面雨量计算不确定性对新安江模型径流模拟的影响研究

降雨是流域水资源最直接的来源,其过程影响流域水资源的产生和汇聚,对流域的径流过程影响显著。基于新安江模型,以涪江流域为研究对象,采用泰森多边形法、反距离权重法进行面雨量计算,模拟2007-2012年的日径流系列,研究了雨量站网密度、降雨空间插值方法对面雨量计算结果及径流模拟精度的影响,在此基础上进一步探讨了面雨量计算相对偏差与径流量模拟相对偏差之间的关系。结果表明:雨量站点越多面雨量计算的不确定性越小,径流模拟精度越高;在涪江流域内插值站点数目较少时,反距离权重法的径流模拟精度更优,站点数目较多时,泰森多边形法的径流模拟精度略优于反距离权重法;径流量模拟相对偏差与面雨量计算相对偏差不存在明显的相关关系,随着面雨量计算相对偏差的增大,径流量模拟相对偏差呈震荡变化。     

不同雨量站密度下水文模拟效果分析

降雨作为水文模型的主要输入,其观测站点的密度和不均匀的空间分布是降雨误差的主要来源,因此分析雨量站网密度和空间分布的影响对于提高水文模拟的精度具有重要意义。研究选择雨量站点较多且分布相对均匀的湘江流域为研究区域,使用新安江模型分析了不同雨量站网密度和空间分布对水文模拟的影响。结果表明,提高雨量站网密度能够有效降低模型最优参数的估算误差,水文模拟精度随着雨量站网密度的增加而显著上升,但当站点密度达到一定阈值后,模拟精度不再显著提高。另外当站点密度较低时存在部分雨量站网组合可以得到较好水文模拟结果。因此,增加雨量站数目、优化雨量站空间分布均能提高水文模型的模拟精度。     

泰森多边形降雨插值方法在流溪河模型洪水预报中的应用

提出了基于泰森多边形法法估算流溪河模型单元网格面雨量的方法,针对田头水流域建立了流溪河模型,采用PSO算法优选了模型参数,模拟了六场实测洪水过程,取得了较好的模拟效果,说明泰森多边形法适用于流溪河模型洪水预报降雨估算的需要。分析了站网密度对面雨量估算、流溪河模型参数优选及洪水模拟的影响,发现存在临界雨量站网密度。雨量站网密度达到临界值后,利用流溪河模型模拟洪水的变化不大。     

气候因素对蒲河流域径流模拟影响研究

根据分布式水文模型可以对不同流域进行较好模拟的特点,通过对蒲河流域气象数据、数字地图数据、土壤类型数据、土壤利用数据等资料的整理,对大河泡水文站实测资料与模拟结果进行径流月校准与径流月验证,分析SWAT模型在蒲河流域的适用性,并探讨不同气候因素对径流变化的影响。计算结果表明,降雨因素比气温因素更显著的影响蒲河流域的径流变化。     

基于SWAT模型和SUFI-2算法的黄柏河东支流域径流模拟研究

黄柏河东支流域是宜昌市重要的水源地,该流域的高精度径流模拟对于流域水资源高效管理具有重要意义。以黄柏河东支流域为研究对象构建SWAT分布式水文模型,采用SWAT-CUP软件中的SUFI-2算法进行参数敏感性分析、参数率定、模型验证和不确定性分析,模拟2008-2016年的月径流过程。研究结果表明,选取的19个参数对于模拟的径流过程均有不同程度的影响,其中CN2、ESCO、SOL_K最为敏感。玄庙观、天福庙、西北口和尚家河站的月径流模拟过程与实测过程线吻合程度较高,在率定期和验证期所有站点的纳什系数NSE、均方根误差与标准差比值RSR、百分比偏差PBIAS均在误差范围内。不确定性分析表明,所有站点的P-factor均大于0.6,R-factor均小于1,大部分观测值落在95PPU内,说明模拟的不确定性较小。总之,所构建的SWAT模型在黄柏河东支流域具有较好的适用性,模型模拟精度高,不确定性小,能准确地模拟流域的径流过程。     

丘陵-平原-湿地复合区降雨径流数值模型

针对丘陵-平原-湿地复合地区降雨径流数值模型较少、而已构建的模型对水文要素空间分布和湿地区水流运动又反映不足,采用格子玻尔兹曼法和有限元法构建丘陵-平原-湿地复合区降雨径流数值模型。在模型构建过程中将复合区分为地势起伏较大的上游丘陵区和下游地势变化较小的平原湿地区。上游丘陵区降雨采用距离平方倒数法计算降雨空间分布、采用格子玻尔兹曼法建立非饱和区土壤水运动模型、利用达西公式建立饱和区水流运动模型、利用格子玻尔兹曼法构建汇流数值模型,进而构建了上游区的降雨径流数值模型。平原湿地区采用基于有限元四边形单元构建了水流运动数值模型。平原湿地区入口边界采用上游区降雨径流数值输出的流量过程,平原湿地区出口边界采用基于格子玻尔兹曼法的汇流模型计算的水位过程。四边形单元有限元求解水流运动方程实现了上、下游区的无缝连接,模型使用比较方便。以挠力河流域为研究对象进行了降雨径流和平坦区水流运动模拟研究,模拟结果良好,说明模型较为可靠。     

BTOPMC模型在无资料地区的径流模拟

选取嘉陵江中游的9个流域,采用参数移植法的区域化方法,研究分布式水文模型BTOPMC在无资料地区的径流模拟结果。取8个流域作为参证流域,一个有资料的流域作为"无资料"地区,结果表明,单个流域率定的参数运用到"无资料"地区用于径流模拟时,模拟的精度存在很大的不确定性,而将多个流域参数率定的参数综合用于无资料地区的径流模拟时,不确定因素明显消除,当参证流域为2~5个时,模拟精度最好,之后随着参证流域的增多,模拟精度逐渐减小。本次研究为分布式水文模型BTOPMC模型在无资料的中小流域应用提供一定依据。     

SWAT分布式模型在新兴江流域径流模拟中的应用研究

分布式水文模型是研究变化条件下流域水资源演变规律的有效工具。本文以新兴江流域为研究区域,整合流域下垫面信息与气象数据,基于GIS平台构建了SWAT分布式水文模型。选用腰古站1990-2003年历史月径流资料,对模型进行参数敏感性分析与率定,验证模型在流域的适用性,在此基础上,运用增量情景法,分析气候变化对流域径流产生的影响。结果表明:模型率定期与验证期的总径流相对误差均在±10%以内,Nash-Sutcliffe系数均在0.90以上,总体模拟效果十分理想;降水与气温的变化给流域径流带来不同程度的影响,径流量对降水变化的响应比气温更加敏感。通过径流模拟,SWAT模型可以为变化环境下新兴江流域的水资源规划与管理工作提供有效的参考依据。     

基于WMS模型的大石河上游降雨产流模拟

水文模型是模拟流域水文过程和认识水文规律的重要工具,对流域产汇流计算、洪水分析与预报以及水资源优化配置等具有重要的意义。近年来,基于DEM的分布式水文模型在对流域地形分析及水系构建等方面形成了比较成熟的算法。利用ArcGIS、Global Mapper软件对数据资料进行预处理,然后采用WMS水文模型的TOPAZ算法生成研究区河网水系、确定研究区流域边界并进行子流域的划分,最终生成研究区数字流域。采用WMS嵌入的HEC-1模型进行流域降雨产流模拟。结果显示:流域逐日地表径流随降雨的变化而变化,并表现一定的滞后效应;模拟的径流量最大峰值(9.37m3/s)与水文站实测峰值(8.98m3/s)误差为7.80%;模拟日期内(一个月)逐日平均径流量(3.56m3/s)与实测值(3.77m3/s)误差为5.60%。说明该模型具有较高的模拟精度,可以用于大石河流域的降雨径流模拟,从而可为该流域防洪、减灾及水资源管理提供重要依据。     

降雨对山丘区小流域洪峰模拟不确定性的影响

为探讨降雨对山丘区小流域洪峰模拟不确定性的影响,提高山丘区小流域洪水预报的精度,采用新安江水文模型在河南省栾川流域进行不同降雨误差输入条件下的径流模拟对比分析,并进一步探讨了不同前期土壤干湿程度条件下的降雨输入对洪峰模拟结果的影响及其变化趋势。研究结果表明:山丘区小流域洪峰模拟值的偏差随降雨输入误差的增加而增加,二者呈正相关;随着前期土壤由干到湿变化,对于相同的降雨输入误差,洪峰模拟偏差逐渐变小,且降雨输入偏大程度越大时,这种变小趋势越明显。     

基于双源蒸散发的新安江模型在淮河上游的应用

传统的新安江模型在计算流域蒸散发能力时仅依据非常有限的几个蒸发站的蒸发皿实测水面蒸发乘以一个折算系数来获得,不能考虑土地利用/覆被、气候特征、植被叶面积指数等因子的时空差异性和土壤特性、流域地形的空间差异性对流域蒸散发量影响。通过将考虑植被叶面积指数动态变化对蒸散发影响的双源蒸散发模型与新安江模型集成,改进了新安江模型的蒸散发计算模块,并以淮河息县水文站以上流域为研究区,以日为时间尺度,基于地形、土地利用、气象及水文资料对息县以上流域2000~2008年降雨径流过程进行模拟,结果表明,基于双源蒸散发的新安江模型能有效地模拟淮河上游降雨径流过程,满足模拟精度要求。研究成果为改进新安江模型中蒸散发计算模块提供了依据,也可为改进的新安江模型在其他流域的应用提供参考。     

基于Bootstrap法的水文模型参数不确定分析——以伊通河流域为例

以伊通河流域为研究区,运用实测数据建立SWAT水文模型。在LH-OAT参数敏感性分析的基础上,应用Bootstrap法对SWAT水文模型敏感参数的不确定性进行了分析,获取了5个敏感性参数的不确定区间及边缘分布,结合变异系数对参数的不确定性程度进行了评估。结果表明:SOL_AWC呈负偏态分布,其余4个参数近似服从正态分布;在5个敏感性参数中,CN2、ESCO的参数不确定性程度最高。进一步分析了参数不确定性对模型模拟结果不确定性的贡献,结果表明:参数的不确定性对模拟结果的不确定性贡献较大,58%的月径流观测数据落入模拟的95%置信区间内。然而在降雪期参数的不确定性对模拟结果的不确定性贡献较小,有8.3%的观测数据落入模拟的95%置信区间内。研究成果可为bootstrap法应用于水文模型参数不确定分析以及SWAT模型在伊通河流域水文模拟方面提供参考。     

汾河兰村—二坝流域径流模拟及气候变化对径流影响研究

以汾河兰村—二坝区间流域为研究对象,建立研究区SWAT分布式径流模拟模型,并利用SWAT-CUP程序SUFI-2算法进行模型敏感性分析及参数率定,进一步将率定好的模型应用于气候变化条件下的径流响应分析,为区域水资源管理决策提供理论依据与技术支持。径流模拟结果表明:模拟期的各项精度评价指标均达到乙级,SWAT模型在研究区径流模拟的适用性较好。气候变化条件下径流响应分析表明:径流变化与温度变化呈负相关,且随着温度变幅的增加,径流减小速率减缓,温度影响效应减弱;径流变化与降雨变化呈正相关,且随着降雨变幅的增加,径流量增加速率加大,降雨影响效应加强;相同的径流响应,气温与降雨的变化基本呈线性变化关系,即气温增加0.5℃的径流效应与降雨平均减少0.49%(变化幅度0.38%~0.67%)的径流效应等效。     

DHSVM模型在沱沱河流域的径流模拟适用性分析

探讨了如何建立分布式水文土壤植被模型DHSVM(The Distributed Hydrology Soil Vegetation Model)。分析了DHSVM模型在高寒地区沱沱河流域的适用性,并且以实测的径流对模型进行校正。率定期和验证期模型的纳什效率系数分别达到0.82和0.84,说明DHSVM模型可以较好的模拟沱沱河流域的水文径流过程,具有一定的适用性。模型模拟过程中,部分年份的径流模拟效果稍显欠佳,模型参数的不确定性也给模型模拟带来了一定的误差,需要进一步研究改进。     

基于LUCC分析的流域灌溉优化水文响应模拟研究

通过济南南部卧虎山水库上游"三川"流域1988年-2014年5期LUCC的分析与分布式水文模型SWAT模拟,研究了LUCC与流域径流的关系。针对流域以农业耕作为主、耕地变化量是近年来影响流域径流减少的因素这一现实情况,利用SWAT模拟了采取新旧灌溉定额对流域出口断面径流的不同影响。结果表明,农作物灌溉定额在减少了0.17%的情况下,位于流域出口的卧虎山水库入库量增加了0.31%,此结果对提高流域尺度下节水灌溉等水资源优化配置效率、加强水库调度的科学性具有重要指导意义。     

龙岗河流域SWAT模型构建及与WebGIS平台耦合研究

通过对龙岗河流域进行现场调研和资料收集,获取SWAT流域水文模型所需输入数据,利用空间分析计算划分子流域边界,使用降雨、气温等气象输入条件驱动算例模拟。在服务器后端搭建流域数据库,通过发布GIS服务提供GIS资源,在浏览器前端进行Web GIS平台开发。编译SWAT模型源文件生成执行文件,通过PHP进行输入文件及参数修改、模型运行计算和结果提取传输,实现SWAT模型和Web GIS平台之间的耦合,增强模型输入条件和模拟结果的展示效果。     

土地利用/覆被数据精度对流域水文过程模拟的影响研究

土地利用/覆被是水文过程模拟的关键参数,影响截留、入渗、蒸散发和地下水补给等过程,最终影响河道径流量。【目的】更好地了解不同精度的土地利用/覆被数据对水文过程模拟的影响。【方法】将黑河上游祁连山区3种具有不同分辨率、不同分类精度的土地利用/覆被数据(NLULC,NLULC-1km以及MICLULC)分别输入SWAT水文模型中模拟黑河上游出山径流量,分析了模型率定前和率定后的模拟效果。【结果】将空间分辨率更高、土地利用/覆被分类较少的土地利用/覆被数据输入SWAT模型,能够减少模型校准的复杂度和工作量;模型校准后,分类程度越详细的土地利用/覆被数据对应的SWAT模型径流模拟效果越差;水文模型的校准过程会导致土地利用/覆被数据的空间分辨率对径流模拟的影响变小。【结论】在利用SWAT模型进行径流模拟时,输入分辨率高且分类较少的土地利用/覆被数据能够使模型模拟效果更好。     

基于贝叶斯模型平均的水文模型不确定性及集合模拟

单一模型在水文过程模拟和预报中存在诸多不确定性,集合模拟是减少不确定性影响的有效方法。在水文模型参数估计的两类方法基础上(分别选用SCE-UA算法和SCEM-UA算法为代表),选用3个基于子流域的半分布式水文模型(新安江模型、混合产流模型和HYMOD模型),综合考虑模型参数和模型输入的不确定性,并采用贝叶斯模型平均(BMA)将3个模型的模拟结果集合进行概率预报。结果表明:SCE-UA算法和SCEM-UA算法优化的参数都能使模型取得较好的模拟效果,但SCEM-UA算法能得到模型参数的后验概率分布,并获取模型的概率预报区间,具有更大的优势;考虑模型输入不确定性,模拟径流的精度没有较大提高,但概率预报区间精度有一定的改善;采用BMA方法集合多模型模拟结果,综合考虑模型参数、模型输入和模型结构的不确定性,其模拟结果要优于单一模型,说明水文集合模拟的优越性;BMA集合后,SCEM-UA算法的模拟结果较SCE-UA算法的模拟结果具有更准确的概率预报区间。     

流域平均山坡长度的提取及其在SWAT模型中的应用

流域山坡长度是指流域内山坡的山顶和山脚之间沿最陡坡向的水平距离，流域平均山坡长度是整个流域内山坡长度的平均值，它们是描述流域地形地貌特征的基本地理参数，广泛应用在分布式水文模型和水土流失模型中。人工确定流域的山坡长度非常费时并会因不同用户的主观思维而不同，然而它的取值对于分布式水文模型能否准确地模拟流域的水文过程十分重要。探讨了两种从DEM模型中提取此参数的方法，并以宜昌黄柏河流域为例，就其在分布式水文模型SWAT中的应用及其敏感性进行了研究。     

流域平均山坡长度的提取及其在SW

流域山坡长度是指流域内山坡的山顶和山脚之间沿最陡坡向的水平距离，流域平均山坡长度是整个流域内山坡长度的平均值，它们是描述流域地形地貌特征的基本地理参数，广泛应用在分布式水文模型和水土流失模型中。人工确定流域的山坡长度非常费时并会因不同用户的主观思维而不同，然而它的取值对于分布式水文模型能否准确地模拟流域的水文过程十分重要。探讨了两种从DEM模型中提取此参数的方法，并以宜昌黄柏河流域为例，就其在分布式水文模型SWAT中的应用及其敏感性进行了研究。