基于WEP-QTP模型的近65 a黄河源区径流演变分析

为研究黄河源区径流演变规律,以WEP-QTP(The Water and Energy transfer Processes in the Qinghai⁃Tibet Plateau)模型为基础构建基于水热耦合的黄河源区冻土水文模型。采用玛曲站2019—2021年冻融期逐日土壤温度及土壤液态含水率对模型进行验证,率定期及验证期决定系数(R2)均值为0.8左右,均方根误差(RMSE)均值分别为1.0℃及0.04左右;采用8个冻土监测点1971—2000年冻融期逐日冻土深度进行验证,决定系数(R2)均值为0.89,均方根误差(RMSE)均值为214.81 mm。模型模拟黄河源区1956—2020年逐月流量过程,效率系数(NSE)为0.8左右,相对误差(RE)为5%左右,表明模型能较好地模拟黄河源区径流过程。利用M-K趋势检验分析得到1956—2020年黄河源区径流呈不显著增加趋势,其变化趋势是降水与气温共同影响的结果。冻融期、非冻融期径流与全年趋势一致。降水增加、气候变暖及冻土退化使径流组分发生变化,地表径流及地下径流均呈增加趋势,但地下径流在全年及冻融期增加趋势更加显著。

以WEP为基础的寒区田间水循环模拟分析——以青冈县为例

水循环系统是自然界最重要的物质循环之一,构建区域水循环系统是合理调配水资源的重要方法。黑龙江省是我国重要的粮食生产地区,随着我国新一轮振兴东北计划的实行,对于地区水资源的保障提出了更高的要求。文中使用WEP模型软件对黑龙江省青冈县进行自然水循环的模拟分析,使用2018-2022年的逐月统计数据建立模型,对建立后的模型进行验证分析,结果显示水资源总量5年内增加了8.83%,农田土壤的最大冻结深度降低了29%;土壤的含水量同比增加了6.8%,地下水总量保持稳定,2021和2022年的地下水受降雨的影响减小。综上,该地区水资源总量相对稳定,土壤冻结深度对于土壤含水量影响较大,随着冻结层厚度的减少,土壤含水量随之增加,土壤含水层厚度增加,导致地表水受降水量的影响效果降低,使地下水含量变得稳定。

基于WEP-QTP的长江源区径流组分变化及驱动机制

为研究气候变化条件下高原寒区径流演变规律,利用WEP-QTP模型模拟了1956~2020年长江源区水循环过程,分析了长江源区径流及其组分演变规律,并基于多因素归因分析方法定量分析了径流变化的驱动机制。结果表明:1956~2020年长江源区径流组分中降雨径流、融雪径流及融冰径流占比分别为79.4%,17.2%和3.4%。对比基准期(1956~1998年)与变化期(1999~2020年),气候影响下径流变化量为21.4亿m^(3),气温和降水对径流增加的贡献率分别为-8.4%和108.4%。对径流组分进行分析,气候影响下降雨径流变化量为24.8亿m^(3),气温和降水对降雨径流增加的贡献率分别为36.2%和63.8%;气候影响下融雪径流变化量为-3.1亿m^(3),气温和降水对融雪径流减少的贡献率分别为348.1%和-248.1%;气候影响下融冰径流变化量为-0.3亿m^(3),气温和降水对融冰径流减少的贡献率分别为-21.5%和121.5%。对径流及其组分逐月过程进行分析,气候变化对径流及其组分的影响主要集中在6~10月。

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WEP模型和TRMM_PR的唐家山堰塞湖入湖径流预报

为解决缺资料地区的堰塞湖入湖径流模拟预报问题,本文以2008年5月12汶川大地震形成的唐家山堰塞湖为研究对象;采用分布式水文模型与热带降雨测量卫星的降雨数据(TRMM_PR)相结合的方法,设置了3种降水输入模式,对堰塞湖形成期内(5月12日—6月9日)的日均入湖流量进行了模拟预报,并利用监测期内(5月29日—6月9日)入湖径流实测资料与模拟结果进行了对比。结果表明:根据气象站实测降水数据对TRMM_PR数据进行修正后输入模型(模式3),比将气象站实测数据直接输入模型(模式1)和将TRMM_PR观测数据直接输入模型(模式2)的模拟结果要好。本文的模拟结果表明,分布式水文模型可以和星载雷达测雨数据相结合可有效弥补因气象站点过于稀疏、单站控制面积过大造成的资料缺乏问题,而利用气象站点观测数据对TRMM_PR数据进行修正可以有效改善模型的降水输入,从而可以提高入湖径流预报精度。

WEPS模型下天津郊区风蚀尘对城区空气质量的影响

为了模拟天津市郊区地表风蚀起尘对城区空气质量影响,以美国风蚀预报系统(WEPS)为基础,并对其进行二次开发,本地化风文件、其他气象要素文件、土壤文件以及管理文件.循环计算每个起尘地块不同季节的蠕移质+跃移质平均损失量、悬移质平均损失量及PM10平均损失量.结果表明,2009年冬季,单位地块的起尘量与总起尘量均大于其他季节;冬季,指向中心城区蠕移+跃移量、悬浮量及PM10各区总起尘量较其他季节大.春季,总起尘量来自东方向最大;夏季,来自西方向最大;秋季,来自西方向最大;冬季,来自北方向最大.一年中,来自北方向的PM10最多,达9.67×104t,而冬季占81.7%.可见,位于城区北面的郊区尤其在冬季对城区空气质量的影响最大.

WEP模型参数自动优化及在汉江流域上游的应用

本文将全局参数自动优化算法—复形进化算法,引入WEP-L模型,并成功应用于汉江上游流域。通过复形进化算法参数自动优化,可找到WEP-L模型的一套较优的参数。同时,为比较不同目标函数对参数敏感性与自动率定的影响,分别对8种目标函数进行了参数敏感性分析及自动率定。结果显示,如果以水量误差和纳什效率系数为评价标准,排序后的残差平方和及其变化形式的效果较好。WEP-L模型参数敏感性分析及参数自动化率定的实现,可提高WEP-L模型参数率定的科学性和客观性,从而方便WEP-L模型的推广与应用。

IEEE802.11中WEP认证协议的SPIN模型检测

用SPIN工具对WEP认证协议进行模型检测,不仅可以从状态空间上搜索出协议的漏洞,还可以各个角度分析WEP协议的运行逻辑。模型检测的方法先通过建立WEP认证协议的模型,转换成SPIN的输入语言Promela,然后通过建立WEP协议的性质转化成LTL语言,最后利用SPIN工具分析WEP认证协议。实验的结果说明WEP认证协议存在漏洞。

WEP协议分析及其统计模型描述

文章分析了无线局域网802.11协议使用的链路层的安全措施———WEP协议,在此基础上指出64位或128位的WEP密钥的不安全性。并利用统计模型给出了一些结论,指出所需花费的时间及所需捕获加密包的数量。最后给出在802.11环境中获得安全的一些建议。

风蚀预报系统(WEPS)介绍

风蚀预报系统是美国农业部组织多学科科学家开发的、目前最完整、手段最先进的土壤风蚀预报模型,成为风蚀定量评价、指导风蚀防治实践以及环境规划与评价的重要技术工具。对风蚀预报系统的设计、结构、模拟过程及模拟技术等做了简要介绍。

1959—2018年增江流域多时间尺度水源涵养变化特征

随着水资源短缺成为全球关注的焦点,水源涵养功能已成为流域生态系统最重要的服务功能之一和可持续发展的关键因素。然而,目前关于水源涵养功能的研究多集中于使用水源涵养的多年平均值,鲜有研究关注长序列水源涵养功能的多时间尺度变化规律。为此,文章以广州重要的水源区和生态屏障的增江流域为例,基于WEP-L分布式水文模型和水量平衡方程,分析了1959—2018年增江流域水源涵养年、月、日多时间尺度变化规律,探讨水源涵养的供给、调节和削峰补枯功能。结果表明:1959—2018年增江流域多年平均水源涵养685.7 mm,以-1.30 mm/a速率不显著减少;1959—2018年增江流域多年平均月水源涵养1—9月为正值,10—12月为负值,1、3、6、11和12月水源涵养呈不显著增加趋势,其他月份呈不显著减少趋势,变化趋势范围为-0.04~-0.67 mm/a;近60 a增江流域Max1day、Max3day、Max5day和Max7day为正值,而Min1day、Min3day、Min5day和Min7day为负值,除Min5day和Min7day的水源涵养不显著减少外,其他6个日极端水源涵养指标都呈不显著增加趋势;空间上,年尺度水源涵养变化呈东南和北部低,西南高的态势;1959—2018年增江流域年、月、日水源涵养分别体现其供给、调节、削峰补枯的功能;水源涵养与降水的相关性较大,且明显高于蒸散发和地表径流的相关系数,表明降水是水源涵养的最重要影响因素。

基于WEP-L模型的寒区流域径流演变模拟及归因分析

寒区在我国分布广泛,且多为我国主要江河的源头区,其水循环演变会对地区乃至全国的水资源情势产生重要影响。针对寒区冻土作用下特殊的水文特性,研究选择松花江、黄河、黑河、长江、雅鲁藏布江流域内5个典型寒区流域,采用改进的WEP-L模型模拟分析了寒区径流在1960—2010年的时空变化规律。同时,基于水文模拟法,设计不同气候变化与土地利用情景对各寒区流域径流变化进行了归因分析。研究表明:WEP-L针对不同的寒区流域逐月径流过程,取得了较好的模拟效果,NSE(纳什效率系数)基本在0.7以上,相对误差控制在±15%内。5个流域的径流量变化趋势表现为弱显著性,但是黄河流域(唐乃亥以上)和黑河流域(莺落峡以上)的基流指数显著增加,说明这两个流域的河川基流占比不断增加,主要原因可能在于冰川融雪的增加。除了松花江流域(阿彦浅以上)外的四个寒区流域的气候变化对径流的影响较高,贡献率达到78%以上,是径流演变的主导作用。研究结果有助于增强对寒区水循环和水资源演变的认识,为应对未来变化环境下寒区水问题提供参考。

基于WEP的横断山垂直带水文过程模拟研究

为了更好模拟横断山在气象、植被、土壤、水分等垂直地带性影响下的水文过程,本文采用分布式流域水文模型WEP,提出反映空间分异特征的垂直带参数化方案,并选择横断山流域14个水文控制断面1960—2015年的逐月径流数据进行了模拟验证。结果显示,垂直带参数化方案较好地模拟了横断山区的水循环过程;通过两种对照方案和垂直带参数化方案的对比表明,“垂直带参数化方案”比“普通的参数方案”的NS提高0.03、RE降低1%,比“均一化参数方案”的NS提高0.3、RE降低19.6%。通过考虑参数的垂直变化影响,能够提高模型模拟效果,且可更好地反映气象、植被、土壤、水分等信息的垂直地带性,弥补以往水文模型对参数的垂直变化描述不足的问题。

基于三维参数化方案的二元分布式水文模拟

分布式水文模型通过参数化方案处理参数空间异质性对水文模拟的影响。针对目前参数化方案对山区流域参数垂向差异考虑不足的问题,开展了三维参数化方案研究,建立了基于垂直地带性的三维参数化方案,针对性地改进了WEP-L模型,并以密云水库上游流域为例对方案效果进行了分析。结果表明:(1)和以往二维参数化方案相比,三维参数化方案可大幅提升分布式水文模拟精度,流域内主要控制站近60年逐月实测径流过程模拟效果得到有效改善;(2)模拟精度提高的主要原因是改进后方案同时考虑了植被类型垂直地带性及海拔高度对参数空间分布的影响。

1960~2020年千岛湖流域水资源情势演变分析

针对气候变化条件下千岛湖流域水资源演变情势,建立WEP-L分布式水文模型模拟流域1960~2020年水循环过程,采用Mann-Kendall非参数检验法和Hurst指数法分析流域水资源总量年际变化、年内分配特征,评价了千岛湖流域水资源量时空分布与演变趋势。结果表明,WEP-L模型在千岛湖流域模拟结果较好,率定期的Nash系数在0.83以上,验证期的Nash系数在0.85以上;全流域产水系数在0.436~0.630之间,多年平均水资源总量122.5×10^(8)m^(3),折合产水深1176.4 mm,年内分配过程呈单峰型结构,各子流域产水深范围在742~1266 mm,空间分布呈西高东低;流域年水资源总量系列呈不显著上升趋势,Hurst指数0.86,存在上升的持续性;从月度水资源量来看,1、2月显著增加,其余月份变化均不显著。

流域产输沙模型中考虑泥沙来源的动态粒径计算方法

为准确反映泥沙粒径分布特征在不同时间尺度上的变化过程,提高流域产输沙模型的模拟精度,以黄河干流玛曲水文站以上区域为研究对象,根据不同季节的泥沙来源不同这一特点,采用坡面、谷沟、河道各来源的泥沙量作为权重,基于WEP-SED分布式流域产输沙模型对流域产输沙过程中的综合泥沙中值粒径进行加权平均计算,并对采用泥沙固定粒径计算方法和不同来源的泥沙动态粒径计算方法的模型模拟的玛曲水文站输沙率进行比较。结果表明:与采用泥沙固定粒径计算方法相比,采用泥沙动态粒径计算方法可有效提高模型模拟精度,其NSE值从0.601提升至0.706;采用泥沙动态粒径计算方法模拟的泥沙中值粒径呈现汛期小、非汛期大的动态变化规律,其年内分布规律与实测资料一致。

抚河流域气象干旱向水文干旱传播的影响机制研究

气象干旱是水文干旱发生的前兆,探究影响气象干旱向水文干旱传播的主要因素对建立有效的基于气象干旱的水文干旱监测预警具有重要意义。以抚河流域为例,采用标准化降水指数和标准化径流指数分别评估气象干旱和水文干旱,并构建基于流域分布式二元水循环模型的干旱传播评估方法,采用多因素综合影响贡献量分解法量化气候变化和人类活动对干旱传播变化的贡献。结果表明:建立的抚河流域分布式二元水循环模型模拟流域出口断面流量的纳什效率系数大于0.85,相对误差在5%之内;气象干旱向水文干旱传播关系变化的时间是1980s—1990s。相对于1956—1990年,1991—2019年气象干旱向水文干旱的传播率降低了8.3%;在气象干旱向水文干旱传播的影响中,气候变化的减缓作用占主导地位,贡献量为-9.9%;其次是人类活动的加剧作用,贡献量为1.6%;降水作为干旱的主要致灾因子,变化期增加了144.3 mm,这对于减弱气象干旱向水文干旱传播的敏感性起到主要作用。

考虑两流区影响的分布式水文模型及其应用

黄土塬区土层巨厚,土壤入渗过程包括优先流和基质流,但其两流区入渗过程不同于山区等区域。目前,分布式水文模型在黄土高原应用时未考虑优先流对降雨入渗过程的影响,造成模型在黄土高原应用时模拟失真,精度较低,大大限制了流域分布式水文模型的广泛适用性。基于传统降雨入渗模型(Green-Ampt模型),研究通过引入总土壤饱和含水量和土壤总饱和导水系数,改进分布式水文模型,构建黄土塬区两流区WEP分布式水文模型。选择黑河流域作为研究区域,分别利用改进前、后的WEP模型模拟研究区的降雨径流过程,对比验证WEP模型改进后的适用性。结果表明:与传统WEP模型相比,通过考虑两流区影响:对于月径流而言,流域断面逐月径流量相对误差绝对值均小于0.05%,Nash-Sutcliffe效率系数均大于0.69;而未改进模型的相对误差为0.06%~0.24%,Nash-Sutcliffe效率系数在0.66~0.70之间;改进后的模型率定期Nash-Sutcliffe效率系数由0.66升高至0.69,相对误差绝对值由0.24%降低到0.05%,在验证期内Nash-Sutcliffe效率系数由0.70提升到0.73,相对误差由0.06%减小到0.01%。针对日径流过程而言,模型改进后,Nash-Sutcliffe效率系数由-4.22提升到0.64,相对误差由57.17%降低到19.80%。通过考虑两流区对降雨入渗的影响,WEP模型对黑河流域断面月径流量以及日径流量过程的模拟效果明显改善,表明改进后的WEP模型在黄土塬区具有较好适用性,有助于增强对水分入渗过程的认识。

人类活动影响下的黄河流域水资源演化规律初探

应用分布式流域水文模型WEP-L模型初步分析了人类活动影响下的黄河水资源演化规律。通过2000年现状下垫面条件下的评价结果与历史系列条件下的评价结果比较,以及考虑与不考虑人工取用水条件下的模拟结果比较,初步发现:黄河流域在强烈的人类活动影响下,水资源量及其构成均发生了显著变化,地表水资源量衰减,而不重复地下水量增加;在狭义水资源衰减的同时,伴随着有效蒸散即降水有效利用的增加,流域广义水资源量有一定幅度增加。研究成果对黄河的治理规划和水安全战略具有参考价值。