基于SWAT模型的北江飞来峡流域径流模拟

为满足北江飞来峡流域非点源污染负荷核算需要,利用SWAT模型对研究区1969-2011年日径流过程进行模拟。基于飞来峡流域水文、气象、地形、土地利用和土壤类型等资料构建SWAT径流模型,并运用SWAT-CUP中的SUFI-2方法对模型中的14个径流参数进行敏感性分析及参数率定,再进行径流模拟效果定量评价。结果表明:对径流过程有显著影响的参数主要为SCS径流曲线系数、主河道曼宁系数、地下水滞后系数以及地表径流滞后时间等;日径流率定期和验证期的效率系数均为0.83,相对误差分别为1.40%和0.58%,且大部分模拟数据落在不确定性区间内,模拟结果的不确定性较小,表明所构建的SWAT径流模型具有较高的精度,在北江飞来峡流域适用性良好。     

基于 UQ-PyL 的 SWAT 模型参数不确定性 分析综合评估

为解决 SWAT?(soil?and?water?assessment?tool) 模型在复杂情形下的参数不确定性分析问题，引入参数不确定 性分析平台 UQ-PyL(Uncertainty?Quantification?Python?Laboratory)，开发 UQ-PyL 与 SWAT 模型的耦合模块，使得 UQ-PyL 中的各种算法能够方便快捷地应用于 SWAT 模型的参数不确定性分析。为验证 UQ-PyL 用于 SWAT 模 型参数不确定性分析的效果，在我国不同气候条件下的 4 个流域构建 SWAT 模型，综合对比评估 UQ-PyL 与 SWAT-CUP 对模型参数的不确定性分析结果。结果表明：UQ-PyL 多种敏感性分析方法筛选出的敏感参数比 SWAT-CUP 单一方法筛选的结果更加合理；使用 UQ-PyL 率定的参数在 4 个流域应用中都表现良好，优化后模拟 结果的纳什效率系数均在 0.55 以上，收敛次数在 550 次以内；在 4 个流域的模拟中，UQ-PyL 能提供计算效率更高 的算法 ASMO，也能提供模拟结果更准确的算法 SCE。综上，与 SWAT 模型相耦合的 UQ-PyL 能够支持 SWAT 模 型用户在不同系统下对模型参数进行更高效的不确定性分析研究。     

基于替代模型的非点源污染模拟不确定性分析

为探究非点源污染机理模型参数的不确定性对模型精度和模拟结果的影响,以广利河流域为研究区,运用小波神经网络建立研究区非点源污染模拟SWAT模型的替代模型,解决使用蒙特卡罗方法进行不确定性分析时运算量大的问题,从而实现对非点源污染模拟模型参数的不确定性分析。研究结果表明:小波神经网络模型不仅能够很好地代替SWAT非点源污染模拟模型,而且能大幅度减少蒙特卡罗方法的计算时间;研究区氨氮和总磷输出结果在90%置信水平下的置信区间分别为4.02×10~4～25.85×10~4、9.01×10~3～28.38×10~3 kg/a,相比总磷,氨氮输出结果的离散程度更高,不确定性程度更大。     

地下水数值模拟不确定性的贝叶斯分析

本文在常用的确定性地下水流数值模型的基础上,提出了基于贝叶斯原理的不确定性分析方法,并通过算例,针对几种常见的不确定性因素,定量地描述了其对模型参数和模拟结果的影响。相较于传统的蒙特卡罗法等不确定性分析方法,该方法不仅考虑了先验的参数不确定性,而且考虑了模拟结果与观测资料的相似度,因此其结果更加符合实际情况。此外,该方法能够被用于风险分析,可为地下水资源评价及开发利用提供科学的依据。     

基于Monte Carlo方法的地表水地下水耦合模拟模型不确定分析

为分析参数的不确定性对地表水地下水耦合模拟模型输出结果的影响,本文运用Monte Carlo方法对地表水地下水耦合模拟模型进行不确定性分析,并根据不确定性分析结果进行生态恶化风险评估。以石头口门水库上游饮马河汇水流域为例,建立地表水地下水耦合模拟模型,并运用HydroGeosphere(HGS)软件求解。利用局部灵敏度分析方法甄选出耦合模拟模型中灵敏度较高的参数,作为随机变量。最后,运用Monte Carlo方法对耦合模拟模型进行不确定性分析。为了减少不确定性分析过程中的计算负荷,应用Kriging方法,建立耦合模拟模型的替代模型。结果表明:地表水地下水耦合模拟模型中灵敏度较高的参数为渗透系数、孔隙度和曼宁粗糙系数,其中渗透系数的变化不仅对耦合模型中地下水水位产生影响,也对地表水流量产生影响;Kriging替代模型可以在保证一定精度的条件下大幅度减少计算负荷;风险评估结果表明,在当前的水资源开发利用条件状态下,研究区地下水生态环境恶化风险的概率为6%,地表水生态环境恶化风险概率为15%。     

SWAT模型参数敏感性分析与自动率定的重要性研究——以玛纳斯河径流模拟为例

介绍了SWAT2005模型参数敏感性分析和自动率定模块的原理,并在新疆玛纳斯河流域中进行应用,通过敏感性分析及参数率定前后的结果对比,证明该模块对模型应用的重要性。根据LH-OAT敏感性分析法,辨析出影响玛纳斯河流域径流模拟结果精度的主要参数因子:积雪温度滞后因子(Timp)和基流回退系数(Alpha_Bf)。根据SCE参数自动率定法,确定出对径流模拟结果影响较大的11个参数值,并采用连续5年的实测日径流数据对模型进行了验证。结果表明:模型对日流量模拟的相对误差在模型校准期和验证期均小于20%,相关系数R2高于0.8,Nash-Suttcliffe系数Ens高于0.7,SWAT模型在玛纳斯河流域产流的模拟结果良好,值得进一步推广。     

汉江流域分布式水循环模拟研究

详细描述了汉江流域分布式水文模型构建和求解的过程,验证了WEP模型模拟研究区水循环的可行性。提出了"参数分区"的新理念,为研究参数不确定性空间变异提供了高效的模型空间结构。分别采用分割样本检验法和代表样本检验法对模型模拟结果进行检验。模拟结果的评价采用年径流总量模拟的误差RE、Nash指数及模拟的降雨径流相关系数个指标。     

基于蒙特卡罗模拟的堤防漫顶失效概率分析

本文首先整合构建了堤防漫顶失效模型和极限状态方程;在已有的有限河流水位数据基础上实现了河流水位拟合函数及其参数的求解。在对模型中参数的分布规律讨论的基础上,编程实现了堤防漫顶失效概率的蒙特卡罗模拟计算,最后通过一个简单的例子说明了分析和计算的步骤和方法,并对参数的不确定性和模型的结果进行了讨论,研究结果表明,蒙特卡罗模拟技术对于堤防的漫顶失效概率分析具有一定的理论和现实意义。     

随机微分方程在河道径流模拟中的应用

把随机微分运用到河道的行洪过程分析与计算中,通过考虑金沙江中游某河段行洪过程中的不确定性,建立随机微分方程模型,模拟河道出流过程,并用该河段某水文站的实测流量值对模型进行验证。结果表明:模拟值与实测值的统计参数有较好的拟合性,随机微分模型有较高的精度与准确性,模型在河道调洪验算中具有较高的适用性。本文为河道洪水验算提供了新的思路,为考虑河道洪水验算过程不确定性的洪水计算提供了科学依据。     

参数率定过程中目标函数选择的不确定性对径流模拟的影响

在水文模型率定过程中,不同目标函数侧重于径流模拟的不同层面。为了探究目标函数选择的不确定性对模型参数和径流模拟的影响,将HyMod模型应用于黄河源区,选择纳什效率函数f_NS、总水量平衡误差函数f_t、低水量误差函数f_d和高水量误差函数f_g作为目标函数,采用遗传算法(GA)分别率定出不同目标函数下对应的最优参数值,并依次代入水文模型模拟水文过程;通过对比分析年尺度及年内各月实测与模拟径流过程、纳什效率系数NSE、决定系数R²和均方根误差RMSE评价指标来探究参数率定的目标函数不确定性对年尺度水资源演变过程的影响。结果表明:当HyMod模型应用于黄河源区水文模拟的率定期和验证期时,目标函数选择的不确定性对各评价指标的影响差异明显,如f_NS目标函数下NSE值最大,在f_g下次之,在f_d下最小,此外率定期模拟精度优于验证期;同样,目标函数不确定性对不同特征时期径流的影响差异显著,其中,f_NS和f_t目标函数下,非汛期分别高估和低估模拟流量。研究成果可为水文模型参数率定目标函数的选择提供理论参考。     

基于SWMM的中尺度雨水系统构建下的水质水量模拟

以构建适用于中尺度雨水系统为目标,以江西省南昌市某廉租房区(面积为2 hm2左右)为研究区域,根据实地监测和踏勘资料,在原有雨水系统的基础上,分别构建简易式和断接式中尺度雨水系统的SWMM模型,分析地面径流情况,并以TSS、TP、TN、CODcr四种污染物,模拟污染物随径流扩散的过程。结果表明:较于3年重现期下的传统开发,简易式能达到5年重现期不积水,并且随重现期的增大,地表径流的削减率越来越小;断接式不仅能保证10年不积水,径流削减的变化趋势与简易式一致,并且削减情况优于简易式,能更长时间的延缓径流峰值的出现。污染物浓度随重现期增大,前期逐渐增大,中期出现峰值,后期逐渐减小,冲刷效果也逐渐明显,且两者的污染物削减效果相较于传统开发,均能达50%以上;但是在高重现期下,无论是水质还是水文的模拟表明,由于土壤达到饱和,两者作用效果不相上下。总得来说,采用断接式能更好地控制径流量和径流污染物。     

辽河干流灌溉期水质变化规律

在2004年灌溉期辽河水平衡测试工作的基础上,通过对水质综合变化情况的分析与水质模拟,得出灌溉期水质变化的规律,并对其成因进行了分析。结果表明:灌溉期水库供水时,河流水质有其特殊的变化规律:供水初期水质恶化,然后水质逐渐好转并趋于稳定。对以后农业灌溉期水库供水安全保障措施实施以及“先冲污后供水”的水库供水运行调度方案制订,具有重要的指导意义。     

缺水地区枯水期城市水资源预分配管理模型

本文针对缺水地区水资源时空分布不均及丰枯交替频繁，尤其是连枯年份高频率出现的特点，采用优化和模拟技术，建立了适用于多水源、多工程、多用户等复杂条件下具有可操作性的水资源预分配管理模型，以实现水资源在各地区、各部门、各行业层次上的分配。在此基础上，还研制出按节水水平高低和企业用水重要性大小进行配水的管理模型，从而达到了在实际水资源管理的直接对象——企业间的优化配置。此外，文中还提出了应付特枯水年和连续枯水年的对策。本模型经山东省高密、龙口等市应用，效果较好。     

基于补水配置情景的河流水质及环境容量研究——以汾河干流为例

汾河流域是山西省的政治文化中心和重要农业产区,也是全国的主要能源基地分布区域,该流域目前面临严重的水生态问题,而生态补水是改善水生态质量的一项重要举措。为定量评价生态补水对流域水质与水环境容量的影响,本文构建了汾河水质水量联合模拟平台,以污染源负荷和生态补水配置情景为基础,考虑2种不同补水方案,评价了汾河干流30个主要断面的水质状况与水环境容量。结果表明,现状水资源条件下汾河COD和氨氮容量分别为2.67万和0.14万t/a;生态补水方案可有效改善水质,低生态补水方案补水2.5亿m3,由于考虑了生态需水,对水环境容量影响不大;高补水方案补水3.9亿m3,可相应提高汾河干流COD8%和氨氮12%的水环境容量。     

改善汉阳湖群水环境的调水方案研究

湖群调水后,湖群及其连通沟渠共同组成了复杂的湖网结构,调水线路不单一,存在着二次分流问题等。以汉阳湖群为例,对湖群调水的方案进行了优选,并预测分析了引江灌湖工程实施后汉阳湖群的水流水质变化。得出结论:①流量越大,湖区流动性越好;②四湖的整体流动性以龙阳湖最优,三角湖最差;③由于湖面宽广,湖网形状复杂,引入的水流难以置换全部水体,出现缓流区域和死水区。     

基于补水配置情景的河流水质及环境容量研究

黄河最重要的子流域之一汾河流域是山西省的政治文化中心和重要农业产区，也是全国的主要能源基地，汾河流域目前面临严重的缺水与水生态问题，而生态补水是一项重要举措。为定量评价生态补水对流域水质与水环境容量的影响，本文构建了汾河水质水量联合模拟平台（FRSYS），由5个子模型构成，以污染源调查计算和生态补水配置情景为基础，考虑了两种不同补水方案条件下，对汾河干流30个主要断面的水质状况与水环境容量进行了定量评价。结果表明，汾河流域年排放污染物COD和氨氮分别为5.34和0.96万吨/年，太原及其下游断面未能达到目标要求，太原、临汾断面的水质较差；现状水资源条件下汾河COD和氨氮的容量分别为2.67和0.14万吨/年，生态补水方案可有效改善水质状况，低生态补水方案补水2.5亿m3，对水环境容量影响不大，高补水方案补水3.9亿m3，可相应提高汾河干流COD和氨氮8%和12%的水环境容量。     

现代化水网建设与水资源优化配置研究

我国南水北调东线山东段、山东胶东调水等工程的相继开工建设，为山东省当地水、黄河水和长江水联合运用提供了难得的契机．结合跨流域调水工程，就山东省现代化水网建设及利用该系统进行水资源优化配置加以研究．在确定出水资源系统网络概化图的基础上，建立了山东省水资源供需平衡计算机模拟模型，按照现状年、2010年和2030年共3个水平年不同调水方案下的6个方案进行了模拟计算，为新时期山东省水资源开发利用决策提供了科学依据．     

某河流改道工程对区域地下水动态的影响

为研究某河流改道后对区域地下水动态的影响,采用水均衡法计算河流改道段受影响区域的水均衡情况,并利用 MODFLOW软件对研究区内的地下水位进行为期10年的数值模拟。根据水均衡的计算结果,河流改道后研究区内的地下水补给、排泄量变化不大,对河流下游地下水的补给量影响很小。对比10年后研究区内的河流原河道和改道后的地下水位,其地下水流场和地下水埋深面积均无明显变化,地下水位的降深变化很小。结果表明：河流局部改道不会使研究区域地下水空间分布格局发生明显改变,对地下水流动态影响较小。     

河道低温水对地表水-地下水交错带温度的影响

利用饱和多孔介质水热耦合运移数学模型,分析了流入河道的水库下泄低温水水位和水温对地表水-地下水交错带温度场的影响规律。研究表明:在低温水下渗过程中,水热运移以热对流作用占主导,热传导、热弥散等作用较弱;河道水位升降明显决定着受影响的温度场区域范围大小;河道水温高低主要影响温度场各点温度的变化幅度。     

汾河水库水动力及水质数值模拟

汾河水库是万家寨引黄工程的调节水库和山西省最大的地表水饮用水源地，其上游河段的COD和TN有超标现象，故确定库区污染物的输移扩散规律并提出相应的保护措施对保证水库水质安全至关重要。以工程技术资料、DEM模型、遥感及GPS实测信息为基础，采用GIS技术将汾河水库边界和地形进行数字化处理；通过实测数据进行参数率定与模型验证，确定汾河水库的水动力模型和水质模型；将模型进行耦合联用，以汾河水库的水动力为基础，选取COD和TN进行数值模拟，计算污染物在不同进水浓度时库区污染物超标面积，以库区污染物超标面积百分比来表征水库受污染程度。模拟结果表明:风场是影响水库水动力的主要因素；在静风和主导风力作用下污染物分别沿地形和沿下风向堤岸扩散；污染物超标面积百分比与进水污染物浓度限值呈二次函数关系。