HEC-HMS水文模型在数据稀缺山区流域中的应用——以乌鲁木齐河流域为例

[目的]评价HEC-HMS分布式水文模型在干旱区资料稀缺内陆河流域洪水模拟预报中的适用性。[方法]以乌鲁木齐流域上游为例,结合流域实测水文气象资料,率定模型参数、建立并验证HEC-HMS模型。[结果]1957—2009年乌鲁木齐河上游流域13场历史洪水模拟中,HEC-HMS模型洪水模拟确定系数R2取值分布在0.67~0.87之间,洪峰流量模拟相对误差均小于15.6%,模拟精度较高。[结论]建立的HEC-HMS模型有效,模型参数的率定合理以及HEC-HMS模型在干旱数据稀缺山区流域洪水模拟中具有较好的适用性。     

基于HEC-HMS的青狮潭水库入库洪水预报研究

[目的]构建青狮潭水库入库洪水预报模型,为实际预报业务提供参考,也可以为桂林市上游地区无资料地区水文气象规律研究提供支撑。[方法]HEC-HMS是一个包含多个产汇流模型的水文模型系统,适用于不同地区的水文问题分析和计算,广泛运用于洪水预报、防灾减灾等方面。利用该模型对桂林市青狮潭水库上游流域进行水文建模,模拟流域发生暴雨时青狮潭水库的入库洪水过程,以此作为研究洪水预报依据。[结果]通过研究发现HEC-HMS模型模拟的结果平均确定性系数达到0.88,洪峰流量和峰现时间误差均达到乙级预报标准。[结论]HEC-HMS模型在青狮潭流域适用性较好,可以用于青狮潭水库入库洪水预报。     

黄土高原小流域水土保持林空间配置对场降雨径流影响的模拟

合理的水土保持林空间配置是黄土高原植被恢复和水土保持功能持续提高的关键。在对HEC-HMS分布式水文模型参数进行率定的基础上,探讨该模型在黄土高原小流域中的适用性,模拟水土保持林覆被率以及水土保持林空间配置对场降雨径流的影响。结果表明：HEC-HMS分布式水文模型在黄土高原小流域中的应用效果良好,径流系数、洪峰流量均随森林植被覆盖率的增加而减少,随着水土保持林覆被率的提高,流域对高强度暴雨的调控能力将得到极大的提高;当水土保持林位于流域的上游、中游时,场降雨的径流量、洪峰流量均降低,水文调节效果较好。因此,在干旱的黄土高原应该适度造林,在小流域中配置水土保持林时,应该配置在上中游。     

从幼儿到成年的流域水文模型及典型模型比较

本文将流域水文模型的发展过程分为幼儿期、少年期、成长期和成年期,并对各时期水文模型的特点、功能等进行了系统讨论.为便于突出不同发展阶段模型的特点、模块组成和计算方法,按集总式、半分布式、全分布式和模型集成系统将模型分类,对不同类型的典型模型进行了比较,其中集总式水文模型包括斯坦福(Standford)、流域水文模型IV(SWM.IV)、萨克拉门托(Sacramento)模型、水箱(Tank)模型、新安江模型、HEC-1模型、SWMM模型,半分布式模型包括HSPF模型、PRMS模型、HEC-HMS模型、TOPMODEL模型、SWAT模型,全分布式和模型集成系统包括MIKESHE、SHETRAN、IHDM、TOPKAPI、BASINS、HMS、WMS、SMS、MMS模型.鉴于水文模型在国际、国内正在成为流域水资源管理的重要工具,对模型发展及分类对比的分析,将有助干水文模型的进一步广泛应用.     

水土保持林空间配置对场降雨径流影响的模拟

为实现北方石质山林被功能的恢复以及水土保持综合效益的提高,进行科学合理的水土保持林空间配置是其关键性技术措施和方法。首先对HEC-HMS分布式水文模型进行了率定,探讨了模型对北方石质山区的适用性和可靠度,然后对水土保持林空间配置和林草覆盖率对场降雨径流影响进行模拟分析。结果表明:HEC-HMS水文模型在北方石质山区小流域的模拟分析中具有良好的精确度和可适用性,水土保持林空间配置和林草覆盖率是影响场降雨径流系数和洪峰流量变化的主要因素,该流域对高强暴雨的调控能力随林被覆盖率的提高而增强;场降雨径流量和洪峰流量随水土保持林空间配置的地理位置的不同而不同,当水土保持林空间配置位于研究流域的中游和上游时所表现出的水文调节作用更加明显,且降雨径流量和洪峰流量相对较低。     

基于RS与GIS技术的分布式水文模型模拟径流变化刍议

基于遥感和地理信息系统技术的分布式水文模型是目前水文模拟发展的主要方向。分析了分布式水文模型、遥感和地理信息系统技术在流域径流模拟过程中的结合点,并针对流域径流要素对土地覆被和气候变化响应过程为目的,讨论利用分布式水文模型研究土地覆被和气候变化下径流响应过程的一般方法。     

HEC-HMS模型在武水流域山洪预报中的应用

山洪灾害常造成重大经济损失甚至人员伤亡。以湖南湘江武水流域为例,基于地理信息系统和遥感技术的水文模型集成系统为山洪预报提供了新的思路,在解译了研究流域2010年土地利用类型数据的基础上,采用HEC-HMS水文模型对武水流域各场次洪水进行模拟预报,利用DEM及流域出口信息划分子流域计算单元,利用遥感影像结合GIS技术提取流域信息,采用SCS径流曲线法进行产流计算,采用SCS单位线法计算直接径流,利用马斯京根法进行河道汇流演进,运用指数退水模型模拟流域基流,并以2000—2008年的17场实测洪水数据进行参数的率定,用2009—2014年的10场典型洪水进行验证。结果表明:模型率定期17场洪水洪峰流量相对误差绝对值均20%,模拟合格率达到100%,峰现时差均≤1 h,绝对平均Nash效率系数为0.816,率定出的水文参数准确有效;验证期的10场洪水,洪峰流量相对误差合格率达90%,峰现时差均1 h,Nash效率系数均0.7。HEC-HMS水文模型在武水流域模拟效果较好,可应用于该流域山洪预报工作,且相较于多峰洪水,单峰洪水的模拟效果更佳。     

分布式水文模型在陕西省冬小麦产量模拟中的应用

利用分布式水文模型和作物模型模拟了不同深度的土壤含水量,以及在连接分布式水文模型和不连接分布式水文模型两种方式下,利用作物模型分别对冬小麦叶面积指数、干物重增量和产量进行了模拟,最后采用连接分布式水文模型的作物模型模拟了全流域内冬小麦产量的空间分布。模拟结果经对比检验表明,分布式水文模型在土壤水分模拟方面准确性高于作物模型;连接分布式水文模型的作物模型对冬小麦生长过程和产量的模拟结果准确性均高于作物模型独立模拟的结果;连接分布式水文模型的作物模型在流域内对冬小麦产量的空间分布模拟结果也与农业试验站观测产量和社会统计产量基本一致,高产区、低产区分布与实际基本相吻合。这为分布式水文模型和作物模型耦合应用,以及通过引进分布式水文模型来推动作物模型和产量预报研究进一步发展提供了基本的试验支持。     

基于HEC-HMS模型的兰江流域径流预测

[目的] 分析兰江流域径流对气候变化的水文过程响应,为区域水资源可持续发展和防洪抗旱提供科学基础。[方法] 利用2015—2018年日降雨径流过程和6场暴雨洪水过程率定并验证HEC-HMS水文模型在该流域的适用性;基于SDSM统计降尺度模型,对2030—2100年CanESM2模式下RCP2.6,RCP4.5和RCP8.53种情景的气候数据进行降尺度,生成兰江流域6个气象站点未来日降水序列以预测未来气候变化下的径流响应。[结果] HEC-HMS模型对场次洪水和逐日径流模拟的相关系数平均值达到0.89,0.77,平均效率系数达到0.86,0.76;RCP2.6情景下研究区面降水量较于基准期（2015—2018年）减小0.82%,在RCP4.5,RCP8.5情景下分别增大6.18%,18.17%;RCP2.6,RCP4.5,RCP8.53种情景下多年平均径流相较于基准期分别增幅为17.00%,26.22%,41.93%。[结论] HEC-HMS模型在兰江流域有较好的适用性;未来兰江流域径流呈显著上升趋势,增幅程度随辐射强迫度的增加同步增大。当辐射强迫度升高至8.5 W/m²时,流域径流量平均每10 a上升49.49 m³/s。预计21世纪末多年平均径流量达到1 101 m³/s,年径流变化起伏剧烈,汛期径流占全年比例较高,旱涝事件趋于频繁,对人民福祉威胁较大。     

SWAT模型在黄河上游宁蒙河段的应用研究

了解各地的水资源状况是加强水资源开发利用和管理的基础,水文模拟是了解水资源状况的一种快捷方式。SWAT由美国农业部农业研究中心研制开发,是基于过程的物理机制分布式流域水文模型,可模拟径流、泥沙等水文过程。利用SWAT模型,对黄河上游宁蒙河段2001-2010年间的年径流量进行模拟,并与水文实测值相比较,结果极为接近,且比较简单实用,可为有关流域河段的水资源的开发利用和管理提供技术支持。介绍了模拟理论与方法。     

基于SWAT模型的平原河网区水文过程分布式模拟

目前普遍使用的基于SWAT(soil and water assessment tool)模型的分布式建模方法仅适用于山地、丘陵等高差较大的地区,对于具有复杂水文结构特点的平原河网区尚无有效的解决方案。该文选择太湖流域湖西区作为研究区,基于SWAT模型探索出一套完整的针对平原河网区的分布式建模方案。该方案采用概化、打断的方式将交叉、环状河网处理成单一的枝状河网,采用按河道分流比例跨子流域调水的方式来还原原始河道的传输过程,采用添加"虚拟水库"的方式来模拟人工圩区内外的水量交换。通过对太湖湖西区2008-2010年的月均径流量进行模拟验证,根据模拟值和观测值计算的荣登桥、胡家圩及宜兴3个水文站的相关系数r和纳什(Nash-Sutcliffe)系数Ens分别为0.94、0.95、0.93和0.84、0.80、0.67,说明了这种建模方法在平原河网区具有较好的适用性。     

网格大小选择对大尺度分布式水文模型水文过程模拟的影响

以都阳湖信江流域为研究区,分析了网格大小选择对大尺度分布式水文模型水文过程模拟的影响.研究结果显示,在同样参数条件下,1,2和4 km这3种不同尺寸网格对模拟的总径流量影响较小,但网格大小显著地改变着模拟水流在地表径流和地下径流间的分配;不同网格的模型计算的实际蒸发量的差别不显著;大网格的模型计算的地下水补给量大.经过率定后的3种不同网格的模型均能较好地模拟流域的径流过程,但2 km网格模型模拟的总体效果要好于1 km网格模型和4 km网格模型.研究表明,对于分布式水文模型,网格的精细并不一定提高模型的模拟效果,一定精度空间数据的翰人条件下,分布式水文模型存在一个合适的网格大小使得模型的模拟效果最佳.在流域水文模型的具体应用中,应考虑流域本身的尺度以及模拟的目的和精度要求,选择合适的网格大小,同时应结合模型机理,解释模拟结果.     

基于SWAT模型的降雨数据适用性评价

为评价降雨产品在流域尺度水文模拟中的适用性,该文首先依据实际降雨数据评价GLDAS、TMPA和ERA-Interim 3种降雨产品在研究流域的可替代性。多指标模糊优选评价表明,基于双线性插值法的TMPA和ERA-Interim降雨产品数据在日、月尺度上的模拟效果均较好,相对误差(Bias)分别为5.48%和7.46%,均小于10%,相关系数(CC)在0.82~0.98之间,具有站点降雨的可替代性,可作为水文模型的输入。然后用此2种降雨产品分别驱动SWAT模型,进行研究流域的水文模拟精度分析。TMPA产品的日、月尺度水文模拟结果的Bias分别为10.88%和11.03%,纳什系数(NSE)分别为0.46和0.78,而ERA-Interim的日、月尺度水文模拟结果的Bias分别为9.11%和9.27%,NSE分别为0.44和0.70。以Bias、CC和NSE为特征指标的多指标模糊优选模型的评价结果为:TMPA产品日、月尺度水文模拟结果的相对隶属度值分别为0.51和0.53,大于ERA-Interim的相对隶属度值0.49和0.47,表明TMPA产品更适用于流域尺度的水文模拟。该文评价方法及结论可为类似流域尺度的水文模拟提供参考。     

Modelling of snowmelt erosion and sediment yield in a small low-mountain catchment in Germany

Temporal variability and spatial heterogeneity of surface runoff generation triggers the dynamics of source areas of sediment and sediment-associated nutrient transport. Reliable modelling of hydrological special situations i.e. snowmelt is of high importance for the quality of erosion and sediment yield modelling. Data from the research catchment Schäfertal demonstrate the individuality of snowmelt events in terms of runoff coefficient and delivery ratio. This 1.44 km² low mountain catchment is characterised by a high portion of arable land with a winter grain/winter rape crop rotation. The integrated winter erosion and nutrient load model (IWAN) considers these dynamic aspects by coupling a hydrological model with a sediment load model. Cell size of this raster-based approach is 10 × 10 m². Additionally, snowmelt rill erosion is simulated with a newly developed physically based model that is firstly applied on a catchment scale. A sensitivity analysis of this model system component demonstrates the plausibility of the model approach and the overall robustness of the model system IWAN. The results of the long-term hydrological modelling from 1991 to 2003 are reliable and form the basis for the simulation of six snowmelt events which were observed in the Schäfertal catchment. The estimated total runoff volumes for these events match the observations well. The modelled overland runoff coefficients vary from 0.001 to 0.72. The mean values of cell erosion, which were modelled with one set of parameters for all six events range from 0.0006 to 0.96 t ha^− 1. The total modelled erosion for the events with unfrozen soil and low amount of surface runoff is of a factor 50 below those with partly frozen soil. In addition to these distinctions, the major differences are caused by flow accumulation in shallow depressions in variable parts of the catchment. However, the validation of these results on the single event scale is restricted due to limited spatial data. Total simulated sediment yield at the catchment outlet was as high as 13.84 t which underestimates the observed values, with the exception of one event. Oversimplification of the modelled channel processes may be a reason. The temporal variability and spatial heterogeneity of the surface roughness parameter, which was identified to be sensitive, also causes uncertainty in the parameter estimation. Despite these findings, the model system IWAN was applied successfully on the catchment scale and the simulated results are reliable.     

基于SWAT模型的径流与土壤侵蚀过程模拟

将可表征土地利用变化对水文响应影响的分布式水文模型SWAT应用于密云水库潮河子流域,对模型的敏感性进行了分析,并采用1986～1991年下会水文站数据对其径流量和泥沙负荷进行了率定和验证,模型评估结果表明该模型对径流的模拟效果非常好,对泥沙的模拟效果较好。通过计算34个子流域内的侵蚀模数,对流域内的土壤侵蚀强度进行了分级,并分析了不同土地利用方式对产沙的影响。结果表明,流域内的土壤侵蚀主要发生在农田,为保障密云水库的水质应对其采取有效的水土保持措施。     

基于SWAT模型的内蒙古锡林河流域降水-径流特征及不同水文年径流模拟研究

以我国北方寒旱区草原中典型流域——锡林河流域为研究对象,结合我国北方寒旱区草原型河流流域的气候特点、下垫面条件及水文过程的特殊性,通过分析锡林河流域近30 a的降水—径流变化特征,利用锡林河水文站的年径流频率曲线,采用一定保证率条件下的年径流量作为划分流域丰平枯水年的标准,对锡林河流域历史水文年进行划分。基于此基础,以ARCSWAT2012为操作平台,应用地理统计分析方法,对模型建立过程中所需的各数据库进行基础数据整备与参数化,分析影响模型径流模拟精度的主要参数,进行模型的参数率定与结果精度评价,分别对锡林河流域各丰、平、枯水年进行径流模拟,并对其结果进行了检验。结果表明:SWAT模型对细化流域降水—径流分配的径流模拟具有不同的精度,即平水年 > 偏丰水年 > 丰水年 > 偏枯水年 > 枯水年,体现出SWAT模型在中国北方寒旱区丰水年和平水年具有较好的可操作性。     

不同土壤物理属性空间分布对水文过程模拟的影响

基于不同空间分辨率的土壤物理属性数据(土壤田间持水量、孔隙度和饱和水力传导度),运用WATLAC分布式水文模型模拟了西苕溪流域2005-2010年的水文过程。对比评价了土壤物理属性空间分布对地下水补给、土壤蒸发、径流量及其组分的影响。结果显示,利用不同空间分辨率土壤物理属性数据模拟的流量过程与实测值都匹配的很好,模拟精度相当,更详尽的土壤属性空间分布信息未能明显提高模型模拟的精度;而对于地下水补给量,高分辨率的土壤属性空间分布会使其模拟结果大幅减小,但对土壤蒸发量则影响较小,两种数据模拟的结果及其空间分布都很接近;同时,虽然土壤物理属性空间分布的分辨率对模拟的径流总量影响甚微,但对基流与地表径流的分割却产生了较大影响。