基于DEM的流域地貌气候瞬时单位线地貌参数的提取

 地貌参数的提取是水文模型构建的基础,参数的准确与否直接关系到模型的精度。该文研究了基于DEM提取地貌气候瞬时单位线(R-VGIUH)地貌参数的方法:对流域DEM进行填洼处理;提取不同临界支撑面积下的河网;分析临界支撑面积的取值对所提取的河网总长度和平均坡降的影响;确定反映流域河流地貌发育的流域临界支撑面积;计算流域相应的各项地貌参数。将该方法应用于山西省吉县的冯家圪垛小流域(17.98 km²),提取的河网与实际情况比较符合,计算出的地貌参数河数率(4.6083)、河长率(2.5928)、面积率(3.3999)均符合通过大量自然水系资料分析确定的取值范围。研究方法排除了选取集水面积阈值时的主观性,提高了提取流域地貌参数的精度。     

水文地貌关系正确DEM的建立方法

 水文地貌关系正确DEM(hydrologically correct DEMs,Hc-DEM),是指符合水文地貌学基本原理,正确反映水文要素(水流方向、水流路径、水系网络、流域界线等)与地貌特征发生和位置关系的DEM。区域尺度水文和土壤侵蚀等研究中,地形因子参数只能利用DEM来提取,为了准确反映地面形态,有效提取地貌和水文特征因子,建立Hc-DEM是必需的。笔者对Hc-DEM的概念、建立方法进行了讨论和介绍;以黄土高原为例,提出了利用多种比例尺数字地形图和ANUDEM软件建立DEM的关键参数;通过与TIN方法建立的DEM的比较,对所建立的DEM进行了简要评价。研究表明,利用我国已有的数字地形图和ANUDEM软件,可以建立Hc-DEM,为流域水文和区域尺度水土流失定量分析模拟、区域尺度植被适宜性评价等研究提供更加直接的数据支持。     

基于分布式水文模型的阿伦河流域降雨-径流计算

[目的]为黑龙江省西部半干旱区季节性地表径流计算提供科学的方法,并推求该区雨季各月的径流系数。[方法]基于对阿伦河流域下垫面的实际调查,对土壤垂直剖面模型化,利用GIS构建研究区DEM及河网,以运动波理论的基础方程式构建降雨—径流计算方法,以对观测流量的数值模拟检验模型实用性。通过对2012和2013年5—10月降雨—径流计算结果的分析,分别推求了各月径流量和径流系数。[结果]模型计算精度可以达到误差基准允许的范围之内(0.03);7,8月的月径流系数在0.5以上,计算时段内的径流量分别占各年总降水量的34.2%和34.7%。[结论]构建的降雨—径流数值模型,量化了计算时期内各月的径流系数,适用于对研究区降雨—径流过程的计算。     

辽宁省无资料地区设计暴雨洪水计算方法的研究

针对辽宁省气候及流域特征 ,在认真总结前期工作经验的基础上 ,分析 4 2 917站年暴雨洪水资料 ,应用水动力学原理 ,考证了特大暴雨的重现期 ,增加了超短历时 (最大 10min)暴雨等值线图及 10min～ 1h的暴雨衰减指数nop等参数 ,分析出辽宁省中、东、西部地区产流特点 ,提出适应不同地区的产流模型 ;采用综合经验单位线与瞬时单位线相结合的途径 ,建立单位线要素与水文、地理因子间的关系 ,提出了具有辽宁特点的中小河流 (无资料地区 )设计暴雨洪水计算方法     

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。     

一个地表-地下径流耦合模型在西苕溪流域的应用

提出了一种地表-地下径流联合模拟的分布式水文模型,该模型综合考虑了地表径流、土壤水、地下径流之间的相互作用和水量交换,更真实地模拟了径流系统。选取太湖西苕溪流域进行了模型的应用研究,采用1km×1 km网格,就1988-2001年横塘村、范家村两水文站逐日、月实测径流资料进行径流模拟,确定了模型的基本参数。从模拟精度、参数需求、模型稳定性、水量平衡等方面分析模型的特点,研究表明:该模型参数相对简单,模拟精度较高,耦合运行稳定、快速,水量平衡分析详尽。模型可用作地表-地下径流相互作用、流域水量平衡分析和水资源管理的有效计算工具。     

基于SWAT模型的延河流域径流侵蚀能量空间分布

降雨侵蚀力是通用土壤流失方程(universal soil loss equation,USLE)等流域土壤侵蚀模型中应用最广泛的侵蚀动力因子,但仍具有一定的局限性,相比之下,径流侵蚀功率可以更充分地反映地表水力侵蚀动力的综合作用。分析径流侵蚀功率的空间分布,以期从能量的角度阐明流域侵蚀的分布情况,研究流域空间侵蚀的特征。该研究运用SWAT模型在延河流域的模拟结果,将次暴雨径流侵蚀功率推广到年尺度,提出年径流侵蚀功率的概念,并研究年径流侵蚀功率的空间分布规律及尺度效应。研究结果表明:在延河流域年径流侵蚀功率的空间分布具有"支流大、干流小;上游大、下游小"的特点;将子流域出口断面控制面积作为空间尺度因子,与径流侵蚀功率拟合,呈幂函数关系,空间尺度效应阈值在155 km2;将子流域出口断面以上河长作为空间尺度因子,与径流侵蚀功率拟合,呈指数函数关系,且干、支流的空间尺度效应不同。研究结果从能量角度阐明了延河流域水力侵蚀动力的空间分布,为在延河流域不同地区进行针对性的水土资源管理、水土保持工程建设提供理论支持。     

沟蚀发生的地貌临界理论计算中数据获取方法及应用

沟蚀发生是一种地貌临界现象,与沟头处局地坡度及上方汇水面积有关,而沟蚀发生地貌临界理论能够预测沟头可能发生的位置。该文从沟蚀发生地貌临界理论起源、数据获取方式、参数计算方法、影响因素及应用等方面综合评述了该理论的发展及近年来国内外的有关研究。数据获取方式主要包括野外实测、高清遥感影像及地形图测量。参数计算方法包括目视(下限值)法、正交回归(95%置信区间下限)、正交回归(下限值)及分位数回归等。相对剪切力指数值反映区域主要的沟蚀发生机制,临界常数值反映当前特定外界环境下的沟蚀发生临界条件。将相对剪切力指数固定后,临界常数的时间序列变化能够表征外界环境改变对沟蚀发生的影响。人类活动改变了沟头上方汇流环境,进而影响临界条件。沟蚀发生地貌临界理论可获取沟道侵蚀风险较大的区域,为沟道侵蚀防治措施布设提供参考。结合高分辨率地形图,增加表征人类活动影响汇流过程的参数能够丰富沟蚀发生地貌临界理论。该理论与已有沟道侵蚀发展模型结合,可将沟头发生位置和沟道发展过程统一,促进沟道侵蚀全过程的模拟。     

基于CAN总线的供电系统三相并联逆变器同步控制方法

针对三相并联逆变器系统同步控制中CAN（controller area network）总线通信方式存在实时性和准确性随总线负载上升而下降和同步相位调节算法存在谐波频率偏移、波形畸变大等问题,该文提出了一种基于 CAN总线通信的基准时间同步方法和基于PWM（pulse width modulation）载波周期的相位同步调整算法,采用动态主从同步控制模式,所有逆变器单元依次作为主控单元,按照时间触发和事件触发相结合的方式实时发出包含频率信息的广播同步信号,所有逆变模块据此确定基准时间并调整输出电压的频率和相位使得同相的逆变器输出电压同频率、同相位,而不同相的逆变器输出电压相位互差120°。仿真分析和试验结果表明,该方法使三相并联逆变器系统输出电压各相之间的相位误差和同相之间相位差均在1°之内,可以在无需增加功率器件耐压值和限流值的前提下提高供电系统供电容量。     

基于ArcView的SCS模型在流域径流计算中的应用

SCS模型考虑了径流与土壤特性和土地利用情况的关系,能反映不同土壤和地面覆盖条件影响产流的特点,所需参数较少,是一种简洁且实用的流域径流计算方法。以福建省敖江一子流域为例,在ArcView环境中应用SCS模型,利用GIS技术确定和反映不同土地利用类型的CN值和径流量,并使这些值建立在空间数据之上,同时以地图的形式显示,实现径流数据与空间数据相结合,以直观的方式为流域管理决策者服务。     

Application of a unit hydrograph based on subwatershed division and comparison with Nash's instantaneous unit hydrograph

The Unit Hydrograph (UH) technique is widely used for runoff estimation, especially for determining peak discharges. In this paper, a geomorphologically based UH has been applied. Its most remarkable characteristic is that it includes the watershed structure in its formulation. This is defined from the drainage network, each subwatershed being considered as a linear reservoir. In this method, the fact of considering this reservoir sequence according to the drainage network leads to the formulation of the model only depending on a single parameter. The Geomorphological Unit Hydrograph of Reservoirs (GUHR), proposed in this paper, is compared with Nash's Instantaneous Unit Hydrograph (Nash's IUH), by applying the two methods to the Aixola watershed. This 4.7-km² watershed is located in Gipuzkoa (Northern Spain). It is characteristic of the headwaters watersheds of the area. Most of them are forested and have steep slopes. Annual rainfall is over 1500 mm and many intense rainfall events are observed, among which 18 were selected for this study. Both UH techniques were applied to the rainstorms. The resulting hydrographs were plotted against registered data and the best fits were determined. According to these results, the GUHR model behaved similarly to Nash's IUH. However, the GUHR method seemed able to reproduce a wider range of rainstorms than Nash's IUH. While analyzing the UHs calculated, seasonal behavior was observed in runoff generation, and different average UHs were proposed for two different periods. This variability was also observed in values adopted by the GUHR model parameter, providing some information about the watershed time response. The dynamic character of the only uncertain parameter, and the model formulation, in which the watershed morphology is reflected, together with the model's simplicity, leads us to consider GUHR as being a promising UH model.     

Efficiency of the geomorphologic instantaneous unit hydrograph method in flood hydrograph simulation

Several methods and models to simulate rainfall-runoff processes have been presented, and each of them has its own advantages and disadvantages. In the present study, different methods were applied to simulate the rainfall–runoff process over the Kasilian Watershed located in northern Iran, including Snyder, SCS, Trianglar, Rosso and Geomorphoclimatic unit hydrographs. The study was intended to compare the accuracy and reliability of a geomorphologic model with Snyder, SCS, Trianglar, Rosso and Geomorphoclimatic Unit hydrographs. In addition, this study attempted to determine the shape and dimensions of outlet runoff hydrographs in a 68.8 km² area in the Kasilian Basin, which is located in the Mazandaran Province of Iran. The first twenty-one equivalent rainfall–runoff events were selected, and a hydrograph of outlet runoff was calculated for each. The peak time and peak flow of outlet runoff in the models were then compared, and the model that most efficiently estimated hydrograph of outlet flow for similar regions was determined. The comparison of calculated and observed hydrographs showed that the geomorphologic model had the most direct agreement for the parameters of peak time and peak flow of direct runoff. Statistical analyses of the models demonstrated that the geomorphological model had the smallest main relative and square error. The study's results confirm the high efficiency of the Geomorphoclimatic Unit Hydrograph and its ability to increase simulation accuracy for runoff and hydrographs.     

基于动水法的流量过程线推移法在渠道渗漏计算中的应用

动水法观测渠道渗漏较静水法便捷,但由于动水法观测条件苛刻,通常使得动水法定义下的计算结果可靠性较差。该文通过对动水法观测问题及特点分析,建立了流量过程线推移法,通过数据平行检验,绘制有效数据的流量过程线,并对流量过程线进行顺流推移和逆流推移,从而获得某观测时段内上、下游观测断面的流量过程线差,进而算得损失流量。该文以石津灌区四干三分干南四支梯形混凝土衬砌渠道为例进行了分析,对该段渠道上6种衬砌形式进行静水法和流量过程线推移法观测。静水法分析得6种衬砌形式的渗漏量与渠道水深之间均表现为幂函数形式。流量过程线推移法通过平行检验得到19组数据,计算得到渗漏量,将其与静水法得到结果进行比较,得到有12组数据绝对误差小于10 m3/(km·h)。两种方法的渗漏量与水深相关分析呈现相同的变化趋势,即渗漏量随水深的增加而增加。该研究初步验证了流量过程线推移法在渗漏量计算上的可行性。     

Spatial variation in drainage characteristics and geomorphic instantaneous unit hydrograph (GIUH); implications for watershed management—A case study of the Varada River basin,Northern Karnataka

Geomorphological characteristics can be treated as signatures of hydrological responses. Geomorphologic instantaneous unit hydrograph (GIUH) is of utmost use in planning watershed management programs on a broad scale in absence of hydrologic data. Fifth order basins from different agroclimatic zones in the Varada River basin were selected to understand the spatial variation in drainage characteristics. These sub-basins show significant differences in their morphometric properties such as basin area, drainage density, bifurcation ratio, circularity ratio, constant of channel maintenance etc. These differences reflect variation in the hydrological process and geomorphologic instantaneous unit hydrograph (GIUH) of different sub-basins and can be used to understand watershed management aspects. Fifth order sub-basin in the Southern Transition agroclimatic zone is potential for artificial recharge programs. Sub-basins in the Hilly non-forest zone on the north are ideal for surface water storage like tank development program while Forested Hilly zone on the north are environmentally sensitive and prone to erosion.     

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.     

汾河上游流域分布式水文模型的构建

根据汾河上游流域的水文特性,采用以坡度、坡向为主要因素,按照集水区自然分水线划分子流域的流域离散方法,将SCS产、汇流模型与马斯京根法结合用于计算该地区的径流过程,建立了适于该地区,基于流域尺度的次降雨-径流分布式水文模型.选用该地区的典型流域--岚河流域与分布式模型耦合,进行模拟.经实测资料与模拟结果的分析比较,结果表明,该模型具有一定的精度,径流量合格率及汇流合格率分别达到70%和80%,且计算流量过程与实测流量过程吻合较好,所建模型基本适用于该地区的降雨一径流计算.     

基于基流比例法的渭河生态基流计算

为使生态基流更好地体现中国北方河流生物需水的年际间和年内变化,该文提出基流比例法。将长期径流系列资料划分为丰、平、枯及特枯年等不同年型,采用传统方法确定某一年型的基流比例后,通过该年型与其他各年型平均径流量之间的比值,推求出基流比例之间的关系,由此计算出其他各年型的基流比例及生态基流值。根据需要,还可进一步将年内划分为不同时段分别计算。以渭河干流宝鸡段为例,应用该方法计算了各年型及年内各时段的生态基流值,其结果为5.02～36.73 m3/s,比较后发现其他几种常见方法计算的生态基流值均在该范围之内,各代表年基流的保障程度基本都能达到90%以上,但是近几年呈现递减的趋势。该方法适合中国北方河流生态基流的计算。     

基于空间数据库和GIS的SPAC系统水分运动模型

农田SPAC系统水分空间变异通常较大,一维模型无法反应区域农田水分的运动和空间分布.该研究以空间数据库和组件式GIS为基础,结合适于北方平原农田水文过程的机理公式,开发出可以在ArcMAP(ESRITM)中加载的区域SPAC系统水分运动模拟工具,该工具结合GIS空间分析功能、空间数据库管理和水文过程数值模拟于一体,可以模拟计算SPAC系统水分的时空分布和运动,并提供二维或三维的输出结果.模型由多个数据处理和过程计算子模块组成,可模拟SPAC系统内土壤水分动态和蒸散量.验证表明,区域土壤水分模拟绝对误差在0.05(即体积含水量相差5%)以下的栅格点数达到总计算区域栅格数的95.61%;蒸散量验证显示,玉米生长季平均绝对误差为0.15 mm,平均相对误差为3.1%;小麦生长季平均绝对误差为0.13 mm,平均相对误差为5%.     

基于两点机器学习方法的土壤有机质空间分布预测

准确预测土壤有机质（Soil Organic Matter,SOM）空间分布对精细农业、耕地质量建设、生态环境保护以及固碳减排等均具有重要的意义。该研究探讨了基于两点机器学习方法（Two-point Machine Learning,TPML）提高SOM空间分布预测的可行性。以黑龙江省海伦市为研究区,以气候、地形地貌、社会经济和空间位置信息等因素作为辅助变量,充分利用空间位置信息和属性相似关系,有效处理SOM空间分布异质性及其与辅助变量间关系异质性,以提高TPML方法进行SOM空间分布预测的精度。采用随机森林、基于随机森林的回归克里格、反距离权重法和普通克里格（Ordinary Kriging,OK）方法作为对比,以平均绝对误差（Mean Absolute Error,MAE）、均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）、预测值与真实值相关系数（r）和决定系数（R2）作为评价指标,进行不同样本量下的多组对比试验,评价不同方法的预测精度。结果表明：1）研究区SOM含量在1.775～7.188 g/kg之间,平均值为3.179 g/kg,空间分布不均匀,呈东高西低的分布趋势。2）在不同样本量条件下,与其他模型相比,TPML的预测精度均最高,其MAE（0.088～0.097 g/kg）和RMSE（0.116～0.139 g/kg）均为最小,r（0.992～0.996）和R2（0.971～0.985）均为最高。3）预测值的误差标准差（理论误差）与实际误差具有相似的空间模式,说明TPML可以为预测结果提供合理的不确定性估计。综上,TPML模型可以通过同时利用空间自相关性和属性相似性来提高预测精度,该模型适用于预测具有一定空间自相关性且具有可用辅助数据的资源环境变量。