一种基于MMS的改进降水径流模型在中国西北地区黑河上游流域的应用

以黑河流域上游为研究对象,通过对山区自然产水区的产汇流机理的研究,基于分布式水文模型集成环境的开发思想,利用MMS(modular modeling system)模型库中与降水径流相关的模块,通过综合各种产流(包括超渗、蓄满产流)机理、并且根据寒区产汇流的特点对USGS开发的流域PRMS(precipitation-runoff models)模型进行了改进,增加了土壤水运动中降雨入渗补给的多层土壤滞后效应模块以及积雪融雪和冻土面积识别模型,建立了适合于寒区流域的分布式PRMS模型。利用该模型对黑河上游出山径流过程进行了模拟与预报,模型研究结果表明:利用MMS建立的黑河上游改进的PRMS模型不仅完全可以模拟和预测黑河上游的产汇流过程,在考虑了冻土的情况下,预测年出山径流量误差小于2.7%;而且模型可以对黑河上游径流组成成分进行分析计算,对黑河上游产汇流机理做进一步阐明。利用改进的PRMS模型,预测分析了黑河上游未来气候和土地覆盖变化情景下流域出山径流变化的趋势,为黑河流域水资源合理利用和管理提供科学依据。     

降雨时间分辨率对SWAT水文模拟的影响

分别基于13个雨量站的日降雨量和小时降雨量,在率水流域建立SWAT（Soil and Water Assessment Tool）水文模型,对基于不同降雨时间分辨率的SWAT模型进行独立的参数率定和验证,在此基础上分析降雨时间分辨率对率水流域SWAT模拟性能的影响.结果表明,降雨输入的时间分辨率对率水流域SWAT模型的水文模拟性能有显著影响.小时降雨输入SWAT模型的纳什系数（NSE）和决定系数（R²）在率定期分别为0.89、0.90,在验证期分别为0.86、0.88,均显著高于日降雨输入SWAT模型对应的模型评价统计量值.究其原因,小时降雨输入SWAT模型对于峰值流量的模拟要明显优于日降雨输入SWAT模型.建议应在不同气候与自然环境条件的流域内开展类似的降雨时间分辨率对水文模型模拟性能的影响研究.     

降雨时间分辨率对SWAT水文模拟的影响

分别基于13个雨量站的日降雨量和小时降雨量,在率水流域建立SWAT（Soil and Water Assessment Tool）水文模型,对基于不同降雨时间分辨率的SWAT模型进行独立的参数率定和验证,在此基础上分析降雨时间分辨率对率水流域SWAT模拟性能的影响.结果表明,降雨输入的时间分辨率对率水流域SWAT模型的水文模拟性能有显著影响.小时降雨输入SWAT模型的纳什系数（NSE）和决定系数（R²）在率定期分别为0.89、0.90,在验证期分别为0.86、0.88,均显著高于日降雨输入SWAT模型对应的模型评价统计量值.究其原因,小时降雨输入SWAT模型对于峰值流量的模拟要明显优于日降雨输入SWAT模型.建议应在不同气候与自然环境条件的流域内开展类似的降雨时间分辨率对水文模型模拟性能的影响研究.     

人类活动影响下的黄河流域水资源演化规律初探

应用分布式流域水文模型WEP-L模型初步分析了人类活动影响下的黄河水资源演化规律。通过2000年现状下垫面条件下的评价结果与历史系列条件下的评价结果比较,以及考虑与不考虑人工取用水条件下的模拟结果比较,初步发现:黄河流域在强烈的人类活动影响下,水资源量及其构成均发生了显著变化,地表水资源量衰减,而不重复地下水量增加;在狭义水资源衰减的同时,伴随着有效蒸散即降水有效利用的增加,流域广义水资源量有一定幅度增加。研究成果对黄河的治理规划和水安全战略具有参考价值。     

基于SWAT模型的碧流河流域入海径流模拟研究

利用多源综合数据,建立碧流河流域SWAT（soil and water assessment tool）分布式水文模型,对模型进行了率定验证。结果表明:率定期模型纳什效率系数Ens、决定系数R2及相对偏差PBIAS分别为0.80、0.86、18.9%,模型不确定性P因子、R因子分别为0.78、0.58,验证期Ens、R2及PBIAS值分别为0.87、0.88、1.9%,建立的SWAT模型在碧流河流域中径流模拟总体效果较好,不确定性较小。通过建立流域水文模型,可以解决海洋科研业务工作中监测覆盖的入海河流有限、入海径流量难以获得的问题,为污染物入海通量评估提供高分辨率的流量数据。     

土地利用变化对赣江流域径流的影响研究

论文以赣江流域为研究区,基于SWAT分布式水文模型及SUFI-2 算法,利用流域DEM、土地利用、土壤、气象等数据,结合GIS和RS技术,对流域土地利用变化的径流响应进行定量分析与研究。结果表明:影响模型模拟效果前3 位的敏感参数分别为ALPHA_BF、CN2、ESCO,得出率定期和验证期的模拟值与实测流量过程拟合程度较优,其R²和Nash-Sutcliffe 效率系数E_{NS均高于0.90,相对误差|Re|均小于3%;流域内1990 年与2000 年土地利用均以林地、水稻田、草地为主,此3 种类型约占流域总面积的85%;在相同气象条件下,两期土地利用情景下的月、年均径流量变化趋势较为一致,2000 年土地利用情景下的年径流量比1990 年略大;相比1990 年土地利用情景,2000 年产水量增加最为显著的区域主要为赣江流域东部、东南部和西南部,建筑用地、水浇地和裸岩面积的增加、林地面积的减少可能是引起产水量增加的主要因素。}     

黄河流域分布式水文模型开发和验证

研究目的是开发和验证大流域分布式水文模型,为黄河流域水资源评价和演化规律分析服务。在综合了分布式水文模型和陆面过程模型各自优点的基础上,开发出模拟对象为“天然-人工”二元水循环系统的WEP-L模型。该模型以“子流域内等高带”为计算单元,并用“马赛克”法考虑计算单元内土地覆被的多样性,避免了采用过粗网格单元产生的模拟失真问题。针对各水循环要素过程时间尺度不同的特点,计算时采用了1h至1d的“变时间步长”,既合理表述了水循环动力学机制又提高了计算效率。将全黄河流域划分为具有空间拓扑关系的8485个子流域和38720个等高带,采用45年(1956～2000年)水文气象系列数据及相应下垫面条件进行了模拟计算,并根据黄河流域主要水文站逐月和逐日径流系列进行了模型校验。验证结果表明,所构建的模型具有较高模拟精度,可应用于黄河流域二元水循环过程模拟和水资源演变规律分析。     

基于SWAT-FLUS的采煤沉陷区水文过程情景模拟

采煤区沉陷不仅会影响地表结构,还会显著改变流域水文循环,从而影响区域水资源供给。以淮南西淝河流域为研究对象,利用SWAT-FLUS集成模型模拟流域水文过程及未来情景。结果表明:1)该集成模型能准确模拟由土地利用变化带来的水文情势演变过程,并用于情景预测。2)对未来不同塌陷速率情景模拟结果显示,各情景下流域蒸散发均呈增加趋势,其中无修复模式主要为水面蒸散增加,2种修复模式主要为陆面蒸散增加;无修复模式增加了流域入渗量,2种修复模式则相反。3)从典型水文年内径流分布来看,无修复模式显著影响了地表径流的年内分布规律及径流峰值,普通修复及生态修复模式则无明显影响。4)从年际间水文变化来看,若无修复措施,流域内水文关系将在2020-2022年发生根本性转变;至2030年,地表径流将减少27.1%,普通修复模式下地表径流将减少2.5%,而生态修复可使流域地表径流增加4.4%。     

基于SWAT模型的东江流域径流模拟

基于分布式水文模型SWAT以及SUFI-2 程序对东江流域进行了51 a(1960-2010 年)月径流模拟,并在此基础上讨论了东江流域水文过程的空间差异。模拟结果表明,河源站受新丰江水库影响,模拟结果不确定性较大,确定性系数R2和Nash-Sutcliffe 效率系数相对其他站点较低,龙川站、岭下站、博罗站R2和Nash-Sutcliffe 效率系数皆满足模型适用性要求。流域出口博罗站率定期R2、Nash-Sutcliffe 效率系数分别为0.83、0.83,验证期为0.84、0.84,模型模拟精度较高。东江流域径流深主要受降水空间不均影响,形成由北向南先增后减的趋势。流域下垫面差异对产流过程也有一定影响。其中土壤含水量受土壤性质、人类活动等影响,由北向南差异明显;蒸散发量受植被覆盖影响亦较为明显,北部蒸散量占降雨量的比例大于中部及南部。     

气候变化对海河流域水资源的影响及其对策

将全球气候模式与分布式水文模型WEP-L耦合,在国家气候中心整理提供的多模式平均数据集基础上,利用WEP-L模拟了海河流域历史30年(1961—1990年)和未来30年(2021—2050年)降水、蒸发、径流等主要水循环要素的变化规律,分析了气候变化对海河流域水资源的影响,结果表明,未来30年:①从年际变化规律看,气温普遍升高,降雨量略有增加,蒸发量普遍加大,径流量呈减少趋势,且有丰水年洪水规模更大、平水或枯水年干旱情况更严重的趋势;②从年内变化规律看,各月蒸发量普遍增加,汛期的降雨量有所减少,非汛期的降雨量有所增加,各月径流量则有不同程度的减少。因此,未来气候变化条件下海河流域水资源管理将面临更加严峻的挑战,本研究给出了一些基本的对策。     

汾河流域水土保持措施水文水资源效应初析

应用具有物理机制的分布式水文模拟模型(W EP-L),模拟了不同下垫面条件情景下的水循环过程,在此基础上,定量分析了汾河流域水土保持措施的水文水资源效应。通过对比分析2种不同情景下的水资源量,初步得出:汾河流域水土保持措施影响了局部水循环和水资源量及其构成,加强了水循环的垂向过程,引起地表截留量、土壤入渗量、土壤蒸发量以及补给地下水量增加;削弱了水循环的水平过程,引起地表径流量和河川基流量减少,壤中流微弱增加;地表水资源量衰减,而地下与地表水资源不重复量增加,狭义水资源量减少,但有效蒸散(发)量增加,广义水资源量有一定幅度增加。研究成果对于研究大尺度流域水土保持措施的水文水资源效应具有参考价值。     

森林植被变化对水文过程和径流的影响效应

森林植被变化对水分分配和河川径流具有调节作用。对我国森林植被变化水文效应文献的综合分析表明：森林砍伐或火灾引起森林覆盖度下降会导致林冠截留率、凋落物对降水截留能力和蓄水能力、土壤的渗透和蓄水能力降低。不同地区森林植被变化对径流的影响幅度相差较大，但比较一致的结论是：除长江中上游外，森林砍伐会降低植被层的蒸发散，增加河川径流；反之，会减少河川径流量。森林火灾会导致林木蒸发散减少，河川径流增加。     

基于WARMF模型的杭埠-丰乐河流域水文模拟研究

研究了WARMF模型在杭埠-丰乐河流域(巢湖流域最大支流)的水文模拟适应性能并进行了流域水文系统分析.利用AVSWAT2000模型将流域划分为37个子流域,利用流域地貌-土壤分布对应关系、土壤剖面结构、地下水位埋深等条件,确定了子流域的平面分组与剖面土层结构,较大程度上降低了流域模型参数校准的难度与不确定性.利用2000～2003年的水文观测数据,在参数灵敏度分析基础上,对模型水文参数进行了校准与检验.结果表明,WARMF在研究区具有较好的适应性能.WARMF模型与AVSWAT2000模型的水文模拟结果对比表明,WARMF模型具有更好的日拟合性能.基于模型的模拟结果,在空间尺度上定量分析了流域从降水开始到入湖的水循环过程,在时间尺度上分析了年内降雨、径流的分布及其对应关系.流域概化、模型的校准与检验以及流域水文时空变化的系统分析方法等对流域水文、环境的模拟研究与系统分析具有探索意义.     

基于下垫面遥感资料的海河流域水文类型分区划分

以海河流域为研究对象,根据1956—2005年的年降雨量和水面蒸发资料、DEM、土地利用、土壤和植被覆盖遥感图,提取了反映下垫面条件和气候特征的物理因子,并以此作为分区指标,以子流域为划分单元,依据下垫面条件和气候因子的相似性和差异性,采用地理信息系统和多元统计分析的方法,将海河流域内1 399个子流域划分7类水文类型分区(HTR),并分析了各水文类型分区的空间分布特征及产汇流机制。其中HTR1、HTR2和HTR4位于平原地区,土地利用类型以耕地为主,其他水文类型分区位于山区和丘陵区。HTR1耕地面积比例最大;HTR2土壤透水性最差,易产生超渗地表径流;HTR3土壤透水性最好,易产生地下径流和壤中流;HTR4年蒸发量较大,年降雨量较小,气候最干旱;HTR5和HTR6土地利用类型分别以草地和林地为主;HTR7年降雨量较大,年蒸发量较小,气候最湿润。分区成果明确地反映了流域的下垫面情况及气候条件,分区结果与流域的地形地貌非常吻合,也反映了流域水文特征的分布规律。通过分析水文类型分区内典型流域的下垫面和气候情况以及水文特征,阐述了分区结果的准确性及合理性,为海河流域水文特征的研究及水资源评价提供了依据。     

气候变化及人类活动影响下的潮白河月水量平衡模拟

尽管分布式水文模型已有30多年的发展历史,但是迄今的应用还只是其潜力的很少一部分。Freeze-Harlan蓝图中由于理论上的深化带来了应用上的困难,同时也指出模型并不是越复杂越好。按照科学的建模原则,建立了一个简单的分布式月水量平衡模型(DTVGM);其中通过引入土壤湿度因子,改进后的Bagrov模型同时考虑了前期土壤湿度与降水对蒸散(发)的贡献;通过设置人类活动影响背景参数集,表述人类活动对水文过程的影响。将DTVGM月模型应用于华北地区密云水库以上潮白河流域,识别出白河流域气候变化对径流减少的贡献为44%,人类活动导致下垫面变化对径流减少的影响达54%;潮河流域气候变化的贡献率为24%,而人类活动的贡献率高达74%,是导致径流减少的主要原因。     

基于SWAT模型的挠力河流域地表径流数值模拟与不确定性分析

为探究水文模型参数敏感性及模型不确定性对径流模拟的影响,运用SWAT模型对挠力河流域地表径流过程进行了数值模拟,利用SUFI-2方法评价模型参数敏感性及不确定性对模拟结果的影响,选取决定系数（R2）与Nash-Sutcliffe效率系数（E_NS）对模型精度进行评价。敏感性分析结果表明:对挠力河流域径流模拟影响最大的4个参数是CN2（SCS径流曲线数）、SLSUBBSN （平均坡长）、SOL_BD （土壤湿密度）和SOL_K （土壤饱和导水率）,表明SCS径流曲线数、土壤与地形地貌是影响挠力河流域地表径流最重要的因素。月径流模拟过程与实测水文过程拟合较好,率定期和验证期R2与E_NS分别为0.68、0.67和0.76、0.44,均达到令人满意的结果。不确定性分析结果表明:p因子为0.78,r因子为0.94,模型不确定性较小,进一步验证了模型的适用性。研究结果可为其他相似流域SWAT模型的应用及参数的率定提供参考。     

城市流域降雨径流水质特性及初期冲刷现象

为了解城市流域降雨径流水质特性及其初期冲刷现象,以重庆市盘溪河流域和虎溪流域为研究对象,对6场降雨径流进行监测. 结果表明:各场次降雨中,城市流域降雨径流污染物浓度均呈抛物线型分布;在所监测的6场降雨中,盘溪河流域ρ(TSS)(TSS为总悬浮物)、ρ(COD_Cr)、ρ(TN)、ρ(TP)平均值分别为2 000、420、13.0、5.7 mg/L,虎溪流域ρ(TSS)、ρ(COD_Cr)、ρ(TN)、ρ(NH₃-N)、ρ(NO₃--N)、ρ(TP)、ρ(Fe)、ρ(Zn)、ρ(Pb)、ρ(Cd)的平均值分别为33、38、2.6、0.7、1.1、0.1、2.1、0.2、0.6、0.06 mg/L. 在盘溪河流域和虎溪流域降雨径流中,磷均以颗粒态为主(分别占56%和87%),氮均以无机氮为主(分别占72%和82%). 盘溪河流域未发现明显的初期冲刷现象,虎溪流域初期40%的径流携带了50%~80%的污染负荷. 降雨径流流量分析表明,单峰降雨事件的峰值流量取决于且滞后于峰值雨强,多峰降雨事则件往往导致多峰流量响应.