DEM分辨率对葫芦河流域径流模拟的影响

选取北洛河支流葫芦河张村驿水文站以上控制区域为研究区域,基于ASTER GDEM V2 30 m DEM数据与张村驿水文站1980—1990年实测流量数据,建立流域月尺度的SWAT水文模型,并评价了模型在该流域的适用性,分析了DEM分辨率对流域水文地形特征提取与径流模拟的影响。结果表明:建立的SWAT模型可以用于研究区域的径流模拟;DEM分辨率对坡度、面积、子流域划分影响较大,对高程提取影响较小;不同分辨率的DEM数据对径流的模拟结果不同,其中120~150 m分辨率模型模拟结果较优,DEM分辨率为150~1 000 m时,模拟结果可满足精度要求但存在一定偏差;各模型均存在低估流量值的现象。     

基于分布式水文模型的内蒙古自治区小流域洪水分析技术研究与应用

山丘区在经历短时强降雨时,极易暴发山洪,由于内蒙古自治区小流域水文资料匮乏,导致其预报难度大。对内蒙古自治区全部小流域进行整合分析,重新划分了5 935个小流域分区作为洪水预报分析单元,针对不同下垫面和气候条件分析各小流域分区的产汇流特性,以分布式水文模型集群为主对小流域洪水进行分析研究。选取锡伯河试点流域进行应用分析,在该试点流域内洪水模拟预报精度良好,能够满足地区小流域洪水预报预警需求。此研究成果可逐步在内蒙古自治区范围内进行试用推广,为全区防洪减灾提供科学依据。     

利用GIS和RS技术分析青藏高原风火山小流域地形地貌特征

以30×30m DEM为基础,在GIS技术辅助下,以青藏高原风火山小流域为例,设计了水文响应单元划分的实现方案和算法,并结合不规则网格的有限体积法,进行流域水文模拟方式的探讨。从DEM中提取子流域,利用遥感图像进行土壤覆被类型划分,使得生成的每个水文单元有单一的土壤覆被类型,并根据所得类型图,进行流域积水面积阈值的求取;结合有限体积法不规则网格技术,对流域网格划分进行讨论,确定用于微分方程求解的编码方式。结果表明:结合RS和GIS能较准确地划分流域土地利用类型,求取河网集水面积阈值,划分流域网格单元和存储结点数据,实现了分布式流域建模的空间离散化,用于冻土草地区模型数值模拟具有方便、可行性。     

子流域划分对EasyDHM径流模拟的影响分析

子流域划分是分布式水文模型构建的重要过程之一。对分布式水文模型子流域划分技术进行了综述,简要介绍了EasyDHM（Easy Distributed Hydrological Model）模型及其子流域划分方法。选取第二松花江丰满水库以上流域作为研究区域,使用1 km×1 km分辨率的数字高程（DEM）及50 km2集水面积阈值提取数字河网,并按3种子流域划分配置对该区域进行划分。结果表明,子流域划分数越多,纳什效率系数越大,模拟效果越好。     

DEM在小流域洪水预报中的应用研究

以河南省1〖DK(〗∶〖DK)〗50 000的DEM数据为基础,采用分布式水文预报模型,研究了适合小流域和山丘区洪水的预报系统。介绍了研究区域DEM数据的河系提取、子流域划分和特征值提取,构建了具体的预报模型并开发了相应的预报预警软件。阐述了模型的雨量模型构建、产流、汇流和洪水演进算法,分析了无资料情况下分布式地貌单位线的生成和马斯京根模型参数的获取。结果表明,该方法可用于无资料小流域洪水分析计算和山洪预报预警。     

时空变源混合产流模型及其在小流域洪水模拟中的应用——以四川省、甘肃省的4个小流域为例

近年来山洪灾害造成的人员伤亡和财产损失不断增加,基于GIS和遥感数据的水文模型为山洪预报提供了新的思路。利用DEM和遥感数据提取小流域基础属性并划分地貌水文响应单元,利用垂向混合产流计算产流量,采用包气带非饱和土壤计算下渗,建立垂向上的时空变源混合产流模型。利用时空变源混合产流模型,模拟四川省和甘肃省4个流域多场次洪水过程,通过SCE算法进行参数率定和产流分析。结果表明:模型模拟与实测数据基本吻合,纳什效率系数均超过0.8;四川和甘肃两省小流域受到下垫面信息影响,主导产流成分不同。模型能够提供较为精确的山丘区流域洪水预报。     

SWAT模型下基于DEM的水文响应单元划分 ——以濂水流域为例

本文在SWAT模型的基础上,以赣江上游濂水流域为研究区域,设计了中小流域水文响应单元的划分方法.研究以DEM数据为基础,利用TM影像和Google Earth的矢量化数据为参考,采用适度指数法模拟出符合濂水流域的函数拟合,确定河网划分阈值,保障河网划分的准确度.结合土地利用数据、土壤数据和坡度数据将濂水流域划分为49个子流域和181个水文响应单元.通过对濂水流域水文响应单元的划分,避免了人为经验生成河网而导致子流域和水文响应单元划分的不准确性,为濂水及赣江上游子流域的分布式模型模拟提供参考.     

SWAT模型在缺资料地区的应用——以高明河为例

将SWAT分布式水文模型应用于珠江三角洲地区的佛山市高明河流域,利用GIS强大的空间分析与数据处理能力,对流域流量、气象、DEM、土地利用、土壤等水文气象和下垫面资料进行分析处理,率定模型参数,研究SWAT模型在降雨资料系列短、无长系列实测的河道水位流量数据、缺少有效的水文预报方案等缺资料的中小流域或区域的适用性,并分析误差原因。采用相对误差、相关系数以及Nash-Sutcliffe效率系数三项指标对模型进行评价检验,率定期和验证期的相对误差均在0.2以下,相关系数均在0.6以上,Nash-Sutcliffe效率系数均在0.5以上。结果表明,SWAT分布式水文模型能够对高明河流域日时间尺度水文过程进行准确模拟,达到GB/T 22482—2008《水文情报预报规范》中精度评定的丙级,在缺资料的珠三角中小流域具有较好的适用性。     

基于不同分辨率DEM提取坡度值的转换关系研究

基于DEM提取计算单元坡度是分布式水文模型构建的重要手段之一,通过研究不同分辨率DEM对WEP-L模型计算单元坡度的影响及其转换关系,为模型计算中坡度与其他运算量之间非线性关系带来的计算精度与计算效率之间的矛盾提供解决方案。以NASA发布的30 m分辨率DEM数据为基础,以不同尺度流域(南小河沟流域,面积36.3 km~2;泾河流域,面积4.5万km~2)为研究对象,利用分形结合半方差函数的方法分析低分辨率DEM提取的计算单元坡度向高分辨率DEM提取的坡度信息转换的规律。研究发现以30 m分辨率DEM为基础提取的子流域套等高带结构能够很好地反映南小河沟流域地形"坡度等高分布"的特点;利用分形结合半方差函数的形式能够有效地实现基于低分辨率DEM提取的流域基本计算单元坡度向"真实"地形坡度值转换。根据模型计算需求,给出了不同分辨率DEM数据提取坡度值的转换关系。本研究可为分布式水文模型搭建面临的计算精度与计算效率矛盾问题提供借鉴和参考。     

河南省山丘区小流域洪水预报系统研究及应用

采用数字高程模型、分布式水文预报模型、DEM技术、计算机仿真计算等信息技术,对河南省山丘区小流域洪水预报方法进行了分析研究。把无资料小流域单位线、无资料河段洪水演算模型参数估算方法用于洪水过程模拟,解决了山丘地区无资料小流域的洪水预报问题;采用先进的分布式交互仿真计算技术构建洪水过程计算模型,实现了连续、实时推演,通过高速、稳定的计算保证了洪水预报的时效性;以DEM数据为基础,实现了省级行政区划范围内的小流域划分、小流域单位线的确定,是大尺度数字流域构建技术的突破;系统对实时洪水预报、断面告警、预估降雨模拟、水库调度等多种应用模式进行了综合集成。实际应用结果表明,该系统在豫西山区2000年、2011年、2012年暴雨洪水灾害防御中发挥了重要作用,取得了显著的经济社会和生态效益。     

小流域暴雨山洪水文模型与水动力学方法计算比较分析

针对小流域暴雨山洪精细模拟问题,提出了小流域时空变源混合产流模型,以小流域为单元构建了暴雨山洪分布式模拟模型,开发了可视化时空变源分布式水文模型软件FFMS和水动力学计算软件FHMS。以宝盖寺小流域场次暴雨洪水计算为例,分别采用水文学和水动力学方法计算了小流域暴雨山洪过程,并分析了两种方法的计算精度、效率、实用性等。案例研究结果表明:(1)水文与水动力学方法均可实现小流域暴雨山洪的模拟,模拟结果与实测基本一致;(2)对于无资料小流域暴雨洪水计算,水文学建模速度快,计算效率更高,水动力学方法建模和计算效率更低;(3)在复杂地形条件下暴雨洪水形成机理、演进过程模拟方面,水动力学计算结果更加精细和准确;在山区中小流域洪水预报预警方面,水文学方法更加实用。     

淮北平原分布式除涝水文模型及应用

针对目前淮北平原除涝水文计算采用的经验排模公式仅考虑了设计净雨和排水面积两个因素,对于下垫面情况复杂的流域不能很好地反映峰量关系的情况,应用GIS技术根据DEM进行流域划分、水流方向确定等处理,并结合流域水文地质图、土壤分布图等建立GIS图层,进而构建淮北分布式水文模型。结果表明,该模型可用于无资料地区的排涝水文计算,应用历史数据对模型参数进行调试,模拟计算精度可达GB/T 22482-2008《水文情报预报规范》的甲级标准。     

Impacts of Accuracy and Resolution of Conventional and LiDAR Based DEMs on Parameters Used in Hydrologic Modeling

Digital elevation model (DEM) is often used for hydrologic modeling, land use planning, engineering design and environmental protection. Research is required to assess the need of updating existing conventional DEM using higher resolution and more accurate DEMs, including light detection and ranging (LiDAR) DEM. The objective of this study was to evaluate effects of DEM accuracy and resolution on hydrologic parameters and modeling in an agriculture-dominated watershed. DEMs compared included 1 m and 10 m LiDAR based DEMs, and a conventional 10 m DEM obtained with aerial photogrammetry method. Hydrologic parameters assessed included elevation, sub-basin area and boundaries, drainage networks, slope and slope length. DEM derived hydrological parameters were used to estimate soil loss in Black Brook Watershed, New Brunswick using Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE). Results indicated that DEM resolution had substantial influence on the sub-basins boundaries, sub-basin area, and distribution of water flow lines. Field investigation confirmed that most of the water flow lines derived from 1 m LiDAR based DEM were accurate and a number of flow diversion terraces (FDT) failures had been identified with help of LiDAR 1 m DEM. Both conventional and LiDAR based 10 m DEM could not identify the impacts of soil conservation structures such as diversion terraces. The RUSLE predicted soil loss using 1 m LiDAR based DEM was considered to be better because both conventional and LiDAR based 10 m DEMs could not reflect the impact of FDTs on reducing soil loss.     

水稻的干旱指标与干旱预报

从作物的干旱机理和水稻节水栽培模式变化的角度,提出并论证了以土壤墒情作为水稻干旱 指标的合理性和可行性,并建立了稻田的水分平衡方程与土壤水分消退模型,确定了研究区域以土壤 墒情作为水稻干旱指标的指标取值和对应的干旱等级划分;同时,提出了以断水天数为指标的水稻干 旱预报新方法。应用表明,该方法适合于安徽江淮丘陵区的自然环境条件和作物生长习性。     

DEM分辨率对山洪淹没模拟影响

DEM是表征地形状况的重要指标,在山洪淹没模拟中起着重要作用。以2016年7月19日发生在河北省石家庄市井陉县西部山区的特大暴雨山洪事件为研究对象,利用HEC-HMS水文模型和FLO-2D水动力模型,设置5种DEM分辨率方案(30、20、15、10、5 m),从淹没范围和淹没水深两方面分析了DEM分辨率对山洪淹没模拟的影响,并从模型运行时间角度对其运行效率进行了评估。研究表明:DEM分辨率越高,则淹没范围越小,平均淹没水深越大,即模型模拟精度越高,山洪事件的淹没范围及水深越接近于实际调查情况(DEM分辨率为30和5 m时,淹没范围及淹没深度的模拟精度分别为0.56和0.41、0.76和0.79);随着DEM分辨率的提高,尤其从10 m提高至5 m时,模拟结果差异减少,模拟精度的增幅也减小,淹没范围和水深的精度增幅分别为2.70%和3.94%;DEM分辨率越高,则模型运行时间越长,模型运行效率越低,5 m DEM方案下的运行时间为30 m DEM方案的700倍。综合考虑模拟精度及模拟时间,10 m分辨率的DEM对山洪淹没模拟、风险评估及预警预报等更为适用。     

土地覆被和气候变化的水文响应研究

采用分布式水文模型SWAT研究北京地区过去10a间径流量剧减的主要原因.采用等高线→TIN→DEM的方法获取研究区分辨率较高的DEM图,基于DEM图提取流域边界、河网、子流域及相关属性,根据土壤类型与土地覆被类型的组合划分水文响应单元,实现下垫面的空间离散;采用校准和验证后率定的参数研究了10a来气候变化和土地覆被变化对径流量的影响.研究表明:10a间土地覆被变化的主要趋势是旱地城市化.过去10a间,由于土地覆被变化导致北运河年均径流量增加了10%～20%,而气候变化导致年均径流量减少了约2/3.     

Evaluating performance dependency of a geomorphologic instantaneous unit hydrograph-based hydrological model on DEM resolution

The digital elevation model (DEM) is a type of model that has been widely used in terrain analysis and hydrological modeling. DEM resolution influences the hydrological and geomorphologic features of delineated catchments and consequently affects hydrological simulations. This study investigated the impacts of DEM resolution on the performance of the XAJ-GIUH hydrological model, a model coupling the widely used Xinanjiang (XAJ) hydrological model with the geomorphologic instantaneous unit hydrograph (GIUH), in flood simulations in small and medium-sized catchments. To test the model performance, the model parameters were calibrated at a fine DEM resolution (30 m) and then directly transferred to the simulation runs using coarser DEMs. Afterwards, model recalibration was conducted at coarser DEM resolutions. In the simulation runs with the model parameters calibrated at the 30-m resolution, the DEM resolution slightly affected the overall shape of the simulated flood hydrographs but presented a greater impact on the simulated peak discharges in the two study catchments. The XAJ-GIUH model consistently underestimated the peak discharges when the DEM resolution became coarser. The qualified ratio of peak simulations decreased by 35% when the DEM resolution changed from 30 m to 600 m. However, model recalibration produced comparable model performances when DEMs with different resolutions were used. This study showed that the impact of DEM resolution on model performance can be mitigated by model recalibration to some extent, if the DEM resolution is not too coarse.     

Comparison of IDW and Physically Based IDEW Method in Hydrological Modelling for a Large Mountainous Watershed,Northwest China

Topography and spatial patterns of landscape significantly affect spatial distribution of precipitation and, in turn, hydrological modelling, especially in high elevation, mountainous watersheds of arid regions. This study incorporates a physically based inverse distance and elevation weighted (PBIDEW) method into a distributed conceptual hydrological model, distributed large basin runoff model, and compared with an inverse distance weighted (IDW) method to assess the performances of both methods in precipitation estimation for hydrological modelling at watershed scale. The PBIDEW method considers the impacts of topography using month‐dependent parameters in its interpolation of meteorological variables while the IDW method does not. Both the IDW and the PBIDEW methods are evaluated and compared in hydrological modelling at different spatial resolutions in the upper reach of the Heihe River Watershed, Northwest China. Results show that the IDW method underestimated the areal precipitation, and the PBIDEW method produced more realistic precipitation estimations in the study area. Both methods have some limitations, the performance of the IDW method was mainly influenced by the availability of observation data, while that of the PBIDEW method was mainly influenced by the representation of topographical information. Considering more detailed information for precipitation estimates, the PBIDEW method performed better at finer spatial resolution. Overall, the PBIDEW method, using month‐dependent physical interpolation parameters, seems more suitable for precipitation estimation in hydrological simulations in data‐scarce, high elevation and topographically complex mountainous watersheds in arid area. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.