汇流宽度随集水面积变化的分布式水文模型

传统的分布式水文模型在进行汇流计算时,把计算单元沿水流方向的宽度作为汇流宽度,据此得到的水流流速与实际流速有较大差异,造成模型无法输出较为准确的分布式结果,在进行分布式土壤侵蚀模拟或其它与流域产汇流密切相关的研究时,极大地影响相关模拟计算结果。建立了以霍顿下渗公式和简化的圣维南方程为基础的分布式水文模型,在汇流计算中引入汇流宽度曲线,考虑了流域栅格汇流宽度随集水面积的变化。经东湾流域实测资料验证,该模型在分布式结果输出方面具有一定的优势。     

流域洪水模拟的分布式时变汇流方法及应用

在考虑流域降雨时空变化和流域地形对流域产、汇流影响的基础上,提出了一种流域洪水模拟的新方法——分布式时变汇流方法。该方法在分布式产、汇流模拟过程中,增加了时变因子,克服了传统方法中忽略降雨在时间上变化的影响。此外,该方法还充分利用了GIS和遥感技术,使得模型中的大多数参数均可从DEM、土壤类型图或遥感影像中获取,只需要率定少数敏感参数。尽管模型结构简单,却能反映降雨径流过程的物理机制。因此,它可用于无资料地区的水文预报,便于应用与推广。将该方法用于浙江省皎口水库流域的洪水模拟,结果显示该模型效率高,模拟的流量曲线与实测曲线吻合较好,并且模拟结果不受降雨强度大小的限制。对双峰型或多峰型洪水,该方法不仅能很好地模拟出各峰的形状,而且主次洪峰分明。     

四川紫色土地区典型小流域分布式产汇流模型研究

针对日益加剧的四川紫色土地区水土流失情况，为定量分析紫色土地区小流域水土流失程度，选取四川省南部县鹤鸣观小流域为研究区，在蓄满产流模型的基础上，构建了适合紫色土地区小流域分布式产汇流模型。该模型以地块为计算单元，在每个地块上输入参数，然后依据流域产汇流机制计算每个地块的产汇流量，并用递归算法将计算结果推算到流域出口，得到流域径流总量。该模型能评价流域下垫面各因子空间分布不均匀性和人类活动的影响，模拟每个地块次降雨产汇流过程。在鹤鸣观小流域进行了模型的检验与应用，模拟过程与实测结果符合较好。该研究为四川紫色土地区水土保持治理提供了科学依据。     

黄土区均匀坡面水文模型研究

应用Green—Ampt修正方程及运动波方程,构建了天然降雨条件下的黄土区均匀坡面水文预报模型,并利用野外天然降雨径流实测资料进行了验证。结果表明,总径流量预报相对误差在20%以下,预报径流过程与实测径流过程吻合很好,坡面水文模型可以较好地模拟黄土地区天然降雨条件下的均匀坡面水文过程。同时也指出,应深入研究复杂坡面上的水文预报模型,进一步完善黄土区坡面水文模型。     

面向地表过程模拟的降雨径流模型开发与应用

降雨径流是流域地表过程的主要驱动力,是众多地表模型的基础。该文在充分考虑流域气象及下垫面等要素空间异质性的基础上,提出了一个面向地表过程模拟的、基于DEM的分布式次降雨径流模型。模型将流域离散为栅格计算单元,并按水流特性将栅格划分为坡面单元和河网单元;模型考虑了降雨、植被截流和入渗等产流过程,利用运动波分级汇流的方式进行汇流演算。模型在江西躁口水流域进行了检验和应用。结果表明：该模型模拟的流量过程精度较高;模拟的径流深度及径流搬运力的空间分布符合水文规律。模型结构简洁、参数较少,具有较好的实用价值;为土壤侵蚀及非点源污染等以流路为基础的复杂地表过程研究奠定了基础。     

森林流域分布式水文模型研究

 构建了森林流域基于物理过程的分布式水文模型。该模型界面明晰,参数较少、容易获取,具有明确的物理意义,而且能模拟降雨、气温、植被、冻土和地形等因素对系统水文过程的影响。通过改变模型中降雨输入和森林植被组成等参数的方法可以探讨森林生态系统水文过程对降雨输入和森林植被变化的响应。     

空间数据对分布式水文模型SWAT流域水文模拟精度的影响

分布式水文模型的模拟精度受空间参数精度的影响.提升空间参数精度能较为精准描述流域空间特征,也会使空间数据量冗增,甚至影响模型运行效率.以分布式水文模型SWAT为例,分析DEM、子流域划分、土地利用、土壤、降水站点等空间数据精度对模型模拟精度的影响.结果表明:1)对不同对象(流量、泥沙、营养元素等)进行模拟时,大多数空间数据分辨率阈值不同,分辨率超出阈值可能降低模型模拟的精度;2)DEM分辨率降低,泥沙和总磷(TP)模拟结果的相对误差明显增加,而流量和硝态氮(NO3-N)模拟结果变化极小;3)DEM分辨率达到一定精度后,进一步提高并不会使地表径流模拟精度得到改善,低分辨率DEM获得的坡度较小,这会降低模型对流量的模拟,模拟的洪峰径流产生滞后现象;4)子流域划分对流域产流模拟影响较小,而对产沙模拟影响较大.子流域和水文响应单元的划分数量对流域上游产沙量影响较大,而对流域出口处泥沙荷载影响较小;5)土地利用和土壤图精度主要通过影响模型中HRU生成的数量而影响模拟结果;6)地表径流模拟上,能够体现对地表径流贡献较大的局地降水事件的分布式的降水数据要比利用气象站点获得的降水数据模拟结果的精度要高.研究结果可以为今后模型开发、利用、改进提供参考,提高模型模拟的精度.     

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。     

流域离散化对分布式水文模型径流模拟的影响

以嫩江上游诺敏河古城子水文站以上集水区为研究对象,利用分布式水文模型SWAT (Soil and Water Assessment Tool),对研究区进行6种子流域划分,研究不同时间尺度上径流模拟随流域离散化水平的变化,以了解输入数据空间集总程度对分布式水文模拟的影响.结果表明,在年和月尺度上,不同子流域划分对径流模拟精度影响较小,但在日尺度上对径流模拟精度有影响;不同时间尺度上流域离散化水平对出口流量的影响均较小,但地表径流随子流域数量的增加而增大,相对误差达到35.4％;径流模拟结果对降水量较敏感,湿润年份模拟精度更高,而子流域划分对径流模拟结果的影响在干旱年份以及夏季汛期更显著;当流域离散化达到一定水平即最小集水面积阈值为流域总面积的2％时,增加子流域划分对径流模拟结果的影响较小,但减少子流域划分则会导致模拟结果不稳定,且难以满足流域空间格局分析的要求.     

新安江模型和人工神经网络的耦合应用

提出了一种集成人工神经网络的概念性水文模型,该模型是一种半分布式概念性水文模型,考虑了降雨的空间变异性,流域特征的不均匀性等因素对径流过程的影响。采用遗传算法进行概念性模型参数优选,同时考虑雨量站的空间分布,利用GIS和DEM数据进行流域单元划分;对于每个子流域,考虑模型输入参数和降雨资料的空间分布特性,进行产流计算;在径流演算过程中,利用人工神经网络的非线性映射方法代替传统概念模型中线性叠加方法计算整个流域的出口流量过程。以半湿润的淮河上游支流的大坡岭流域为例,对模型的可行性进行验证,并与单一的新安江模型的结果进行了比较。验证结果表明,集成人工神经网络技术和新安江模型的耦合模型有较好的模拟和预报结果。     

The efficiency of agrotechnical practices for the control of hydrological processes on small catchment areas during spring snow melting

The efficiency of traditional agrotechnical practices (autumn treatment of soil and its mulching with plant residues (straw)) for the control of the hydrological cycle on small catchment areas during spring snow melting is assessed. The earlier developed dynamic-stochastic model for the formation of spring surface slope runoff was used for the calculations     

集水区尺度降雨侵蚀力空间分布对土壤流失的影响

为探讨降雨侵蚀力空间分布对土壤流失的影响效应,该文以黄土丘陵沟壑区子长集水区为例,将区域重心概念应用到降雨侵蚀力的空间分布研究中,基于GIS探讨了降雨侵蚀力重心在不同年份间的变迁对土壤流失的影响。研究结果表明：降雨侵蚀力重心与水文站点、大于15°坡度重心的距离会显著影响土壤流失;当降雨侵蚀力重心位于水文站点和较陡坡度重心中间位置时,也会产生较多土壤流失;降雨侵蚀力重心在南北方向上变化对土壤流失影响不大,但在东西方向上的移动能够明显改变土壤流失。在集水区尺度上,随着降雨侵蚀力空间分布的变化,降雨侵蚀力与坡度、土地利用、水文站点的空间耦合关系将发生改变,从而导致土壤流失量的增加或减少。     

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.     

Pipes and pipe flow process in an upland catchment,Wales

The results of observations on the spatial localisation, origin and function of soil pipes in an upland catchment are discussed. The pipes occur in distinct zones in the brown earth soils of the lower slopes, and form a hydrological link conducting water between an upslope zone of highly permeable skeletal soils and the stream channel. It is proposed that in this catchment, pipes develop from an initial network of mole burrows, modified by hydraulic activity to produce an efficient downslope transmission network. A conceptual model for the pipe slope segment is proposed which recognises the importance of this transmission role. Slope discharge controls switching between saturated throughflow, pipe flow and overland flow, each of which has a specific threshold value for operation. Attempts to investigate the significance of pipe flow at the catchment scale met with limited success, but it appears to be important in increasing both contributing area and duration of storm flow.     

Transient acid surges in an upland stream

This paper examines the hydrological and chemical processes controlling transient acid surges in a small, upland catchment in the Cairngorm Mountains of Scotland. The major episodes of increased acidity are produced by preferential elution of pollutants from snow at the onset of melt and by heavy autumn rainstorms when the catchment is saturated or frozen. Records of flow and water quality over a 3 yr period have been used to calibrate a lumped conceptual hydrochemical model. Using this model it is shown that concentration and distribution of input pollution by hydrological processes is the major control on episodic variations of stream water quality in this catchment.     

黄土小流域不同发育阶段地形指数变异特征分析

基于人工降雨实验获取的黄土模拟小流域高解析度DEM数据,提取其不同发育阶段的地形指数,分析了黄土小流域降雨侵蚀过程中地形指数的空间分异特征、平均地形指数变化规律及地形指数频率分布曲线特征。研究证明,地形指数空间分布与地形呈现很强的相关性,地形指数均值与坡度均值呈现对数变化关系,地形指数频率分布图随地形变化呈现规律性变化。地形指数空间变异特征分析可为研究流域地形和流域水文相似性提供基础资料。     

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.     

SWAT径流模拟及其对流域内地形参数变化的响应研究

SWAT(soil and water assessment tool)模型是一个集成遥感(RS)、地理信息系统(GIS)和数字高程模型(DEM)技术的基于水文过程的、具有较强物理机制的先进的分布式流域水文模型。为了进一步研究流域尺度内水文过程的时空变化规律,深入了解流域水文时空过程与气象、地—气界面条件及流域地貌特征间的关系,选取汉江上游马道流域,运用AVSWAT2000版模型进行1981—1985年间的年、月径流模拟,以月径流模拟的N—S模型效率系数为主要指标,率定出月模拟效果最佳时的各参数值。在此基础上从马道出水站点沿主河道往上游再选取6个控制点,运用River Tools软件提取出各个控制点控制流域和地形参数,分析参数变化情况,并在此基础上用前面率定好的参数来模拟各个控制点处的出口流量,分析径流对地形参数变化的响应关系,并提出了归一化径流—河道总长比指数。该指数受到河源密度的影响,在流域内的变化趋于常数1。     

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.