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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

基于不同分辨率DEM提取坡度值的转换关系研究

基于DEM提取计算单元坡度是分布式水文模型构建的重要手段之一,通过研究不同分辨率DEM对WEP-L模型计算单元坡度的影响及其转换关系,为模型计算中坡度与其他运算量之间非线性关系带来的计算精度与计算效率之间的矛盾提供解决方案。以NASA发布的30 m分辨率DEM数据为基础,以不同尺度流域(南小河沟流域,面积36.3 km^2;泾河流域,面积4.5万km^2)为研究对象,利用分形结合半方差函数的方法分析低分辨率DEM提取的计算单元坡度向高分辨率DEM提取的坡度信息转换的规律。研究发现以30 m分辨率DEM为基础提取的子流域套等高带结构能够很好地反映南小河沟流域地形"坡度等高分布"的特点;利用分形结合半方差函数的形式能够有效地实现基于低分辨率DEM提取的流域基本计算单元坡度向"真实"地形坡度值转换。根据模型计算需求,给出了不同分辨率DEM数据提取坡度值的转换关系。本研究可为分布式水文模型搭建面临的计算精度与计算效率矛盾问题提供借鉴和参考。

基于二元水循环模拟的密云水库上游流域河川径流演变归因分析

密云水库上游流域是首都重要的生态屏障和水资源保护地,近60 a来,流域河川径流量衰减明显,定量识别不同时期径流变化成因对于科学认识流域水循环演变机理具有重要意义。基于此,构建了二元分布式水文模型,设置了多个情景对流域水循环过程进行模拟,并在此基础上使用多因素归因分析法对河川径流演变进行了定量归因。结果表明:(1)近60 a来,人类活动对径流衰减的贡献(42.8%)略小于气候变化(57.2%),气候变化对径流的影响先减小后增大,而人类活动的影响先增大后减小;(2)从基准期(1960—1970年)到变化期(1985—1995年),气候变化使径流增加0.29亿m^(3),人类活动造成径流减少1.22亿m^(3),其中,人工林面积的大幅增加是径流减少的主要原因,从变化期(1985—1995年)到现状期(2007—2017年),气候变化与人类活动对径流衰减的贡献率分别为92.5%、7.5%,降水偏枯及年内分配变化是气候变化导致径流衰减的主要原因;(3)从基准期到变化期,多因素变化协同率为-61.6%,从变化期到现状期,为-92.7%,说明近60 a来多因素对径流的综合效应表现为负效应,且各因素对径流的影响抵消程度逐渐变小。

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。

北京清水河流域水循环垂直地带性研究

为明确山区地形及下垫面对水循环过程的影响,以北京市清水河流域为例,采用分布式水文模型WEP-L对清水河流域水文过程进行模拟,在模型验证效果较好的基础上,利用模型计算结果分析清水河流域不同海拔和下垫面的水循环要素通量变化情况。结果表明,降水和入渗量随海拔的升高而增加,蒸散发量和径流深则随海拔的升高而减少;山区水文过程呈现出在海拔较高处降水形成大量入渗,但主要在海拔较低处形成径流;不同下垫面情况的蒸散发量和径流深呈现出常绿针叶灌木林>落叶阔叶林>草甸,而入渗量则表现为草甸>落叶阔叶林>常绿针叶灌木林;海拔的差异对水循环要素的影响较下垫面对水循环要素的影响更大。该结果对于山区水循环过程的深入理解和植被生态建设具有重要意义。

拒马河流域年季月径流量对土地利用变化的响应

为探究年、季、月多时间尺度径流量对土地利用变化的响应,以紫荆关水文站以上的拒马河流域为研究对象,构建拒马河流域WEP-L分布式水文模型,采用情景模拟分析方法设置9类土地利用变化情景定量分析土地利用变化对径流量的影响。结果表明:WEP-L模型在拒马河流域适用性较好;退耕还林将减少年径流量,并随着森林覆盖率的增加,径流量减少更为剧烈,森林覆盖率每提高10%,径流量减少13.10 mm;弃耕撂荒和火灾伐木将使径流量增大;季节径流量对土地利用变化的响应程度呈现夏季>秋季>冬季>春季;月径流量响应结果表现为6-9月变化较大,尤其是7月份最为剧烈,而3和4月较小。研究结果对于流域土地利用合理规划具有重要意义。

缺资料地区降水系列的插补及验证

针对部分地区降水资料缺乏的问题,以德清县为研究对象,提出了日尺度降水资料的插补方法,该方法通过对已有降水数据进行时间尺度转换和空间插值的方式插补出缺资料地区日降水数据。结果表明:①德清站插补结果中日降水强度、强降水量及连续有雨天数的误差均小于3%,与直接用周边站点的逐日数据对数据缺失站进行插值相比,各站月降水数据与实测值的相关系数平均提高0.11,均方根误差降低了42.3%;②将降水插补结果作为分布式水文模型的降水输入时,径流模拟效果得到了有效改善,1960—2018年模拟径流量和实测径流量系列的纳什效率系数由0.62提高到0.87,相对误差由-4.2%降至-2.3%;③日尺度降水插补结果的相关系数、5 d最大降水量及强降水量对研究区分布式水文模拟效果影响较大。

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。

拒马河流域水循环过程的多时空尺度特征

为明晰崇陵小流域和拒马河流域水循环过程的多时空尺度特征,分别构建崇陵小流域和拒马河流域WEP-L分布式水文模型,模拟流域水循环过程,在模型验证效果较好的基础上,利用模型计算结果分析水循环要素时空尺度变化特征。结果表明,年、季、月尺度降水、蒸散发、入渗、径流深的变差系数、极值比、偏差系数空间变化,均呈现崇陵小流域最大,而三个大尺度的相互关系呈现出随流域空间尺度增大而增大的变化趋势。水循环要素特征值崇陵小流域相对三个大尺度反映出空间尺度效应,小流域相对大尺度变化更为剧烈,三个大尺度间的空间尺度关系呈现出随流域面积增大特征值变大的现象。研究结果有助于全面细致地理解水循环过程,可为山区水资源高效利用提供理论依据。

考虑空气阻力影响的流域水文过程模拟研究

降雨入渗时,部分空气会被禁锢在土壤中,影响水分下渗。目前分布式水文模型构建过程中,尚未考虑空气阻力对降雨入渗的影响,这制约着模型的适用性。论文基于Green-Ampt模型,引入土壤含水量饱和度系数、土壤导水系数饱和度系数、土壤进气值和土壤进水值4个参数量化空气阻力影响,改进分布式水文模型WEP-L模型。最后,选择清水河流域和柳江流域进行实例研究,检验WEP-L模型的改进效果。结果表明:与传统WEP-L模型相比,改进的WEP-L模型在清水河流域(面积较小)应用时可显著提高流域水文过程模拟精度,尤其是在暴雨洪水期,日径流模拟相对误差由40.57%降低到9.43%,Nash效率系数由-0.24提高到0.57。而在柳江流域(面积较大)应用时,模型改进后模拟效果虽有所改善,但不够显著。

气候变化对海河流域水资源的影响及其对策

将全球气候模式与分布式水文模型WEP-L耦合,在国家气候中心整理提供的多模式平均数据集基础上,利用WEP-L模拟了海河流域历史30年(1961—1990年)和未来30年(2021—2050年)降水、蒸发、径流等主要水循环要素的变化规律,分析了气候变化对海河流域水资源的影响,结果表明,未来30年:①从年际变化规律看,气温普遍升高,降雨量略有增加,蒸发量普遍加大,径流量呈减少趋势,且有丰水年洪水规模更大、平水或枯水年干旱情况更严重的趋势;②从年内变化规律看,各月蒸发量普遍增加,汛期的降雨量有所减少,非汛期的降雨量有所增加,各月径流量则有不同程度的减少。因此,未来气候变化条件下海河流域水资源管理将面临更加严峻的挑战,本研究给出了一些基本的对策。