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。

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。

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。

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。

黑河流域水循环系统的分布式模拟(Ⅰ)——模型开发与验证

从水循环的物理机制着手,在考虑人工侧支循环的基础上,以现代地理信息技术为数据处理平台,开发了黑河流域水循环系统的分布式模拟模型.文中系统描述了模型结构,从水循环过程和能量循环过程2个方面对模型各要素的过程模拟进行了阐述,其中水循环过程包括蒸发蒸腾、入渗与径流、地下水运动、地下水流出和地下水溢出、坡面汇流与河道汇流、人工侧支循环等要素过程.在获取各类输入参数后,采用1km网格、以日为时间步长对黑河流域上、中游地区（36 728个网格单元）进行了1981～2002年的逐日模拟.结果表明,所建立的分布式模型对月径流过程和日平均流量过程具有较高模拟精度.校正期内前后两个验证期均得到良好验证.该模型可用于预测未来环境变化条件下流域水资源演变.

三川河流域水资源演变个例研究

以三川河流域为例,应用WEP-L分布式水文模型和集总式流域水资源调配模型偶合而成的二元水循环模型,模拟了不同情景下流域水循环过程。在此基础上,定量分析了降水、人工取用水以及下垫面条件这三个主要驱动因子对流域水资源演变的影响。在模型中保持其它条件不变,仅以改变降水、人工取用水及下垫面条件来模拟8种不同情景的水循环:情景1,1956-1979年降水系列、2000年下垫面、无人工取用水;情景2,1980-2000年降水系列、2000年下垫面、无人工取用水;情景3,1956-2000年降水系列、2000年下垫面、无人工取用水;情景4,1956-2000年降水系列、2000年下垫面、有人工取用水;情景5,1956-2000年降水系列、1956-2000年系列模拟下垫面、无人工取用水;情景6,1956-2000年降水系列、2000下垫面、无人工取用水;情景7,1956-1979年降水系列、1956-1979年系列模拟下垫面、无人工取用水;情景8;1980-2000年降水系列、2000年下垫面、有人工取用水。情景2和情境1比较,发现降水单项因子减少4.5%引起各种口径水资源量的减少,地表水资源量减少18.4%,地下与地表水资源不重复量15.8%,狭义水资源量18.3%,有效蒸散发量2.1%,广义水资源量4.6%。情景4和情境3比较得出,在人工取用水单项因子作用下,地表水资源量减少4.6%,而地下与地表水资源不重复量增加113.5%,在狭义水资源量减少0.4%的同时,伴随有效蒸散发量增加0.9%,广义水资源量增加0.7%。情景6和情境5对比,发现在下垫面条件单项因子作用下,狭义水资源量及其构成地表水资源量和地下与地表水资源不重复量分别减少4.3%、4.3%和2.8%,有效蒸散发量增加7.1%,广义水资源量增加5.3%。情景8和情境7对比分析得出,三个因子对水资源量的综合影响是,地表水资源量减少30.6%,地下与地表水资源不重复量增加114.5%,狭义水资源量减少25.8%,有效蒸散发量增加6.7%,广义水资源量增加1.1%。研究成果对于其它流域水资源演变规律研究具有参考价值。