基于网格坡向要素影响的分布式水文模型研究应用

针对西北内陆高寒山区的水文、气象特点,本文以网格为最小单元将流域离散,通过分析同一高程网格坡向不同及其对到达地面太阳短波辐射通量的影响,提出地形要素差异导致地面冷热源再分布,调控融雪出流量,继而将坡向判断也作为系统重要输入项之一嵌入到模型计算中,最后通过在每一栅格单元上采用融雪型新安江产流模型与SCS汇流模型,构建整个流域的分布式水文模型。该模型在甘肃省石羊河流域进行模拟研究,其结果令人满意。     

籍助于GIS研制概念性半分散水文模型

籍助于ＧＩＳ研制概念性半分散水文模型Ａ．Ｈ．Ｓｃｈｕｍａｎｎ１概述为了考虑流域水文特征的空间不均匀性，人们提出了分散水文模型。区域单元的水文行为多数由考虑每个网格单元的水文特征的网格方程描述。但是，目前的物理模型仅能用于亚网格情况（如下渗模型用于均质...     

基于改进降水输入模块的融雪径流模拟:以拉萨河为例

降水是自然界物质循环和水循环的重要组成部分,是高寒地区径流的重要来源,水文模型中降水数据的输入精度对提高高寒地区融雪径流模拟效果具有十分重要的作用。青藏高原地区气象站点较少,站点数据无法全面反映流域内降水时空分布的真实情况,传统的融雪径流模型在地形、风向和水汽等要素对降水垂直分布的影响考虑不够全面,制约了模型在山区融雪模拟以及预测中的应用,因此有必要对模型的降水输入项进行改进,以期提高半干旱高寒地区融雪径流模拟效果。本文基于改进的遥感卫星数据校正理论,开发了适用于半干旱高寒地区的降水输入模块,将其与度日因子模型进行耦合,利用高程分带将降水组合成半网格半站点的降水输入数据驱动模型,并在拉萨河流域进行试验研究。结果表明:降水输入模块能够显著提高降水卫星反演地面降水精度,改进后的融雪模型在率定期和验证期的NSE(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient)分别为0.741和0.770,高于原融雪模型的模拟效果,表明改进后的模型能够在流域各个分区获得较为精确的降水数值,融雪径流模拟精度比原模型精度得到提高。总之,耦合降水输入模块的融雪模型可以有效提高降水输入精度,对缺资料半干旱高寒地区融雪模拟具有重要的参考价值。     

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。     

基于EFAST方法的寒旱区流域水文过程参数敏感性分析

寒旱区流域受降雨径流和融雪径流联合补给,坡面产流和融雪过程可能对流域水文产生重要影响。以分布式水文模型SWAT为平台,选取模型多个参数为关键因子,借助EFAST方法探索融雪期(3月-5月)、非融雪期(6月-次年2月)的径流峰值以及全时段径流均值的参数敏感性,这些参数涉及降雨径流、积雪消融、蒸散发、下渗、地下水补给和壤中流等多种水文过程。同时,结合流域特征及参数物理意义,深入分析参数敏感的原因,并揭示参数背后的水文过程对开都河流域产汇流的重要影响。研究发现,坡面产流、下渗以及积雪消融等水文过程对开都河流域水循环具有重要影响。此外,对于寒旱区流域重要的融雪过程参数,其总敏感性显著而一阶敏感性不显著,表明通过EFAST方法得到的水文模型参数总敏感性更为合理。结果揭示了流域水文敏感因子及关键过程,为探索水循环机理,水文科学预测、管理流域水资源奠定了基础。     

FCHM结构与融雪模型：森林流域水文模型研究之一

为了研究森林水文效应，根据流域产汇流规律和森林与水分之间的交互作用，以系统分析理论为基础，研制了一个仅需“简单”输入的概念性的森林流域水文模型。高山深谷融雪模型是流域水文模型中的一个子模型，它是根据高山深谷地带积雪水当量和热力条件的垂直地带分布特性设计而成。本流域模型在１０余个森林流域的水文模拟实验表明，模型是有效的，能够解决森林水文效应研究中的有关课题；并且，在洪水预报、水利水电工程、山地灾害研究与预测等领域，也有广泛的应用前景。     

基于数字平台的黄河多沙粗沙区分布式水文模型研究

本文以黄河无定河水系岔巴沟流域为例，针对其气候、植被以及下垫面条件等时空变化特征，在全流域1∶1万DEM基础上，建立了具有物理基础的分布式流域水文模型，模型由网格单元的超渗产流模型和汇流模型组成，提出了考虑流域水保措施的流域汇流计算。使用该模型对1970～1989年大中场次洪水进行模拟计算，结果表明：计算值与实测值基本吻合。     

白杨河水库洪水预报调度模型

结合新疆白杨河水库洪水调度的生产项目，根据白杨河流域的特点，寻找山区水文要素的时空变化特性，研究融雪机制，合理地估算融雪因子，做出白杨河流域融雪径流预报模型，在此基础之上，采用最大削峰为准则的动态规划模型和滚动决策的方法，比较有效地解决了该水库管理运行阶段实时优化调度问题，可供含融雪径流的其它流域水库参考借鉴。     

基于 HSPF 的东江分布式水文模型构建

针对东江流域,在基于 HSPF 水文模型的基础上,构建了东江流域分布式水文模型。详细介绍了 HSPF 分布式水文模型构建的原理、模型数据准备、模型构建以及模型验证过程。从气象分布变异的角度出发,将东江流域划分成 51 个子流域,从物理分布变异的角度出发,将东江流域的土地利用类型与土壤类型和坡向重新叠置成 29 种特征类型的下垫面。通过模型的模拟效果来看,两校准站（河源站和博罗站）的相对误差均小于 15% ,NASH 系数都在 0.9 以上,模拟效果良好。     

基于数字平台的黄河多沙粗沙区分布式水文模型研究——以黄河岔巴沟流域为例

本文以黄河无定河水系岔巴沟流域为例，针对其气候、植被以及下垫面条件等时空变化特征，在全流域1：1万DEM基础上，建立了具有物理基础的分布式流域水文模型，模型由网格单元的超渗产流模型和汇流模型组成，提出了考虑流域水保措施的流域汇流计算。使用该模型对1970～1989年大中场次洪水进行模拟计算，结果表明：计算值与实测值基本吻合。     

地表水地下水的交互作用与耦合模拟

 传统的概念性水文模型存在不能对不同径流成分进行精确模拟和划分的局限性。而分布式水文模型基于其精确的物理基础和产流机制，充分考虑到不同径流成分的水力联系，在对流域进行土壤垂直分层和水平网格划分后可进行地表水、地下水的交互作用分析与耦合模拟。应用李兰教授开发的LL Ⅱ分布式水文模型和GIS技术，以宜昌黄柏河天福庙水库作为典型流域，根据连续日入库径流资料验证模型精度，对该流域的日入库径流过程进行地表水和地下水的连续耦合模拟与预测，取得了较好的模拟预测效果。     

基于多重网格的地表水文与二维水动力动态双向耦合模型研究

针对流域洪涝模拟模型的计算精度、格式稳定性及计算效率等问题,本文提出基于多重网格技术的地表水文与二维水动力动态双向耦合模型(M-DBCM)。地表水文模型采用非线性水库法模拟降雨产流和径流;二维水动力模型采用浅水方程模拟洪水演进过程。采用不同分辨率的网格划分计算区域,在粗网格区域采用地表水文模型模拟降雨径流过程;在细网格区域采用二维水动力模型模拟洪涝积水区的水流运动。地表水文和二维水动力模型通过内部耦合移动界面(Coupling Moving Interface, CMI)实现无缝连接,保证通过CMI的水量和动量等通量守恒,提高模型的模拟精度。采用时间显式格式同时求解地表水文和水动力模型,在不同区域采用不同的计算时间步长,以提高模型的计算效率。通过典型案例验证本文构建的耦合模型的性能,结果表明本文提出的动态双向耦合模型能够在保证模拟精度的同时提高计算效率。     

基于双层规则化的渠道地面网格模型

将网格分成内部网格和外部网格两个层次,以适用于渠道设计这种不规则带状地形的应用。算法将渠道经过的地面模型划分成大小相等的正四边形外部网格,对于每个有地形数据点的外部网格进一步划分成小的内部网格。这样可以利用网格坐标和顶点高程,实时计算任意点地面高程。     

Development and application of GIS based K-DRUM for flood runoff simulation using radar rainfall

The aim of this paper is to develop a physical based distributed runoff model for flood simulation considering spatially and temporally varied rainfall and to evaluate the feasibility of an offline mode under typhoon and convective storm events for Korean watershed. Additionally, an auto-calibration method for initial soil moisture conditions that have an effect on discharge was proposed, and Namgang watershed (2,293 km²) was applied as study site. Distributed rainfall according to grid resolution was generated by using a pre-process program of radar rainfall from the JNI radar. Also, GIS hydrological parameters were extracted from basic GIS data such as DEM, land cover and soil map, and used as input data of the model. The Namgang watershed was divided into square grids of 500 m resolution and calculated by kinematic wave into an outlet through channel networks to evaluate capability of the developed model.     

基于GIS黄土丘陵沟壑区分布式侵蚀产沙模型的构建——以蛇家沟小流域为例

分布式侵蚀产沙模型是土壤侵蚀模型的重要发展方向,本研究将蛇家沟流域下垫面划分为5 ×5m的栅格,每个栅格内赋予相应的高程、坡度、地貌、土地利用等属性信息.根据流域DEM,确定流域的汇流方向、流路与汇流累积面积.在蛇家沟流域内采用“穷举算法”对SCS-CN模型的参数值进行校正.基于DEM、地貌、土地利用以及降雨等资料,利用黄土丘陵沟壑区良好的水沙关系,运用VB.NET+ARC ENGINE9.2+ SQLSERVER2000构建分布式侵蚀产沙模型.模型结构简单,输入参数比较少,利用求产流来求产沙,考虑了土地利用、汇流等因素具有一定的物理意义,并能达到一定的预报精度.其中产沙模型是建立在黄土丘陵沟壑区普遍的水沙关系基础上,通过校正水沙关系式系数及产流模型中的CN、λ值可在其它相似的小流域内使用.该研究可为黄土丘陵沟壑区水土保持治理效果评价提供依据.     

基于多 GPU 数值框架的流域地表径流过程数值模拟

与传统概念性水文模型相比,二维水动力模型可提供更丰富的流域地表水力要素信息,但是计算耗时太长的问题限制其推广应用,提升二维水动力模型的计算效率成为当前数字孪生流域建设工作中的关键技术难题之一。采用基于Godunov格式的有限体积法离散完整二维浅水方程组建立模型,通过消息传递接口(message passing interface, MPI)与统一计算设备架构(compute unified device architecture, CUDA)相结合的技术实现了基于多图形处理器(graphics processing unit, GPU)的高性能加速计算,采用理想算例和真实流域算例验证模型具有较好的数值计算精度,其中,理想算例中洪峰的相对误差为0.011%,真实流域算例中洪峰的相对误差为2.98%。选取宝盖寺流域为研究对象,分析不同单元分辨率下模型的加速效果,结果表明：在5、2、1 m分辨率下,使用8张GPU卡计算获得的加速比分别为1.58、3.92、5.77,单元分辨率越高,即单元数越多,多GPU卡的加速效果越明显。基于多GPU的水动力模型加速潜力巨大,可为数字孪生流域建设提供有力技术支撑。     

流域非闭合特性对岩溶地区水文过程模拟的影响

岩溶地区通常发育有大量岩溶裂隙、管道和洞穴,构成错综复杂的地下输水网络,形成了独特的流域水循环模式。地下岩溶构造的存在会造成地下分水岭与地表分水岭的不重合,流域趋于非闭合状态。为了弄清岩溶流域非闭合特性对水文过程模拟的影响,本文以桂林岩溶地区潮田河(漓江支流)流域为研究区域,采用三水源新安江模型模拟该地区多年降雨径流过程。通过比较几组给定流域面积的模拟结果,分析了流域计算面积选取对潮田河流域水文模拟结果精度的影响,并探讨了流域非闭合特性影响下该地区的水体流动模式。研究结果表明:模型率定时,当流域计算面积由340 km~2变化至460 km~2时,NSE先增大后减小,RE值持续增大,两者在380~390 km~2时可同时达到最优;结合不同时间尺度下径流模拟精度的分析结果,给出了合理的流域计算面积,比基于地表分水岭提取的流域面积约小8.9%~11.2%,故部分水量可能通过地下岩溶构造流向邻近流域。合理的流域计算面积对潮田河流域径流模拟精度提高显著,尤其是提升了枯季径流的模拟。     

Distributed Flood Simulations with Coupling Gauge Observations and Radar-rainfall Estimates

This study used a two-dimensional diffusion hydrodynamic model for the simulation of extreme flood events that occurred in the Shihmen reservoir watershed from 1989 to 2001. The alternating direction explicit scheme (ADE) with various horizontal spacings from 120 to 240 m at an incremental interval of 40 m was conducted for flood simulations. Spatial precipitation was provided by the gauge interpolations and weather radar rainfall estimate schemes. A case study, Typhoon Nari on September 16–18, 2001, was then performed using radar-derived rainfall with coupling two-dimensional diffusion hydrodynamic model in flood routing investigations. Numerical results revealed acceptable agreement between the observed and simulated reservoir stage hydrographs. Results of 120 and 160 m spacing had similar values on error indicators while the 160 m grids can greatly reduce computational time by 40% than that of 120 m grids. Precipitation is identified to be the main factor forcing model result.