基于NRIHM的分布式水文模型在湿润流域的应用

分布式水文模型是水文模型的发展趋势,南京水文研究所模型(NRIHM)是架构灵活的集总式水文模型,为探索基于NRIHM的分布式水文模型在湿润流域开展水文模拟的可行性与适应性,在湿润地区南大洼—沙河集嵌套流域开展了相关研究。首先基于NRIHM产流模型构建思路构建了一层产流模型与二层产流模型,利用天然试验流域观测成果进行了栅格点尺度的产流模拟验证,对比模拟结果发现二层-抛物线的组合方式模拟效果更优。基于此种产流计算方法,构建了具有二层土壤结构的分布式水文模型,以长江滁河水系沙河集水库以上集水区为研究流域开展应用,率定期和验证期平均确定性系数分别为0.80和0.86,平均洪峰、洪量相对误差也均低于20%,表明该模型能够较好模拟实际径流过程,初步证明了该模型在湿润地区具有较好的适用性。

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。

基于分布式水文模型的水源涵养不同功能评估方法——以渭河涵养区为例

为了实现水源涵养量计算和不同功能的综合评估,基于分布式水文模型(WEP-L)提出了一种新方法,即利用WEP-L模型计算次降水过程中降水量和地表产流、冠层截留量的差值作为水源涵养量,并分别评估削洪(地表径流量)、补枯(地下径流量)、维持植被生态系统用水(植被蒸腾量)等不同水源涵养功能的评估方法。为了验证该方法的合理性,以渭河流域咸阳站以上区域为例,对比了该方法和InVEST模型方法的计算结果,由于两种方法在评估内容和使用模型上都存在差异,为了保证计算结果的可比性,先对比了基于相同评价内容的WEP-L模型法I和InVEST模型方法,再对比了基于不同评价内容的WEP-L模型法I和WEP-L模型法II,结论如下:基于相同评价内容的WEP模型法I和InVEST模型法计算结果数值接近,研究区2000—2018年水源涵养量年均值分别为12.43 mm(5.76亿m~3)和12.08 mm(5.6亿m~3),两种方法所得结果空间分布特征相似,稍有差异之处与InVEST模型的参数没有经过本地化处理有关;基于不同评价内容的WEP-L模型法Ⅰ和WEP-L模型法II计算结果数值相差较大,研究区2000—2018年水源涵养量均值分别为12.43 mm和432.57 mm,空间分布特征上有差异的地方分布于研究区的北部、东部及东北部,主要与两种方法评价时是否考虑蒸散发有关。WEP-L模型法II评估结果中削洪、补枯、维持植被生态系统用水等功能多年变化趋势分别为:2006—2010年期间增加、2012年以后下降以及增加。2012年后补枯功能和维持植被生态系统用水功能之间可能存在权衡关系。通过不同方法计算结果差异原因分析,证明了基于WEP-L模型的不同涵养功能评估方法的合理性,其结果也可为渭河涵养区水资源和生态保护策略的制定提供更多依据。

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。

分布式水文模型在“22.6”北江特大洪水中的应用研究

为提升精细化洪水预报能力,强化数字孪生流域建设基础支撑,将基于物理机制的分布式水文模型应用于“22.6”北江特大洪水模拟和分析。结果表明,该模型对北江流域内29个水文站点的洪水过程和洪峰流量模拟效果良好,较好反演了“22.6”北江洪水过程,在北江流域具有较好的适用性;经飞来峡水库断面入库洪水还原分析,北江上游三大水库和飞来峡水库联合调度有效削减了下游洪峰流量。分布式水文模型的应用,有助于提升精细化洪水预报能力,强化数字孪生流域建设基础支撑。

基于时空变源分布式模型的流域洪水复盘分析方法——以海河流域北三河系“23·7”较大洪水为例

海河流域北三河系覆盖北京、天津、河北三省(直辖市),其防洪安全事关当地社会经济发展。为有效应对气候变化影响下极端暴雨频发所带来的洪水防御新挑战,提出了一种时空双维度流域性洪水复盘新思路,以“23·7”北三河系较大洪水为例,通过构建时空变源分布式水文模型结合暴雨时空统计分析对全河系洪水的发生、发展过程进行了模拟。模拟结果的确定性系数均大于0.7,洪峰相对误差均小于5%,所建模型可以较好地表征此次洪水的产流机制变化。分析发现,此次洪水过程中北运河流域产流以蓄满产流机制为主,潮白河流域产流则蓄满及混合产流两种机制均有体现,特别是靠近降雨集中区的山区平原过渡地带表现出明显的混合产流机制。建议在未来进一步完善流域防洪体系,重点提升该区域的水雨情监测能力。所提出的时空双维度下的流域性洪水复盘分析方法可为今后其他流域级洪水模拟复盘提供技术参考。

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。

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。

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.

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。