流域水文模型研究综述

流域水文模拟是用数学的方法描述和模拟水文循环的过程.按照水文循环运动的物理规律和空间变化规律介绍了流域水文模型的分类及其特点,回顾了流域水文过程模型的研究进展,总结、介绍了国内外分布式流域水文模型的开发研究成果,结合当前流域水文模型研究中存在的尺度、非线性、模型动态耦合等主要问题,提出了发展方向。     

基于GIS的分布式流域水文模型

分布式流域水文模型比较客观地描述实际水文过程,但需要强大的数据库支持。这一特点为地理信息系统(G IS)在分布式流域水文模型的研究与应用提供了可能,反过来又推动水文模型的发展。目前,基于G IS的分布式流域水文模型的研究已成为水文学研究的热点。本文总结了分布式流域水文模型的优越性,综述了G IS在分布式流域水文模型中的应用及二者集成方式研究与应用的进展,讨论了当前研究中存在的问题,指出了今后的研究方向。     

水文模型尺度问题的若干探讨

尺度问题是制约水文模型发展和应用的一个重要因素。在回顾和分析水文模型尺度研究进展的基础上,提出了水文模型尺度研究中的若干问题,包括水文模型与水文过程的尺度关系、时空异质性问题、水文建模与耦合的尺度性、遥感及GIS与水文模型的关系等问题,建议通过建立和发展全球水循环观测网络、加强水文过程的机理研究、从理论的视角来构建多尺度水文模型、基于遥感和GIS技术开展不同尺度水文模型研究等方法来解决水文模型尺度的关键问题,进而利用不同尺度水文模型预测全球水循环变化趋势,更好地应对流域区域乃至全球的气候变化问题。     

流域水文模型的回顾与展望

概述了产汇流理论及流域水文模型的发展历程.简要介绍了流域水文模型的分类和分布式流域水文模型的思路及优点.对现有模型在模型结构、资料需求及水文时空尺度等方面的不足进行了分析总结,对流域水文模型的未来发展作出展望:分布式水文物理模型将成为水文模型发展的新趋势,在模型建立的物理基础、资料获取技术等方面的研究会有新的进展.     

空间均化水文模型及其验证

本文基于空间均化方法构建了空间均化水文模型SAHM.该模型采用基于空间均化方法建立的宏观尺度水文控制方程描述了计算单元内入渗、壤中流和坡面汇流等基本水文过程,在方程中直接包含了土壤饱和导水率和微地形的空间非均匀性,使SAHM在保持传统"点"尺度方程机理性的同时从理论上避免了方程适用尺度和模型应用尺度的不匹配问题.模型在半干旱半湿润的沁河流域上游进行了验证,并对模型参数敏感性进行了分析,结果 表明,模型具有较高的计算精度和计算效率,可用于大中尺度流域水文模拟、水资源评价和洪水预报.     

基于分形理论的新安江模型参数空间尺度效应分析

水文尺度效应一直是当今水文科学研究的前沿问题。基于分形理论建立模型空间敏感参数在不同尺度之间的定量转换方程,进而提出了一种水文模型参数空间尺度效应分析方法。以三水源新安江模型为例,分析模型参数在嘉陵江小河坝站以上流域的空间尺度效应。结果表明:新安江模型空间敏感参数(SM、KG、KI、CG、CI、CS)具有随空间尺度变化的标度不变性,与流域集水面积之间定量关系可用幂函数关系进行描述,并可建立相应的定量转换方程。通过在研究流域不同空间尺度上的应用检验,发现基于分形理论标度不变性建立的新安江模型参数空间尺度转换方程具有较高的适用性,能实现有资料地区模型参数向无资料地区的移用,为无资料地区水文模型参数的确定提供参考。     

黄河流域水文模型研究现状与进展

黄河流域的水问题一直是人们十分关注的焦点，而流域水文模型又是解决这些问题的关键所在。本文总结了黄河流域产汇流及水文模型的研究现状与进展，指出了存在的不足，展望黄河流域水文模型的研究方向，一方面继续探讨半干旱半湿润地区径流形成的物理机制，另一方面研制建立分布式流域水文模型，构造数字黄河的基础。     

流域水文模型在西南岩溶地区应用中的发展现状及展望

在对西南岩溶地区水文地质条件分析的基础上,指出了流域水文模型在西南岩溶地区实际应用中的困难;通过三个成功实例：桂林“丫吉模型”、洛塔干河猪场表层岩溶泉BP人工神经网络模型、刁江SWAT模型,分析了目前流域水文模型在西南岩溶地区应用中的发展现状及趋势;提出了未来在水文地质条件复杂的岩溶地区,特别是无监测资料地区,发展分布式水文模型成为未来的发展方向。     

水文模型的尺度性探讨

分析了水文模型尺度研究的必要性及理论基础,重点阐述了水文模型在原理、结构、复杂度、所需资料等方面存在的尺度性,并提出了水文模型尺度性的数学描述方法。同时指出,定量化评价水文模型的尺度性还有待于深入研究。     

论流域水文尺度化和相似性

本文论述了流域水文尺度化和相似性问题。探讨了小尺度要素如地貌、土壤和降雨等的空间变化对流域径流形成的影响，提出了反映流域产流面积空间变化动力特性的尺度化理论，即代表性单元产流面积ＲＥＡ的存在。在相似性问题的研究中，讨论了统计相似分析和动力相似分析的两种基本研究方法，为简化尺度化对径流形成的影响，提供了一条概念性与物理性、确定性与随机性相结合的实用性的模拟方法。     

水文模型中植被截留计算的误差分析

在众多植被截留模型中,针对场次降雨建立的概念性指数模型由于具有一定的物理基础,且参数通过常规观测资料即可确定,在构建物理性流域水文模型时被广泛采用。但在水文模型的应用中,计算是逐时段进行的,这造成模型计算时段和适用时段之间的不匹配,是植被截留计算误差的原因之一。分析表明,无论在一个计算时段内有多个降雨过程发生,还是一场降雨过程被划分为多个计算时段,逐时段计算均将过高估计植被截留量。     

Developing an independent, generic, phosphorus modelling component for use with grid-oriented, physically based distributed catchment models.

Grid-oriented, physically based catchment models calculate fields of various hydrological variables relevant to phosphorus detachment and transport. These include (i) for surface transport: overland flow depth and flow in the coordinate directions, sediment load, and sediment concentration and (ii) for subsurface transport: soil moisture and hydraulic head at various depths in the soil. These variables can be considered as decoupled from any chemical phosphorus model since phosphorus concentrations, either as dissolved or particulate, do not influence the model calculations of the hydrological fields. Thus the phosphorus concentration calculations can be carried out independently from and after the hydrological calculations. This makes it possible to produce a separate phosphorus modelling component which takes as input the hydrological fields produced by the catchment model and which calculates, at each simulation time step, the phosphorus concentrations in the flows. This paper summarises the equations and structure of such a Grid Oriented Phosphorus Component (GOPC) developed by the authors for simulating phosphorus concentrations and loads using the outputs of a fully distributed physical based hydrological model. The GOPC performance is illustrated by an example of a simplified hypothetical catchment subjected to some ideal conditions.     

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.     

若干水文预报方法综述

将现有水文预报方法分为过程驱动模型方法和数据驱动模型方法两大类.过程驱动模型指以水文学概念为基础,对径流的产流过程与河道演进过程进行模拟,从而进行流量过程预报的模型.过程驱动模型近年在中长期预报方面的发展主要表现在对概念性流域降雨径流模型的结构进行改进,以适应较大时间尺度预报的需要.数据驱动模型则是基本不考虑水文过程的物理机制,而以建立输入输出数据之间的最优数学关系为目标的黑箱子方法.数据驱动模型以回归模型最为常用,近年来由于神经网络模型、非线性时间序列分析模型、模糊数学方法和灰色系统模型等的引进,以及水文数据获取能力和计算能力的发展,数据驱动模型在水文预报中受到了广泛的关注.     

分布式水文模型在短期水文预报中应用的可行性探讨

针对目前基于物理机制的分布式水文模型在短期水文预报业务中尚未推广应用的事实,论证了分布式水文模型在短期水文预报中的可行性.以第二类分布式水文模型SWAT为例,分析了水文过程的模拟原理、方法和基本步骤,提出了其在短期水文预报中应用所需的降水预报技术、降水数据的空间展布技术、“3S”技术、流域坡面离散技术、对人工侧支水循环的处理技术等关键技术,并指出了分布式水文模型应用于短期水文预报时存在输入资料不足、模型自身缺陷、计算精度和效率的权衡等局限性和不足,提出需要进一步加强水循环过程的机理研究,加强与气象模型的耦合研究及对“3S”技术的应用研究.     

鸭绿江流域分布式水文模型开发及验证

基于水分能量传输模型(WEP模型),构建了鸭绿江流域基于物理机制的分布式水文模型,该模型综合了水文模型和陆面过程模型的优点,耦合了水分循环和能量过程的模型。以"子流域套等高带"为计算单元,将全流域划分为558个子流域和2 427个等高带,以日为时间步长,对冠层截留、蒸散发、下渗、产汇流等水循环要素过程逐一模拟计算,并以该流域2个主要水文站的还原流量资料为准,对模型进行校准与检验。在校准期与检验期,沙尖子站Nash-Sutcliffe效率系数在0.9左右,水量模拟误差约-4%,梨树沟站Nash-Sutcliffe效率系数在0.94左右,水量模拟误差仅为0.4%左右,表明该模型模拟精度很高,可为流域广义水资源评价、洪水预报预警和国际河流开发利用等提供有力的决策依据。     

水文模型参数敏感性分析方法评述

针对水文模型敏感性分析中存在的诸多问题,分析水文模型参数敏感性分析在模型构建及应用过程中的主要作用及其与不确定性分析和参数优化之间的联系,总结敏感性分析方法的3种分类,并探讨水文模型中常用的筛选法、回归分析法、基于方差的分析方法及基于代理模型技术的分析方法等4种关键技术方法,剖析水文模型参数敏感性分析方法的适用条件及优缺点,回顾各种方法在水文模型中的研究现状,提出水文模型参数敏感性分析的研究框架与步骤,指出水文模型参数敏感性分析的计算效率、可靠性和参数的相关性是未来的主要研究方向。     

基于贝叶斯理论的水文多模型预报

水文预报对于防洪、抗旱以及水资源调度等具有重要意义。水文预报通常依靠水文模型来完成,由于受到不同流域特点、产汇流机制等的限制,每个水文模型都具有各自的特点及适用区域。单一模型具有非常大的水文预报不确定性,为了解决单一模型局限性的问题,多模型水文预报常作为降低水文预报不确定性有效方法之一。选用三种常见的水文模型:时变增益水文模型、新安江模型和萨克拉门托模型,在珠江飞来峡流域进行分布式建模,采用相同的输入与初始场,三个模型独立进行模拟,然后对比三个模型的结果,并进行贝叶斯多模型加权平均和简单平均得到多模型平均结果,研究结果表明,贝叶斯模型处理后的结果要比单个模型模拟结果和简单平均处理后的结果准确率高。     

Development of a GIS-based Spatially Distributed Continuous Hydrological Model and its First Application

Abstract

This study describes the development of a spatially distributed continuous hydrological model and its application on an Aegean Sea island. This model was developed on the basis of a Geographical Information System (GIS) in direct interaction with the special database containing the input data in a spatially distributed form. The model is physically based; it can evaluate the daily values of the water balance components in very fine spatial resolution and gives relatively accurate results with small calibration effort. The main scope of the model is to utilize a valuable tool in areas with great scarcity of hydrometric data, increased water needs and serious shortages of fresh water. The model was applied on Naxos, a medium size Aegean island, with satisfactory results.