分布式水文模型的水土保持水文水资源效应研究

水文变化与影响机制颇为复杂,水文模型的出现与应用使得水文研究以及水资源规划更为便捷。其中分布式水文模型更是地理工作者的研究热点,并取得了显著进展。本文则借助水文模型分析水土保持水文水资源效应,简述分布式水文模型,重点结合实例探究水土保持水文水资源效应,旨在丰富此类水文模型的水土保持水文水资源效应研究,为相关工作提供参考。

岩溶分布式水文模型构建与应用

为了使分布式水文模型能够更好地应用于岩溶地区,针对岩溶地区的水文特性,对分布式模型加以改进,建立了一套可用于岩溶地区的分布式水文模型,并讨论了改进后的模型汇流时计算时间步长与最优计算次序对汇流的影响。模型构建时考虑到了岩溶地区的地下水中裂隙水与管道水对流域汇流的影响,从而对模型加以改进,使模型在物理意义上与汇流实际情况更加接近。以广西凤山县乔音河流域为例,对改进后的模型进行了应用研究,结果表明改进后的模型可以较好地模拟岩溶地区的降雨径流过程。

基于RAGA的分布式水文模型参数分类优化方法研究

计算效率低及异参同效(局部优化)是分布式水文模型参数优化研究中存在的主要问题。本文基于RAGA(基于实数编码的加速遗传算法),提出一种分布式水文模型参数分类优化方法,将需要率定的参数根据物理意义分成若干类,逐类进行优化。这种方法可降低待优化参数的维度,一方面可以提高优化计算的速度,另一方面可以在一定程度上逼近全局最优,减少异参同效的问题。本文采用分布式水文模型WEP-L(Water and Energy Processesin Large Scale Basin)模型,针对黄河流域玛曲水文站以上区域1997—2000年逐月流量过程进行参数率定,并对2006—2016年系列进行验证。对比参数不分类优化方法,发现采用参数分类优化方法后,WEP-L模型参数优化的速度提高37%左右,纳什效率系数(NSE)从0.739提高到0.829。说明参数分类优化方法既可以节约时间,又可以保证优化算法的全局性,提高模拟的精度。

分布式融雪径流模型研究进展

融雪径流在寒区、干旱区对当地的水资源起着十分重要的作用,但融雪同样也会带来融雪性洪水、山体滑坡等自然灾害,因此对融雪径流的模拟一直是寒旱区的重要热点,针对近些年来融雪径流模拟研究的发展趋势,介绍融雪径流模拟的主要类型,一类是基于能量平衡的物理模型,另一类是基于气温指标的度日模型。重点阐述分布式融雪径流模型的应用情况及其进展,并对分布式融雪径流模型进行讨论与展望。

基于动态分区的网格水文模型分布式计算

考虑到传统的水文模型串行计算方法无法满足当前复杂的水文模拟预报需求,为提高网格水文模型的计算效率,分析网格化水文模型计算中网格汇流特点,提出基于网格汇流流向的动态数据分区方法,不同分区数据可以并行计算,基于该方法提出基于Spark的网格水文模型分布式计算模型。通过在屯溪流域使用该模型与传统模型进行水文预报计算,验证了模型的高效性。

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。

基于TOPMODEL的分布式水文模型在中小流域的应用研究

及时准确的洪水预报可为防汛减灾、洪水风险评估、水资源调配管理等方面提供重要的理论指导和决策依据.本文根据TOPMODEL和一维水动力学原理,构建了一套适用于中小流域的松散型分布式水文模型,筛选了40场代表性洪水,对模型的模拟精度进行了评价.结果表明:所有场次洪水模拟结果的峰现时间误差绝对值合格率为97.5%、达到甲级预报精度,洪峰相对误差合格率为75%、达到乙级预报精度,效率系数合格率为77.5%、可达乙级预报精度.本文构建的松散型分布式水文模型,模型参数少、运算速度快且具有较强的物理机制,可为分布式水文模型在实时洪水预报领域的应用提供一条新思路.

洋河流域分布式SWAT水文模型研究

为了开展洋河流域水环境预测,提高洋河流域水质安全和供水保证率,构建了洋河流域分布式SWAT水质模拟模型,研究了径流量与污染负荷过程的响应关系,揭示了非点源污染负荷的产出特征。模拟结果表明,TP和TN的R 2均在0.8以上,具有较高精度,可以用于洋河水库水质预测研究,同时可用于同类型地区参考,为水源地水环境保护提供科学依据。

分布式水文模型参数群组敏感性快速定量评估研究

为提高分布式水文模型参数敏感性分析的效率,首次结合RSMSobo方法,对分布式水文模型SWAT模型进行参数群组的敏感性分析。结果表明:其下垫面综合影响参数CN值对SWAT模型水量目标影响程度最高,其参数群组的敏感度均值为0.52,计算单元坡比SLOPE对洪水过程影响程度最低。研究成果对于分布式水文模型参数群组的敏感度快速分析具有重要参考价值。

基于流域分布式水文模型构建的实践应用研究

水文地质建模是研究水文地质流程循环规律的重要工具,根据建模对下游空间离散影响的不同,将流域水文建模分成集总式和分布式。与集总式模型比较,散布式流域水文建模由于充分考虑了降水、下垫层等因素的时空不均匀性,对水文循环流程的描述也更加接近于真实环境,是现代水文建模发展的必然趋势。分布式模型自面世以来就在全世界得到了广泛的重视,是当前水文科学研究发展的热点之一。文章系统总结了分布式水文模型的研究历史和应用现状,系统分析了模式发展中存在的重要问题和难点,并对分布式水文模型的发展进行了预测。

基于TOPMODEL的分布式水文模型应用研究

在TOPMODEL模型理论基础上,设计了一个分单元处理产流和汇流过程的分布式水文模型。该模型分单元计算地形指数和模拟产汇流过程,并通过引入Nash地貌瞬时单位线进行单元汇流演算。最后,用模型对一个流域的产汇流过程进行了模拟并和实测的径流量做了比较,结果表明此模型合理具有较高的精度。

基于DEM的分布式水文模型构建方法

基于 DEM的分布式水文模型是现代水文学同高科技 (如计算机技术、 3S技术等 )相结合的产物 ,是研究变化环境下水文循环与水资源演化规律的理想工具 ,代表了水文模型的最新发展方向。从 DEM的特性出发 ,本文探讨并总结了分布式水文模型的特点、建模思路和模型基本结构框图。在流域离散化方面 ,重点介绍了分布式水文模型常用的三种单元划分方法 ;最后 ,针对分布式水文模型构建问题 ,从“输入模块”、“单元水文模型”、“河网汇流模型”三方面 ,阐述了分布式水文模型微结构构建方法。

黄河流域分布式水文模型开发和验证

研究目的是开发和验证大流域分布式水文模型,为黄河流域水资源评价和演化规律分析服务。在综合了分布式水文模型和陆面过程模型各自优点的基础上,开发出模拟对象为“天然—人工”二元水循环系统的WEP-L模型。该模型以“子流域内等高带”为计算单元,并用“马赛克”法考虑计算单元内土地覆被的多样性,避免了采用过粗网格单元产生的模拟失真问题。针对各水循环要素过程时间尺度不同的特点,计算时采用了1h至1d的“变时间步长”,既合理表述了水循环动力学机制又提高了计算效率。将全黄河流域划分为具有空间拓扑关系的8485个子流域和38720个等高带,采用45年(1956～2000年)水文气象系列数据及相应下垫面条件进行了模拟计算,并根据黄河流域主要水文站逐月和逐日径流系列进行了模型校验。验证结果表明,所构建的模型具有较高模拟精度,可应用于黄河流域二元水循环过程模拟和水资源演变规律分析。

分布式水文模型在黄河流域的应用

流域的水资源规划和管理都离不开水资源的定量化评估。而准确评估流域的水资源量,尤其是在大流域,必须明晰不同气候、地形、土地利用等自然条件下的水文循环过程。同时农业灌溉及水库调节等人工的直接取水和调控使水文过程变得更为复杂。仅依靠气象及水文观测数据,已很难拟合出单一的降雨-径流关系来模拟和预测流域水资源的时空分布。这时就需要一种新型水文模拟手段,它可以利用地理信息来描述流域的空间不均一性,并基于物理控制方程来描述水文过程,这就是分布式水文模型。作者介绍了这种模型及其在黄河流域的应用。

基于DEM的分布式水文模型研究综述

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。论文回顾了分布式水文模型30年的发展历史,对国内外分布式水文模型的研究状况做了简要评述。归纳出基于DEM的分布式水文模型的主要特点。在分布式水文模型的构建中,水文单元的划分是一个十分关键的环节,论文重点探讨了3种基于DEM常用的流域离散化方法。在模型结构方面,提出了一个典型的分布式水文模型框架,包括分布式输入模块,单元水文模型和河网汇流模型。在模型参数方面,提出了3种分布式水文模型参数的确定方法。最后。