陆地高分辨率水文—生物地球化学过程CNMM-DNDC三维模型的研发及应用进展

CNMM-DNDC模型是本文作者团队研发的陆地高分辨率水文—生物地球化学过程三维模型。本文系统介绍了建模背景和理念、核心过程和模型特点、模拟功能和观测验证、多尺度区域或流域初步应用以及未来发展展望。自2018年刊发首个版本以来,该模型经过了多方面科学过程改进和模拟功能扩展,在元素化学反应、物质相变和机械迁移等基本物理、化学、生物过程层面,完成了对陆地表层系统碳氮磷水循环全耦合的精细刻画。迄今开展的观测验证表明,CNMM-DNDC模型基本普适于不同生物气候带(从热带到寒区多年冻土地带)的流域或区域长时间序列“三高”(时间、空间和过程高分辨率)综合模拟,实现对陆地生态系统的碳、氮、磷、水三维运移、水土流失、水力驱动溶解态和颗粒态碳氮磷横向迁移、碳氮温室气体和污染气体排放、生态系统生产力、水分蒸散发和水分能量平衡等众多可持续发展目标表征变量的预测。该模型广泛推广应用于多尺度区域或流域的复杂过程虚拟科学试验研究和服务于面向生态环境建设与减污降碳的优化调控决策,可望为协同落实联合国多个可持续发展目标提供先进的数值模拟技术支撑。

基于CMIP6气候模式和两种水文模型综合集成预估的黄河源区未来40年流量变化

基于两个共享社会经济低碳路径(SSP1-2.6、SSP2-4.5)下的CMIP6中的8个GCMs气候模式进行黄河源区2021—2060年平均气温和降水量预估。在此基础上,利用CMIP6中的8个GCMs气候模式分别驱动HBV、SWAT水文模型综合集成预估了黄河源区2021—2060年流量的年代际变化。结果表明:SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下,2021—2060年黄河源区呈暖湿化趋势,平均气温较基准期(1995—2014年)分别上升1.3℃、1.6℃,年降水量分别增加11.6%、11.5%。SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下2021—2060年黄河源区年平均流量分别增多8.6%、8.5%;两种情景下黄河源区21世纪各年代际流量均增加,其中21世纪20年代和30年代流量增幅小于40年代、50年代流量增幅。SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下黄河源区2021—2060年6—8月流量减幅在1%以下,而3—5月和9—12月流量增幅为0.1%~2.1%。SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下黄河源区蓄水期(9—11月)极端丰水流量增加2.5%~2.7%,SSP1-2.6情景下黄河源区2021—2060年汛期(6—8月)极端丰水流量总体增加0.1%,SSP2-4.5情景下黄河源区汛期极端丰水流量减少1.3%,SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下黄河源区枯水期(12至次年5月)极端丰水流量减少0.7%~1.0%;黄河源区汛期(SSP1-2.6和SSP2-4.5情景)及枯水期(SSP1-2.6情景)极端枯水流量较基准期增加0.8%~1.9%,两种情景下黄河源区蓄水期极端枯水流量减少1.8%~2.3%。

基于等容瞬时单位线的水文模型研究

流域下垫面空间分布的不均匀性对径流的形成有较大影响,流域蓄水容量曲线解决了流域产流空间异质性的问题,但在采用瞬时单位线进行地表汇流计算时,又将其作为空间分布均匀的净雨处理,局部产流并没有实现局部的汇流。考虑汇流时间与蓄水容量的空间相关性,通过Copula函数构造二者的联合分布,以条件概率的形式反映不同蓄水容量处汇流时间的空间分布特征,进而以等蓄水容量为计算单元,提出了等容瞬时单位线的概念,相当于采用变单位线的方式计算单元产流量的地表径流,从而可以实现局部产汇流计算过程的统一。由此,创建了基于等容瞬时单位线的水文模型IIUHH,并根据Copula函数的类型构建了多种形式的IIUHH,最后选择清江上游作为案例进行验证。结果表明:Clayton型的IIUHH在研究区域表现更优,相比于新安江模型,Nash效率系数可以提高4%~12%,Kling-Gupta效率系数可以提高13%~27%,洪峰相对误差则可降低26%~36%,较大程度上提高了洪峰和洪水过程的模拟精度。研究成果可为流域高精度径流预报提供技术支撑。

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。

水文模型知识图谱构建与应用

针对水利垂直领域缺少知识组织和结构化表达的场景案例,以及通用知识抽取模型在水利垂直领域中难以达到预期精度等问题,本文以水文模型方案推荐为例,提出了知识图谱的构建框架与流程,构建了包含模型继承发展关系、应用流域、模型精度等内容的知识模型,形成基于期刊文献类非结构化数据源的多策略知识抽取方法,以及实体对齐与知识融合的规则与方法等。对水文模型领域期刊文献进行了知识抽取、融合,构建水文模型知识图谱实例,共包含节点实体14 298个,属性实体39 133个,关系36 254条,实体识别的准确率、召回率、F1值均在90%以上。对建立的图谱实例进行了可视化表达和知识应用,结果表明:该图谱实现了基于期刊文献的水文模型知识快速采集学习、组织管理,支持模型检索推荐,提高了水文模型知识的发现与使用能力,对相似场景的水利知识图谱构建具有参考价值。

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。

湖泊与河流水文连通量化计算模型及其应用

湖泊与河流水文连通的量化是指导河湖保护与治理的关键之一,也是当前河湖生态复苏研究的热点问题。本文提出了一种湖泊与河流水文连通的量化计算模型,仅需少量实测或水动力模拟数据进行校验,即可量化计算单一或多个连通水道的河湖水文连通度。水位变化率与水位是决定水文连通的主控因子,水体交换强度与水位变化率呈线性正相关,且其增长速率与水位呈正相关。提出的水体交换流量计算方法可估算湖泊与长江水体交换流量。同等水位及水位变化率条件下,湖泊向长江输出水流的效率大于长江向湖泊灌入水流的效率。水文连通度峰值一般出现在整体上升或下降区间内的变异点,通过改变水位抬升或下降过程,可有效提升水文连通度均值及峰值,指导面向湖泊水生态环境改善的生态调度等。

基于容器技术的水文水动力模型软硬件适配方法

随着国产化软硬件系统的发展和普及,将现行的计算程序适配到国产硬件和操作系统上是科学研究和业务化应用的关键,亟待探索提出专业计算模型的软硬件适配方法。现有关于专业计算模型的软硬件适配方法存在缺乏通用性、硬件依赖性强等问题。鉴于此,系统解析了国产化适配需要解决的关键问题,并对比了现行的软件适配技术,筛选出容器技术作为水文水动力模型的国产适配技术。容器技术可将应用程序打包成独立的运行环境,摆脱对底层架构和操作系统的依赖。以水文水动力模型TELEMAC为例,详细说明了Docker镜像构成原理,并通过Dockerfile文件构建了TELEMAC镜像环境,开展了计算案例的验证。结果表明TELEMAC镜像能够安全运行在以鲲鹏920处理器为核心的openEuler和麒麟V10等国产软硬件平台上,且案例计算结果与标准结果相一致,模型计算效率高,实现了专业科学计算模型的国产化软硬件适配,该研究可为其他软件国产化适配提供参考借鉴。

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BHM-EcoFlow模型的汉江中下游河段水文-生态响应关系研究

河流水文-生态响应关系是确定生态流量阈值的科学基础。针对当前河流水文-生态响应关系研究中生态数据不足且生态建模难度大的问题,建立了基于贝叶斯层次分析法的BHM-EcoFlow(Bayesian hierarchical modelling-ecological flow)模型,该模型将河流不同河段及同一河段不同站点间的先验知识与实测数据相结合,可有效利用短系列数据,实现河流水文-生态响应关系的模拟。采用汉江中下游干流2011年的水文、生态数据,模拟了浮游植物细胞密度与流量、混合层温度间的关系,计算了不同流量条件下各河段的浮游植物密度。结果表明:BHM-EcoFlow模型提高了短系列数据的可用性,对汉江中下游干流的水文-生态响应关系具有良好的识别能力,为确定生态流量提供了科学依据。

基于气象水文水动力耦合模型的流域尺度洪水预报方法:以北江流域为例

针对中小流域目前径流和淹没预报难度较大且精度偏低的问题,以北江流域为研究对象,构建降雨径流-洪水淹没模型。在非耦合情况下,基于WRF-Hydro模式构建北江流域水文模型,通过对主要参数率定,优化了WRF-Hydro水文模型,模拟了流域的产流、汇流等水循环关键要素。在耦合情况下,将WRF-Hydro模式模拟的径流过程作为CaMa-Flood模型的边界条件,从而实现对整个流域的洪水淹没模拟。研究结果表明:在经过参数率定的WRF-Hydro水文模型中,针对验证期的5场典型洪水事件,皮尔逊相关系数均高于0.8,纳什效率系数在0.52~0.71,在预报期的三个洪水事件中,洪峰的平均误差为22.2%。在水文水动力模型耦合后,能够准确地捕捉洪水淹没与降雨强度、洪水流量变化之间的关系,进而提供洪水发生后洪泛区的淹没深度和范围等关键信息。本文构建的降雨径流-洪水淹没模型能够适用于地形复杂、降雨时空分布不均匀的北江流域,为类似半湿润流域的洪水预报提供了有益参考,同时也为水文水动力模型耦合的研究奠定了基础。

青藏高原寒区水文过程研究进展及模型述评

全球气候变暖导致冰冻圈发生了剧烈变化,突出表现为冰川退缩、积雪消融、冻土退化等,加速了固态水资源向液态水资源的转化,打破了青藏高原寒区水资源分配的长期稳定机制。本文基于寒区冰冻圈变化水文效应角度,梳理了气候变化下青藏高原寒区水文过程研究进展,剖析了当前青藏高原寒区水文过程研究中存在的热点和难点。由于水文模型为研究水文循环过程的重要工具,模型的结构和功能决定了水文过程研究的准确度和发展方向。因此,本文总结了10个典型水文模型在模拟高原寒区冰川、融雪径流算法的优点和局限性及模型冰川、积雪、冻土模块特点,凝练总结了影响高原寒区水文过程模型模拟精度的主要问题。结果表明:青藏高原寒区气象观测站点资料的匮乏加大了数据输入、参数估计的不确定性;对冰冻圈水文内在物理过程认识不足导致了模型结构的不完备性,进而影响水文过程模拟精度。最后,本文从多元数据联合使用、机器学习应用等方面探讨了如何提高水文模型精度,为寒区水文模型的改进和完善提供参考。

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。

基于多种水文模型结构改进新安江模型

【目的】针对水文模型结构的不足提出改进方法。【方法】选择新安江模型、GR4J(mode′le du Ge′nie Rural a′4parame′tres Journalier)模型以及HYMOD模型在淮河流域进行应用对比分析,并基于GR4J模型与HYMOD模型的汇流结构对新安江模型进行改进,提出2种改进模型方法。【结果】(1)3种概念性水文模型在淮河王家坝流域均具有较好的适用性,其中新安江模型效果最好,但该模型在大流量模拟时存在低估现象;(2)M2模型(HYMOD模型汇流结构下的新安江模型)与新安江模型的模拟结果相近,大流量的模拟同样偏小,改进效果不明显;(3)M1模型(GR4J模型汇流结构下的新安江模型)模拟效果最佳,可以有效改善新安江模型对大流量的模拟效果,改进效果显著。【结论】M1模型可以有效改善新安江模型模拟径流时出现流量以及洪峰流量的低估现象,在研究流域内具有一定的应用价值。

基于遥感和水文模型的典型草原流域蒸散发对比

基于锡林河上游流域水文站的实测逐月径流量序列资料,以纳什效率系数(E_(ns))、决定系数(R^(2))作为评价指标验证APEX模型在水文模拟方面的适用性,分析SEBAL模型、MOD16A2数据的蒸散发结果并利用APEX模型中Penman-Monteith公式验证精度,对比APEX模型、SEBAL模型与MOD16A2数据同时期的月均蒸散发。结果表明,实测径流与APEX模型模拟径流的率定期E_(ns)=0.63、R^(2)=0.66,验证期E_(ns)=0.62、R^(2)=0.66;SEBAL模型与APEX模型中Penman-Monteith公式日蒸散发计算结果的E_(ns)=0.68、R^(2)=0.80,月蒸散发结果的E_(ns)=0.71、R^(2)=0.85,MOD16A2数据与Penman-Monteith公式计算的每月蒸散发结果E_(ns)=0.58、R^(2)=0.78;同时期流域尺度上MOD16A2数据的月均蒸散发最大。研究结果可为草原流域的蒸散发估算提供支撑。

基于ADCP的水文站断面平均流速AI计算模型研究

本研究旨在探讨如何利用走航式ADCP流速数据和人工智能技术,提高岭下水文站的断面平均流速计算精度,以解决复杂的流量监测难题。通过比较指标流速法和基于AI的计算模型,评估了它们在不同水深条件下的性能和适用性。结果表明,在多数情况下,AI算法表现出更高的计算合格率和较低的不确定度,尤其在高水期和中水期。然而,在低水期测流时,数据质量仍然存在挑战,需要进一步改进和扩大样本容量。这项研究为提供更准确、实时的水文信息,支持水资源管理、防汛减灾和生态保护提供了重要依据。

基于水文学法和SWAT模型的北川河流域生态需水量分析

为确定北川河流域生态需水量,采用线性趋势法、Mann-Kendall检验法、Spearman检验法分析了北川河流域1959—2013年径流变化趋势,并采用Pettitt检验、滑动t检验、滑动F检验和累积距平法综合诊断径流突变点,根据Tennant法和改进的年内同频率展布法确定的生态流量过程外包线计算河道内生态需水量,并基于SWAT模型计算了河道外生态需水量。结果表明:SWAT模型在研究区具有适用性,模型性能符合“好”的标准,SWAT模型模拟的降水量和蒸发量总体呈现增加趋势,产水量呈现减少趋势;北川河流域桥头水文站径流量呈现减少趋势,年平均减少率为0.104 m^(3)/s,径流突变点为1990年;北川河流域河道内生态需水量为2.95亿m^(3),河道外生态需水量为9.95亿~10.85亿m^(3),生态总需水量为12.90亿~13.80亿m^(3)。

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。