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。

一种改进的参数区间选取方法及在WEP-L模型中的应用

分布式水文模型由于参数众多,各参数之间不能完全独立,在参数自动率定中存在部分参数的优选过程相互抑制情况。以WEP-L(Water and Energy transfer Process in Large river basins)分布式水文模型为例,基于GLUE算法推求模型参数的后验分布,将参数全局敏感性分析的Sobol方法与概念性水文模型的参数区间优选方法相结合,给出了在较少参数采样次数条件下分布式水文模型不完全独立的多参数自动优选方案,并在白河流域进行了应用。结果表明:(1)用GLUE算法推求参数后验分布,结合Sobol分析及参数的区间优选方法,可对WEP-L实现参数自动率定,模拟精度能达到0.633;(2)将Sobol全局敏感度分析与参数的区间优选方法相结合,可进一步优化参数区间确定的原则,提高模拟的精度。研究结果可为分布式水文模型的参数率定提供借鉴。

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。

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。

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。

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。

农牧交错带地表水-地下水联合模拟研究——以毛乌素沙地为例

为探究变化环境下农牧交错带水文循环演变规律,以毛乌素沙地为研究区域,采用地质、水文、气象、人工取用水等数据构建了地表水(Water and Energy transfer Processes in Large river basin,WEP-L)-地下水(Visual Modular Finite Difference Groundwater Flow,Visual-MODFLOW)联合模拟模型,基于白家川水文站地表水月径流量和地下水位数据,对模型参数进行率定和验证。结果表明:WEP-L模型率定和验证期月径流过程的模型模拟的结果NSE都在0.40以上,R2都在0.65以上,相对误差都控制在±15%以内,模型对白家川水文站枯季月径流量过程模拟较为准确。Visual MODFLOW模型模拟的研究区域内4个代表井模拟时段内地下水位模拟值与实测水位的R2基本都在0.58以上,MAE小于0.3 m,RMSE在0.028~0.265 m之间,表明建立的地表水-地下水模型可用于毛乌素沙地水文循环过程分布式模拟。基于此,进一步探究毛乌素沙地地表水-地下水空间分布特征。结果表明:毛乌素沙地不同区域的地表径流量和地下水位差异性显著,地表径流量大的地方地下水位低。2019-2020年毛乌素沙地径流量减小,但空间分布基本一致,呈现从西到东逐渐增加的趋势,且沙地东南角的径流量最大;2019-2020年沙地地下水位几乎不变,表明地下水的补给量和开采量基本一致,空间上,沙地东南、东北角相邻地区的地下水位的差值较大,水位下降速度较快,与地形变化类似。研究成果可为农牧交错带农业用水配置,区域水资源规划与管理提供科学支撑。

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。

分布式水文模型时空离散化并行计算方法研究

时空离散化并行计算是一种效率较高的并行计算方法,但以往的研究主要基于MPI框架和多树编码规则。为了使应用广泛的Pfafstetter编码的分布式水文模型实现时空并行计算,采用OpenMP编程模型,为WEP⁃L分布式水文模型汇流过程设计了基于Pfafstetter编码的分层模拟单元方法和时空离散化方法。首先分层模拟单元方法根据Pfafstetter编码规则建立子流域拓扑表,使子流域按照从上游到下游的顺序进行分层,然后在此基础上考虑时间因素重新分层实现时空离散化,最后将同一层中时间及空间上互不影响的子流域模拟任务分配给不同的线程实现并行计算。选取黄河流域作为研究区域,在不同线程条件下对并行效果进行了测试,结果表明,汇流并行化提高了模型模拟效率。基于20核的CPU,仅考虑分层模拟单元方法时,加速比最大为4.14,而采用时空离散化方法时,加速比能够达到8.17。

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。

气候变化对黄河源区径流过程的影响

本文应用WEP-L模型分析了气温和降水变化对黄河源区年、月径流过程的影响。采用唐乃亥水文站1956～2000年的径流观测系列,对WEP-L模型进行了率定和验证。在模型验证效果较好的墓础上,设定了气温和降水变化的8个情景方案（对历史观测气象数据资料假定气温变化±1、±2℃,降水量变化±10%、±20%）,进行了模拟和对比分析。结果表明,年径流量和年内各月径流量对气温变化的响应情况不同。气温增高会引起年径流量减少,每年5～10月径流由于蒸发增大而有较明显的减少,但每年11月至次年4月径流受积雪融雪及冻土入渗能力变化影响会有增加。降水量的增加（减少）直接造成径流量不同程度的增加（减少）,径流增减幅度大于降水增减幅,月径流量对降水变化的响应可分成丰水季节、枯水季节及过渡季节三种类型。

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。

基于流域水循环模型的广义水资源评价(Ⅰ)——评价方法

本文针对传统水资源评价中仅以径流性水资源为评价对象、没有考虑生态系统对雨水资源的直接利用,不能反映水循环过程中的全部有效水量及其利用效率等问题,阐述了广义水资源(既包括径流性水资源,又包括植被、作物等生态系统利用的雨水资源)的概念,论述了广义水资源评价的必要性与可行性;提出了基于流域水循环模型的广义水资源评价方法和具体计算公式,并以分布式流域水循环模型WEP-L为例对广义水资源各构成部分如何计算进行了说明;提出了根据广义水资源各分量在循环利用过程中,是否发挥关键功效来初步界定“高效水量”和“低效水量”的评价方法。

现代环境下的流域水资源评价方法研究

本文总结了现行水资源评价方法应用现状以及发展的限制性因素,提出适合于现代变化环境,以“天然-人工”二元水循环理论为指导,依据水资源评价的有效性、可控性及可再生性准则,以 WEP—L分布式水文模型为评价手段的层次化动态水资源评价方法。

基于流域水循环模型的广义水资源评价(Ⅱ)——黄河流域应用

本文介绍了WEP-L模型在黄河流域的应用情况,包括输入数据处理、参数估算与模型验证,以及广义水资源初步评价成果。应用结果表明,所提出的模型和方法,能够评价径流性水资源、生态系统利用的雨水资源及其构成,能够分析在强烈人类活动影响下黄河流域广义水资源与构成所发生的显著变化。1985年及2000年下垫面条件下的水资源评价结果对比分析表明,水土保持、农田建设及取用水活动等引起的下垫面条件变化,使得流域狭义水资源总量减少(地表水减少但不重复地下水增加)、广义水资源总量增加,水土保持及农田建设增加的降水高效利用量远大于其减少的径流性水资源量。最后讨论了成果对黄河流域水安全战略和水资源可持续高效利用的一些启示。

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。

汾河流域水土保持措施水文水资源效应初析

应用具有物理机制的分布式水文模拟模型(W EP-L),模拟了不同下垫面条件情景下的水循环过程,在此基础上,定量分析了汾河流域水土保持措施的水文水资源效应。通过对比分析2种不同情景下的水资源量,初步得出:汾河流域水土保持措施影响了局部水循环和水资源量及其构成,加强了水循环的垂向过程,引起地表截留量、土壤入渗量、土壤蒸发量以及补给地下水量增加;削弱了水循环的水平过程,引起地表径流量和河川基流量减少,壤中流微弱增加;地表水资源量衰减,而地下与地表水资源不重复量增加,狭义水资源量减少,但有效蒸散(发)量增加,广义水资源量有一定幅度增加。研究成果对于研究大尺度流域水土保持措施的水文水资源效应具有参考价值。

五台山清水河流域植被垂直带水循环过程研究

五台山为华北地区最高峰(海拔3058 m),发源于五台山的清水河流域,海拔梯度大,植被垂直分异显著,目前关于植被垂直带的水循环过程及其相互之间的差异研究尚显不足。为此,利用分布式水文模型WEP-L模拟清水河流域水循环过程,分析不同植被垂直带的水循环过程。结果表明:受气温显著升高影响,高海拔地区的季节性冻土消退、活动层变厚及土壤蓄水容量增加,促进降水入渗。海拔1500 m以下区域蒸散发主要受降水影响,而海拔1600 m以上区域则主要受能量的影响。不同植被垂直带的水循环过程差异显著,径流系数表现为:耕地>亚高山草甸>荒漠草地>常绿针叶灌木林>落叶阔叶林。研究结果可为山区流域水资源高效利用和生态建设提供科学依据。