Application of hydrological models in a snowmelt region of Aksu River Basin

This study simulated and predicted the runoff of the Aksu River Basin, a typical river basin supplied by snowmelt in an arid mountain region, with a limited data set and few hydrological and meteorological stations. Two hydrological models, the snowmelt-runoff model （SRM） and the Danish NedbФr-AfstrФmnings rainfall-runoff model （NAM）, were used to simulate daily discharge processes in the Aksu River Basin. This study used the snow-covered area from MODIS remote sensing data as the SRM input. With the help of ArcGIS software, this study successfully derived the digital drainage network and elevation zones of the basin from digital elevation data. The simulation results showed that the SRM based on MODIS data was more accurate than NAM. This demonstrates that the application of remote sensing data to hydrological snowmelt models is a feasible and effective approach to runoff simulation and prediction in arid unguaged basins where snowmelt is a major runoff factor.

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。

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。

分布式融雪径流模型研究进展

融雪径流在寒区、干旱区对当地的水资源起着十分重要的作用,但融雪同样也会带来融雪性洪水、山体滑坡等自然灾害,因此对融雪径流的模拟一直是寒旱区的重要热点,针对近些年来融雪径流模拟研究的发展趋势,介绍融雪径流模拟的主要类型,一类是基于能量平衡的物理模型,另一类是基于气温指标的度日模型。重点阐述分布式融雪径流模型的应用情况及其进展,并对分布式融雪径流模型进行讨论与展望。

黑河流域遥感-地面观测同步试验：科学目标与试验方案

介绍了黑河流域遥感—地面观测同步试验的科学背景、科学问题、研究目标以及观测试验方案和观测系统布置。总体目标是,开展航空—卫星遥感与地面观测同步试验,为发展流域科学积累基础数据;发展能够融合多源遥感观测的流域尺度陆面数据同化系统,为实现卫星遥感对流域的动态监测提供方法和范例。以具备鲜明的高寒与干旱区伴生为主要特征的黑河流域为试验区,以水循环为主要研究对象,利用航空遥感、卫星遥感、地面雷达、水文气象观测、通量观测、生态监测等相关设备,开展航空、卫星和地面配合的大型观测试验,精细观测干旱区内陆河流域高山冰雪和冻土带、山区水源涵养林带、中游人工绿洲及天然荒漠绿洲带的水循环和生态过程的各个分量;并且以航空遥感为桥梁,通过高精度的真实性验证,发展尺度转换方法,改善从卫星遥感资料反演和间接估计水循环各分量及与之密切联系的生态和其他地表过程分量的模型和算法。由寒区水文试验、森林水文试验和干旱区水文试验,以及一个集成研究——模拟平台和数据平台建设组成。拟观测的变量划分为5大类,分别是水文与生态变量、驱动数据、植被参数、土壤参数和空气动力参数。同步试验在流域尺度、重点试验区、加密观测区和观测小区4个尺度上展开。布置了加密的地面同步观测、通量和气象水文观测、降雨、径流及其他水文要素观测网络;使用了5类机载遥感传感器,分别是微波辐射计、激光雷达、高光谱成像仪、热红外成像仪和多光谱CCD相机;获取了丰富的可见光/近红外、热红外、主被动微波、激光雷达等卫星数据。

固液态降水分离方法探讨

降雨径流和融雪径流在水文循环中是截然不同的,当前大多数水文模型采用临界气温法来分离降雨和降雪,但这个临界值是用户自定的,没有统一的临界值.根据1961-1979年全国643个基本和基准气象站日平均气温和降水数据(1980年以后数据库中未标记降水形态而无法应用)来统计降雨和降雪的临界气温值.选取单站降雨和降雪均为98.5%的保证率所对应的日平均气温值,作为固液降水分离的临界气温值,绘制我国范围的临界气温等值线图.同时,引进月降雪比率分离法,判断流域内某月是否有降雪,降雪量多少,但该方法易受站点分布的影响.两种方法可结合使用,后者可以作为前者的辅助.

祁连山区流域径流影响因子分析

本文选取祁连山内陆流域， 采用多元线性回归月径流模型， 对回归系数进行了适当处理，分别得到标准化系数矩阵和径流因子矩阵， 通过矩阵元素的方向和大小来判断各参变量对径流的影响程度。结果显示， 用径流因子方法可以判断出山区流域冰川、积雪、冻土等特殊水文要素以及降水和气温在各月对径流影响的主次程度， 从而确定出影响径流的主要因子。在山区流域资料有限的情况下， 用这种方法可获得较好结果。

寒区典型下垫面冻土水热过程对比研究(Ⅰ):模型对比

冻土水热传输和水热耦合过程是寒区水循环的核心环节和重要组成部分,土壤温度和湿度(含水量)的观测和模拟是冻土水热过程分析的基础.以中国科学院寒区旱区环境与工程研究所黑河上游生态-水文试验研究站葫芦沟试验小流域为依托,选取季节冻土区的高寒草原、高寒草甸和多年冻土区的沼泽化草甸、高山寒漠等4种典型寒区下垫面,分别布设自动气象站,并调查相关土壤和植被参数,利用SHAW和CoupModel模型对试验点的土壤水热条件进行模拟计算.结果表明:4个试验点多层土壤含水量和地温SHAW模型计算值与实测值对比平均相关系数R2分别为0.65和0.90;CoupModel模型计算值与实测值对比平均R2为0.72和0.93.总体上,地温的模型估算结果略好于含水量;相对于SHAW模型,CoupModel模型是更适合寒区各种下垫面的一维SVATs模型.

山区太阳辐射对水热过程影响的敏感性分析

山区短波辐射的空间异质性非常强,地形的遮蔽影响在山区能水循环模拟研究中不容忽视.改进了SHAW模型和SHAWDHM模型的辐射模块,使之能考虑地形的遮蔽作用对山区辐射平衡及其空间分布的影响,并在单点和流域尺度进行数值模拟实验,对比分析山区辐射过程对流域能水循环和径流的影响.结果表明,因地形的遮蔽作用,地表接收的太阳直射辐射可减少25%左右,模型模拟的土壤温度和蒸散发量分别降低约0.5℃和20%.考虑山区辐射过程后,模型模拟的春季融雪和夏季蒸散发均有所减缓,导致春季融雪径流降低和夏季径流增加.与观测径流对比发现,考虑山区辐射过程后,模型对径流量的模拟精度有所提高,逐时径流量的纳什效率系数由0.677提高到0.711,径流量的观测值与模拟值间的相关系数由0.835提高到0.851.

寒区典型下垫面冻土水热过程对比研究(Ⅱ):水热传输

依托中国科学院寒区旱区环境与工程研究所黑河上游生态-水文试验研究站葫芦沟试验小流域,选取4种典型寒区下垫面,利用CoupModel模型对试验点的土壤水热传输过程进行模拟计算.结果显示:冻土对土壤水热传输影响为开始冻结时,冻结作用导致土壤水向上运动,往冻结锋面集结;稳定冻结期,土壤水运动微弱,接近零通量;解冻期,土壤水运动与上下层水势有关.冻融阶段的土壤水相变会带来热量的急剧变化.不同下垫面土壤水迁移差异主要体现在冻结过程中土壤水向上运动期间.沼泽草甸试验点因土壤含水量较大,吸水过程较长且吸水量大于其他3个试验点;高山寒漠试验点因为土壤孔隙较大,成冰作用会使土壤中毛细孔增加,导致冻结过程中出现多次土壤水向上运动状态.植被覆盖、土壤性质、土壤含水量和冻土类型等是寒区不同下垫面冻土水热传输过程差异的主要原因.

黄河河源区变化环境下分布式水文模拟

将黄河河源区划分为38个自然子流域,利用分布式水文模型模拟径流量,采用唐乃亥水文站逐年、月实测径流资料进行验证,得到了较好的模拟效果。文章建立了5种土地覆被情景模型及24组不同气温和降水的情景组合,分别模拟不同情景下的年径流量。模拟结果表明,随着植被覆盖度的增加,流域年径流量减小,蒸发量增加。当气温降低2 oC且降水增加20%时,流域径流量增加得最大,增加39.69%。

改进的SWAT模型在寒区水文循环模拟中的应用

针对SWAT模型在寒区水文循环模拟过程中存在的不足,对冻土条件下的地表径流模块和升华及土壤蒸发模块进行了改进,并以塔河流域为例,对模型改进前后的径流模拟结果进行了对比。结果表明,在全系列径流模拟中,改进后模型模拟精度有一定程度的提高;在春汛期径流模拟中,改进后模型模拟精度提高较明显,率定期和验证期相对误差绝对值分别下降12.57%、5.67%。对比研究结果证明,改进的SWAT模型在寒区水循环模拟中的适用性得到了进一步提高。

半湿润地区河滩湿地水文特性的模拟研究

本文利用DRAINMOD模型模拟分析了泾河-渭河-灞河交汇区不同宽度河滩湿地受河道水位变化影响的水文过程。结果显示，河道水位变化和滩地宽度对河滩地湿润程度以及河道排水，补水过程的影响较复杂。一年之中，由于河道水位变化以及降雨分布的不同会出现交替的补水，排水现象；而年际间，丰水年河道的排水效果明显；河道对滩地的补水主要发生在河道水位很高而降雨平均或稀少的年份，在河滩宽度很小的情况下，河道向滩地的补水量可以达到16～21cm，约为当地年平均降雨量的1／3。同时，研究结果还显示，在平均河道水位条件下，河道向湿地的补充水量有限，不能有效提高湿地湿润状态。

黑河流域上游寒区水文遥感-地面同步观测试验

介绍了黑河流域上游寒区水文遥感-地面同步观测试验,论述了试验目标与研究内容、试验区的选择设计以及寒区水文长期观测试验.上游试验以理解寒区水文过程、提高寒区定量遥感水平为主旨,以积雪和冻土为主要研究对象,开展了微波辐射计、高光谱成像仪航空遥感和地面同步观测,并选择典型小流域进行长期寒区水文过程观测与研究.试验集中在冰沟积雪小流域、阿柔草场和扁都口裸露耕地3个不同地表覆盖区,以积雪和冻土变量与参数的测量为主.同步试验在流域尺度、重点试验区、加密观测区和观测小区4个尺度上展开,分别布置了加密的地面同步观测、通量和气象水文观测、降雨、径流及其它水文要素观测网络;航空飞行传感器分别采用微波辐射计、高光谱成像仪、热红外成像仪和多光谱CCD相机,收集获取了试验区丰富的可见光/近红外、热红外、主被动微波等卫星数据.通过试验,初步构建了上游寒区航空-卫星-地面综合数据集,可以应用于改进和验证寒区陆面/水文过程模型.

黄河源区水文模拟中地形和融雪影响

为分析地形和融雪对水文模拟影响,利用SWAT模型在黄河源区进行1960—1990年水文模拟。二者的影响分别通过对子流域划分高程带和运用融雪模块来体现。研究表明,单独考虑融雪影响或考虑融雪、地形的共同影响下,模拟结果均能达到合格;单独考虑地形的影响下能达到良好。相比融雪影响,地形对流域水量平衡的模拟起主要作用。划分高程带对子流域的气温影响较大,对降水影响小。子流域气温的降低使得蒸散发减小,从而增加产水量,其中地下水增加最多,其次是地表径流和壤中流。地形和融雪的影响使地下水的补给来源改变,调整地下水参数后,最终模拟结果达到优秀。地形和融雪在黄河源区水文模拟中的影响可以为其他高山地区水文研究提供参考。

水文模式DHSVM与区域气候模式RegCM2/China嵌套模拟试验

本研究在改进水文 -土壤 -植被模式DHSVM ,用气候观测资料驱动DHSVM进行模拟试验的基础上 ,建立了区域气候模式RegCM2 /China与水文模式DHSVM的嵌套系统 ,将区域气候模式对中国和东亚地区控制试验 (目前气候情景 )和敏感性试验 (未来 2×CO2 气候情景 )结果用双线性插值方法降尺度 (downscaling)到滦河、桑干河流域的 8个气象站点 ,然后再用数字高程模式DEM插值到DHSVM的细网格点 ,驱动水文模式进行嵌套模拟试验。试验结果表明 ,滦河、桑干河流域在未来大气中CO2 浓度加倍情况下 ,地面气温呈一致的增加趋势 ,年平均气温增加2 .8℃ ;两流域未来降水也呈增加趋势 ,滦河、桑干河流域年降水量分别增加 6mm和 4 6mm ;两流域未来蒸发量有所增加 ,年均蒸发量增加 2 9mm ;未来滦河流域年径流深减少 2 7mm ,流量减少 14 .72× 10 8m3 ,桑干河流域径流深增加 2 6mm ,流量增加 12 .2 2× 10 8m3 ,两流域合计 ,流量减少 2 .5× 10 8m3 ;未来滦河、桑干河流域径流深趋向一致 ,分别为 74和 71mm ,约为全国目前平均径流深 2 84mm的 1/ 4。可见 ,两流域未来总体上仍呈现暖干化趋势。本研究发展的嵌套模式系统具有一定的预测能力 ,而且通过参数移植 。

寒区水文循环模型研究进展

寒区水文是冰冻圈科学的重要组成部分,也是水文学的一个特殊分支,兼有冰冻圈科学和水文学的双重特性.由于寒区的特殊性,寒区水文便存在与生俱来的复杂性,寒区水文要素与非寒区相比虽具有同一性,但更多的是差异性,这便给寒区水文研究带来了极大的不便.从水文学视角,针对寒区水文循环研究回顾了近年来应用于寒区水文过程的模式模型,将其分类为非寒区水文模型的直接应用及其改进、基于模块化建模方法的寒区水文过程模拟、寒区陆面过程模型发展等三类,并以SWAT模型、新安江模型及其改进、CRHM模型和Coup Model模型为例展开论述,指出了以上三类现存模式的优缺点及其适用性;最后给出了寒区水文过程研究的趋势和发展方向的展望.

基于模块化建模方法的寒区水文过程模拟——在中国西北寒区的应用

中国西北高山、高原广泛分布着冻土和积雪,春季融雪和冻土融化是该地区重要的水文过程.基于模块化的寒区水文建模环境CRHM,根据流域水文过程特征和观测数据约束,选取描述不同寒区子水文过程的模块构建寒区水文模型,并基于长期观测的两个典型寒区小流域来验证模块化的寒区水文模型.在冰沟流域,主要模拟雪的积累/消融、雪的升华、融雪下渗和融雪径流过程.结果显示:冰沟流域积雪升华占降雪量(145.5cm)的48%,其中风吹雪引起的升华损失量(35cm)占积雪升华(69cm)的一半,风速和辐射引起的积雪升华是该地区积雪物质平衡的重要组成;构建的寒区水文模型可以再现春季积雪消融引起的径流过程.在左冒孔冻土流域,主要模拟冻土下渗过程、冻土坡面产流过程和土壤冻融对径流的影响.结果显示:构建的寒区水文模型可以捕捉到春季主要的冻土融化径流过程.两个流域的验证结果揭示:模块化的建模方法在搭建模型结构的时候减少了模型的不确定性,所以在未经率定的情况下,具有在无资料和资料缺少地区模拟寒区水文要素和水文过程的能力.

VIC模型在西北干旱半干旱地区的应用研究

以黑河莺落峡流域为例,分析了陆面模式VIC能量平衡模式与水量平衡模式在干旱、半干旱地区水文模拟的适用性。实例结果表明,在干旱、半干旱地区,能量平衡模式比水量平衡模式的模型模拟效果更好,对实际蒸发的计算精度更高。

寒区流域水文模拟研究

冰雪和冻土的水文物理特性,及其对径流形成过程的作用,是寒区流域产汇流的主要矛盾或矛盾的主要方面.针对北方寒冷地区,寒季水循环的大气水、土壤水及地面地下径流的动力和热力过程,在水文物理及冰雪水文的有关理论基础上,参照国内外非寒区流域模型(新安江模型、水箱模型、萨克拉门托模型)的结构,研究建成了具有物理基础的概念性寒区流域水文模型.利用我国东北地区现有的寒区观测资料,对寒区产汇流的各主要环节,分别进行了模拟研究.