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DEM的太湖流域水文特征提取

文章选取太湖流域作为研究对象,采用1：25万中比例尺DEM作为基础数据,应用ESRI公司开发的ArcGIS地理信息系统软件进行流域水文特征提取,得到了研究区域水流流向、汇流栅格生成、河网水系、子流域边界等流域特征信息,经与标准河流水系特征对照,认为基于DEM提取的太湖流域水文特征信息是合理的,可作为基础信息,为太湖流域生态环境治理实践及理论研究提供数据支撑。     

基于分布式水文模型的武夷山市水文调节服务评估

武夷山是我国生态文明建设的重点示范区,开展水文调节功能服务价值评估是福建省生态安全保障的重要需求.采用流域分布式时变增益水文模型（DTVGM）,在充分考虑流域气象、水文、土地利用类型等信息的基础上,精细化模拟了武夷山流域的水文过程,定量评估了2010年和2015年有植被覆盖和无植被覆盖两种条件下武夷山市及下属各行政区植被生态系统的径流调节量及其价值量.结果表明:①武夷山市2010年和2015年径流调节量分别为5.73×108和5.21×108 m3,折合人民币分别为35.93×108和37.46×108元.②2010年枯水期日均径流调节量相比丰水期下降了0.013×108 m3;2015年枯水期日均径流调节量相比丰水期下降了0.009×108 m3.③星镇村和洋庄乡径流调节价值量明显多于其他行政区,均超过10.48×108元;崇安街道和新丰街道相对较低,均低于1.59×108元;其他几个行政区基本持平,在3.26×108~6.70×108元之间.研究显示,武夷山市区由于植被丰富,林地覆盖面积较大且密度较高,总体水文调节能力较强,但同时也受区域气候条件影响较大,有植被覆盖条件下在应对非极端气候时可以维持较好的径流调节能力,然而在极端特大暴雨事件中,现有植被种类的截留能力还不足以应对短时强降水过程.      

基于分布式水文模型的三峡库区污染负荷对气候变化的响应研究

在建立的耦合了污染负荷模拟模块的三峡水库分布式水文模型的基础上,结合多个全球气候模式的集合平均模拟结果,采用统计降尺度模型SDSM将全球气候模式和分布式水文模型耦合,评估了未来气候变化对三峡库区污染负荷的影响,考虑到研究中存在的不确定性,采用假设情景法,分析了三峡库区污染负荷对不同降水量变化的响应情况.结果表明,库区总氮和总磷负荷均与降水量成正相关,在降水量增加量相同的情况下,总氮负荷变化比总磷更剧烈,而在降水量减少量相同的情况下,总磷负荷变化比总氮更剧烈.另外,降水变化主要对三峡库区4—8月的污染负荷量有较大影响.     

分布式水文模型的参数率定及敏感性分析探讨

参数率定与敏感性分析是分布式水文模型应用和发展中的难点问题,论文对当前典型的、应用比较成功的全局最优化参数率定和敏感性分析方法进行归纳和分析,包括:遗传算法(Genetic Algorithm)、SCE-UA算法(Shuffled Complex Evolution)、贝叶斯方法(Bayesian Method)、RSA方法(Regionalized Sensitivity Analysis)、GLUE方法(Generalized Likelihood Uncertainty Estimation)等等。并对计算机自动优化方法和人工参数调试方法的利弊进行讨论,展望了分布式水文模型的参数率定与敏感性分析的发展方向。     

基于DEM地表水文特征和汇水子流域的提取研究

文章以天津于桥水库上游流域为研究对象,以DEM(数字高程模型)为基础数据,对DEM生成方法、DEM精度、流域地形地貌特征及阈值的选取三个方面分别作了详细研究。试验结果表明,从于桥水库上游流域的水文特征所提取的河网分布与河流与实际分布情况基本吻合,淋河、沙河、黎河三大流域的面积误差范围分别为-3.44%、2.28%和7.63%。     

基于水文集成模型ParFlow的黑河流域下游地下水-地表水相互作用模拟研究

地下水-地表水相互作用是水文循环过程中的重要环节,研究地下水-地表水相互作用的机理过程及其对环境变化的响应对流域生态环境和可持续发展具有重要意义.利用基于三维物理过程的开源、大规模并行模拟计算软件ParFlow求解紧密耦合的地下水和地表水偏微分方程组,建立流域水文集成模型,从而精确解译土壤水分运移的动力学机制,最终实现...     

国内外流域水文模型应用进展

基于国内外流城水文模型分类与特点,针对目前广泛研究与应用的分布式水文模型,总结并分析了国内外现有模型的结构与机理,分析了模型在不同流域实践应用中的优越性以及存在的相关问题;展望了流域水文模型的发展趋势,为流域机构相关工作人员开展污染防治、规划管理工作提供有力的参考依据.     

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.     

不同尺度和数据基础的水文模型适用性评估研究——淮河流域为例

在淮河流域蚌埠站以上区域构建人工神经网络(ANN)、HBV-D 模型和SWIM模型等水文模型,评估不同时间、空间尺度和数据基础下水文模型的适宜性。得出:①时间尺度上三个模型对数据要求不同, ANN模型需要月尺度数据即可建立降水-径流关系且能取得较好的模拟效果,HBV-D 和SWIM模型为日尺度水文模型,需逐日降水、温度和径流量等数据,SWIM模型还需作物管理、营养盐和土壤侵蚀等数据;②空间尺度上,ANN模型适应于大尺度,HBV-D 模型适用于1×10⁴ km²及以上流域,SWIM模型更适合于1×10⁴ km²以下小流域降水-径流关系建立;③模拟效果分析,月尺度统计上ANN模型对水文模拟的整体效果较好,但不适合用于气候变化背景下水文水资源等研究,而有物理基础的HBV-D和SWIM模型虽模拟的纳希效率系数不及ANN模型,但在气候变化背景下仍是较好的工具。     

基于DEM的山区冬季燃煤污染物排放遥感测算——以北京市门头沟区为例

选择山地面积占98.5%的北京市门头沟区作为研究区,利用资源三号（ZY-3）三线阵前、后视影像构建立体模型,提取数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）.由高分二号影像,基于CART（Classification and Regression Tree）决策树的面向对象方法对居住房屋进行提取,获取空间分布与面积,并结合采暖面积、采暖季燃煤量等抽样调研数据确定的深、浅山区（海拔>300m为深山区,海拔<300m为浅山区）燃煤系数,建立燃煤量估算模型.进一步,基于文献调研法获取型煤排放因子,测算燃煤产生的PM₁₀、PM_2.5、NO_x、SO₂、CO的排放量.结果表明：借助遥感技术,基于DEM可对山区燃煤污染物排放量进行快速有效测算.地形对冬季燃煤量有显著影响,深山区燃煤系数分别为12.5kg/m²,浅山区为9.375kg/m².2017年门头沟使用型煤取暖的房屋面积为5.68km²,冬季燃煤总量为6.52万t,山区各镇大气污染物排放量差别较大.     

基于水文模型的缺资料流域缺水特征分析——以岷江茫溪河流域为例

针对当前流域水资源短缺分析时空尺度偏大、精度偏低的问题,建立了一种适用于缺资料流域缺水特征分析的方法,即采用SWAT模型计算流域水资源总量,基于统计数据计算流域需水量,研究流域缺水量的月尺度变化特征,并将该方法应用于茫溪河流域,从不同时间、不同空间与不同行业角度开展流域缺水特征分析。结果表明:茫溪河流域多年平均水资源总量为56 460万m³,可利用水量为10 599万m³,河道外需水量为12 650万m³,缺水量为3 134万m³;受降水和农业灌溉影响,茫溪河流域缺水主要集中在非汛期,尤其是灌溉需求较大的4月和5月。     

基于OTIS模型的巢湖十五里河源头段氮磷滞留特征

为揭示巢湖十五里河源头河段氮磷营养盐滞留特征,选择NH4Cl、KH2PO4及NaCl作为示踪剂,开展野外现场示踪实验.根据获得的氯离子浓度和营养盐浓度穿透曲线数据信息,利用OTIS与OTIS-P计算软件,估算水文参数(D、A、As、a等)和营养盐一阶吸收系数(λ、λs).在此基础上,计算暂态存储指标和营养盐吸收相关参数值,定量评估主河道流动水体与暂态存储对NH4+和SRP的损失贡献.结果表明,主河道与暂态存储区NH4+吸收系数平均值分别为3.88×10-6,8.81×10-4s-1,SRP分别为7.80×10-6,7.98×10-8s-1;综合衰减系数k-NH4平均值为1.64×10-4s-1,k-SRP为7.80×10-6s-1;NH4+和SRP的吸收长度Sw-NH4、Sw-SRP相当大,分别为1632.88,25471.32m,意味着该河段经由物理或生态过程去除N、P的可能性低;该河段Vf-NH4、Vf-SRP 值较营养盐浓度低的溪流或小河流偏小,但U-NH4、U-SRP则明显偏大;暂态存储对于NH4+损失的平均贡献率为93.82%,主河道水流对SRP损失的平均贡献率高达99.70%.     

基于分布式水文模型的徒骇河河流生态需水量预测研究

流域的气候、植被和土地利用方式等变化对河流生态需水具有决定性作用.以徒骇河刘桥闸控制区域为例,定量估算了现状河流生态需水量,并以流域分布式水文模型SWAT为工具,预测了各水平年不同保证率下不同生态恢复目标的各月河流生态需水量.结果表明,现状年河流生态需水量为81.09×106m3,其中自净需水是河流生态需水的主要组成部分,因此保证徒骇河生态需水的关键是污染源的治理.拟通过减少点源排放、减少灌溉水量、减少农药化肥施用及增加干流两边的缓冲带等措施,使污染源得到进一步控制,预测2015年、2020年、2030年河流生态需水量不断减少,丰水年份河流天然径流量能满足河流生态需水要求,但枯水年份仍存在较为严重的生态缺水问题,需要对河流进行生态补水.     

基于染色示踪实验的芦苇湿地垂向水文运移特征研究

海水入侵导致黄河三角洲滨海湿地盐碱化不断向陆相扩张,改变了许多物种的栖息地环境.保护区管理人员通过引黄河淡水,修建淡水恢复区来遏制这一趋势,而与此同时这也改变了潮间带植物群落和土壤理化性质的改变:大面积芦苇生长,土壤盐分降低,土壤孔隙度增加,优先流路径改变,从而导致小尺度内,垂向水文连通的改变,进而影响整个区域的水文过...     

基于Ecopath模型的长江口生态系统结构与功能分析

依据2020年春季（5月）和秋季（11月）2次长江口渔业资源和生态环境调查数据,构建长江口生态系统Ecopath模型,分析了长江全面禁渔前夕,长江口水域生态系统的结构和能量流动特征。模型共包括龙头鱼、凤鲚、刀鲚、舌鳎、浮游动物食性鱼类、底栖生物食性鱼类、游泳生物食性鱼类、杂食性鱼类等17个功能组,基本覆盖了长江口生态系统能量流动过程。结果表明,长江口生态系统营养级集中在1.000~4.438,龙头鱼营养级最高,其他鱼类营养级集中在2.907~3.768,分布较广;底栖生物、软体动物和虾蟹类的营养级集中在2.365~2.826。长江口生态系统各营养级的能量流动分布主要集中在营养级Ⅰ~Ⅱ中,来自营养级Ⅰ的能量流动在系统总能量流动中占比最高。长江口生态系统的能量流动以牧食食物链传递为主。与过去相比,2020年长江口生态系统总初级生产量/总呼吸量（TPP/TR）较高,连接指数（CI）与系统杂食指数（SOI）有所上升,但仍小于1,表明长江口生态系统仍不成熟,总体处于发育阶段。     

基于DEM数据的HEC-HMS和Vflo降雨特征模拟对比研究——以北京密云区为例

选用密云地区30 m和90 m DEM数据并运用ArcGIS软件提取该地区DEM数据的水文地理信息,通过分析水文模型HEC-HMS、EPASWMM和Vflo后选择应用HEC-HMS和Vflo模型对该地区降雨进行分析.同时,统计分析密云地区过去30年(1989—2018年)的降雨数据,并结合研究区水文情况,基于密云地区普通降雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨的降雨数据选用HEC-HMS和Vflo软件进行水文模拟.结果表明,HEC-HMS和Vflo软件可有效地模拟密云地区的降雨情况.HEC-HMS和Vflo软件输出的仿真结果很好,仿真模型的确定系数均大于0.82.分析HEC-HMS软件输出的普通降雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨的降雨强度及其它参数,发现降雨强度越小模拟结果越接近实际数值,基于Vflo水文模拟软件也有相同结果.这同时也说明在对暴雨、大暴雨和特大暴雨进行水文模拟时需要开发或优化相应软件来满足实际需求,最终为生态系统建设提供一定的研究基础.