不同降水产品在滦河流域径流模拟中的适用性

卫星降水产品和多源再分析数据对于水文模拟具有重要意义。本文基于地面实测降水数据,对全球降水观测计划多卫星降水产品（GPM IMERG）和中国区域地面气象要素驱动数据集（CMFD）再分析降水数据进行定量多尺度时空精度评估,并利用SWAT模型进行月尺度径流模拟,对比分析两种降水产品的水文效用。结果表明：在多时间尺度上,IMERG和CMFD数据与地面实测降水具有较高的相关性,二者分别呈现出对降水约3.7%和2.6%的高估;空间上,二者能够较好地描述降水的整体变化趋势。在弱降水的探测准确度上二者均需进一步提升。两种降水产品整体适用于滦河流域径流模拟,其中IMERG数据有效提高了雨量站稀疏流域的径流模拟精度,在水文模拟中具有良好的应用潜力。     

多套降水产品精度评估与可替代性研究

以地面雨量站观测降水为准,评估分析了卫星降水数据APHRODITE、TRMM 3B42和再分析降水资料(NCEP)等多套降水产品的精度,并以多套降水数据驱动分布式时变增益模型对云南省元江流域进行水文模拟,进一步探究在流域水文模拟中降水产品对地面实测降雨的可替代性。精度评估结果表明,多套降水产品与实测降水存在着不同程度的差异,TRMM的精度较好,NCEP精度相对较差。流域面降水在月尺度上相关性较好,达0.9以上,日尺度上相关性略差,偏差有所增加;径流模拟结果表明,降水产品驱动模拟的日径流精度降低,但基本能表征日径流变化,具有替代地面雨量观测站点的潜力,且根据降雨产品重新率定后的模型模拟效果会得到改善。     

基于多源降水数据估算澜湄流域可能最大降水

基于多源降水数据估算流域可能最大降水（PMP），对推求稀缺资料地区的设计和校核洪水具有重要意义。选取澜沧江-湄公河流域为研究区域，以APHRODITE降水数据集和实测降水为基准，评价CHIRPS、MSWEP和PERSIANN三套全球降水产品的精度，基于改进的统计法估算1天和3天的PMP。结果表明：（1）MSWEP产品具有较高的精度和降水探测能力；（2）栅格尺度下MSWEP与APHRODITE降水数据的PMP估算结果显著相关；（3）基于MSWEP卫星降水数据估算的湄公河流域1天和3天的PMP分别为122 mm和192 mm，与其他的PMP估算结果相近。卫星降水数据可为缺乏资料地区的PMP估算提供重要参考依据。     

滦河流域遥感降水降尺度多时间特性分析

为提高卫星降水产品空间分辨率以满足精细水文研究需要,以滦河流域为研究对象,针对在中国区域精度较高的全球降水观测计划多卫星降水产品（IMERG）,使用NDVI、DEM、坡度、坡向、经纬度和降水关系,构建了一种基于卷积神经网络的降水降尺度模型,探讨了模型在年、季、月和旬的表现及模型参数的变化情况。结果表明：降尺度结果与原始数据相比,年、季、月降尺度结果的相似指数分别超过0.94、0.89和0.69,旬尺度也能有效表征降水情况;与中国日降水站点分析产品（CGDPA）相比,年、季、月和旬降尺度结果的平均相似指数分别为0.58、0.78、0.68、0.47;模型参数的相似度会随着模型层数的深入逐渐增大。证明该模型具有良好的收敛性,在流域范围的降尺度应用方面具有良好的潜力。     

基于地面雨情信息的长江三峡区间洪水预报研究

长江三峡区间的暴雨洪水对三峡水利枢纽的影响迅速而且直接,是进行三峡坝址洪水预报的重要边界条件。本文基于分布式物理模型GBHM与概念性新安江模型开展了三峡区间洪水预报研究。利用2004-2007年地面观测的雨量及流量信息,首先在日尺度上对两个预报模型进行了参数率定及模型检验,然后在小时尺度上对典型洪水过程进行了预报试验。结果表明,两个模型对逐日洪水过程的模拟均有较高精度。考虑到逐时流量数据的限制,本研究直接利用在日尺度上拟合的模型参数进行逐时的洪水预报。结果显示新安江模型的预报精度大幅下降,GBHM模型对洪水过程及洪水总量的预报仍能够保持一定精度,表明分布式物理性水文模型在三峡区间洪水预报中具有应用优势和潜力。     

基于地理信息的SCS模型及其在黄土高原典型流域降雨-径流关系中的应用

基于土地利用、土壤类型等信息数据和流域水文、气象资料,应用美国农业部水土保持局研制的小流域设计洪水模型-SCS模型对王东沟流域径流过程进行了模拟.按照集水区自然分水线划分流域子单元,并提出了适合该流域产流计算的CN值表.结果表明,模型所模拟的径流过程与实测径流过程具有较好的一致性,模拟精度在75%以上,说明模型在参数的确定上是较为合理的,可以应用于黄土高原典型流域.为建立分布式水文模型对流域进行生态水文综合评价提供了科学方法.     

基于遥感信息的新安江模型产流计算参数估计

卫星遥感技术和水文模型的结合应用是当今水文学研究中的热点问题。但是,直接利用遥感信息提取水文模型相关参数来模拟径流过程存在较大的不确定性。为了分析其对径流模拟不确定性的影响,构建了利用遥感信息估计新安江模型3个产流计算参数的框架:基于土壤属性推求WM,基于流域几何特征推求B,基于土地覆被分类和Landsat遥感影像推求IMP;并采用GLUE方法在高关水库流域作了长系列径流模拟研究。传统的新安江模型参数需要根据实测资料进行率定,而在新的参数估计框架下,需要率定的参数减少了3个。模拟结果表明:新的参数估计框架减少了参数的不确定性,计算得到的模拟径流90%置信区间基本包含所有的实测数据,且区间范围明显小于传统方法,尤其是在低流量的模拟结果上差别更加明显,即基于遥感信息的参数估计框架显著降低了径流模拟的不确定性,这种方法可以应用到其他相似的流域中进行径流模拟。     

汾河上游流域分布式水文模型的构建

针对研究区的水文、气象特点，本文以坡度、坡向为下垫面主要因素，按照集水区自然分水线划分子流域的流域离散方法，将SCS产、汇流模型与马斯京根法相结合建立了基于流域尺度的次降雨一径流分布式水文模型。模型对研究区典型流域模拟结果表明，该模型的径流量合格率及汇流合格率分别达到70％和80％，且计算流量过程与实测流量过程吻合较好，可适用于该研究区。     

基于迁移学习的长短时记忆神经网络水文模型

针对无/缺水文资料地区水文建模的难题,提出了基于迁移学习的长短时记忆神经网络（LSTM）水文模型。以嘉陵江、乌江和岷江流域为例,基于实测水文气象数据,采用K-最近邻算法与土壤和水评价模型（SWAT）模拟生成气象和径流数据,并构建实测和模拟样本集;然后构建不同的网络迁移微调策略和网络学习情景,分析迁移网络的可能性和性能。结果表明,固定网络的细胞层并微调网络其他层时,迁移学习的效果较好;同流域和跨流域进行网络迁移时,迁移后的网络更稳定且精度更高;跨流域迁移时,源流域和目标流域的相似度越高,迁移网络的难度更小,精度更高。该模型为无/缺水文资料地区构建水文模型提供了新的思路。     

基于标准化降水蒸散指数的渭河流域干旱演变特征分析

干旱是当今人类面临的重大环境和气候问题之一。本文采用标准化降水蒸散指数(SPEI)研究渭河流域的干旱演变特征。基于渭河流域21个气象站点1960—2013年的实测降水、气温和日照时数数据,分别计算各站点年、季尺度的SPEI值,并分析了年尺度SPEI的变化趋势性;采用Mann-Kendall检验法、累积距平法和有序聚类法对SPEI指数进行综合突变检验;研究了渭河流域干旱覆盖面积、中度以上干旱分布特征以及连续干旱分布特征。结果显示:渭河流域年尺度的SPEI指数呈递减趋势,在1990年发生突变,干旱发生强度持续增强,1991—2013年干旱发生强度高于1960—1990年;1991—2013年各尺度的干旱覆盖面积除冬旱外均大于1960—1990年,且春旱在突变前后的变化最为剧烈;1991—2013年中度以上干旱发生频率明显大于1960—1990年,且连续干旱发生频率高于1960—1990年,表明自1991年起干旱程度在加剧。     

黑龙江流域分布式水文模型研究

黑龙江是高纬度寒区界河,防洪问题突出,模型研究较少。本文建立黑龙江流域空间信息库,构建了基于物理机制的黑龙江流域分布式水文模型GBHM-HLJ。其中引入冻土导水率随冻融期温度指数型变化的概化模型,模拟土壤冻融循环对水分运移的影响。率定期和验证期10个主要站点日均流量模拟的Nash-Sutcliffe效率系数均在0.73以上,月均流量模拟的决定系数在0.82以上。模拟的流域平均雪水当量逐月数据与2014—2019年FY-3C卫星遥感反演数据进行对比,决定系数为0.83。干流控制站哈巴罗夫斯克站1960—1990年日均流量模拟的Nash-Sutcliffe效率系数为0.90,历年最大日均流量模拟的决定系数为0.72。黑龙江流域分布式水文模型为研究流域水文规律和干支流洪水特征提供了基础。     

澄碧河流域降水及旱涝变化特征分析

为了解西南岩溶区流域的降水及旱涝变化特征,选用澄碧河流域1979—2019年12个地面站点实测逐月降水资料,采用Sen斜率估计法、小波周期分析、经验正交函数（EOF）分析及标准化降水指数（SPI）等方法进行分析。结果表明,41 a间澄碧河流域年降水量呈现不显著增加趋势,以30 a为主周期;降水主要分布在夏季,并且呈不显著变化;降水量整体上呈现出由东南向西北递增的格局。EOF分析发现流域呈现出三种降水模式,其主要以全流域降水变化一致为主,其余两种模式均呈现出相反的降水变化。澄碧河流域干旱事件向洪涝事件转变发生在1994年,流域洪涝发生频率大于干旱发生频率,旱涝事件变化在空间上的分布特征具有一定差异性。研究结果对流域防范旱涝灾害具有参考意义。     

日降水场分解的典型解集模型及应用北大核心CSCD

高时空分辨率的降水数据对汇流时间短的城市流域及小流域的连续水文模拟而言至关重要。本文采用单站点、区域及多站点三种典型解集模型对南京及其周边地区9个气象站1983—2012年汛期(5—9月)日降水量进行分解,构建南京地区小时随机降水场;在此基础上,基于多种评估指标(包括统计分布特征、极值分布、空间相关性、日内干湿统计特征等)对三种典型解集模型的模拟性能进行综合评估。结果表明:三种典型解集模型均能很好地模拟南京地区小时降水场的统计分布特征、降水极值及日内干湿统计特征。三种模型中,仅有多站点联合解集模型能重建观测小时降水场的空间相关性,更适合分布式水文模拟。本文的研究成果可为城市地区的降水径流模拟提供参考。     

1970—2017年西江流域降水特性分析

基于西江流域37个气象站点1970—2017年逐日降水数据,采用滑动平均、Mann-Kendall趋势检验、Sen’s坡度、小波变换及经验正交分解等方法分析了流域降水时空演变特性。结果表明,西江流域年降水量呈不显著的减少趋势,以29年为主周期,空间分布呈现由东向西、由北向南递减的趋势。年内降水主要集中在夏季,冬季占比最小;春、秋降水量呈减少趋势,夏、冬呈增加趋势,只有春季降水量减少趋势较显著;6月降水量最大,12月—翌年2月各月降水量相近且较小。降水集中程度较高,降水集中度（PCD）与降水集中期（PCP）空间分布均呈由西向东递减的趋势,PCD与PCP第一、二模态空间分布均不具有一致性和方向分异性,可能与流域降水成因多样性有关。     

基于多项式正态变换的年径流频率计算研究

水文设计值精度直接影响到工程规模的确定。应用多项式正态变换（PNT）法推求给定频率的设计值（分位数）,提高水文频率计算精度。采用蒙特卡洛法进行模拟试验,对比分析三阶多项式系数的矩（PM）法、L-阶线性矩（LM）法、最小二乘（LS）法和Fisher-Cornish（FC）不对称展开法的参数求解方法,并选用黄河流域五个测站天然年径流资料,开展三阶多项式正态变换法的年径流频率计算研究。结果表明：4种方法求解所得的多项式系数均能推求给定频率下的年径流设计值,且设计值序列整体与实测序列拟合效果良好,对数据的正态性转换和拟合效果排序结果为最小二乘法、L-阶线性矩法、Fisher-Cornish不对称展开法、矩法。     

东江流域枯水径流变异根本原因分析

随着社会经济的发展,人口的增加,水资源的供求矛盾日益突出,枯水问题越来越受到广泛的关注。本文以东江流域为例,采用根本原因分析法(RCA法)归纳和探究了枯水径流变异的原因,并以因果树的方式直观地展现了其因果关系。首先对东江流域干流站点和支流站点枯水期径流序列变异分析后,发现干流4个站点径流发生了变异,且有明显联系;其次结合流域枯水期径流、降雨、蒸发、水库蓄水量数据分析,构建出东江流域枯水期径流变异因果树;最后综合分析得出结论:气候对东江流域枯水径流序列变异影响不大;影响主要来自于人类活动,导致序列变异的主要原因是新丰江水库和枫树坝水库的径流调节。     

基于水质模拟的水质在线监测站点布设研究

随着水质监测连续化的需求增加,河流水质在线监测站布设成为不可忽视的问题。本文采用水文模拟模型HSPF对台湾淡水河流域进行水量水质联合模拟。水文模拟以9个测站比对,纳什效率系数多数大于0.7;相关系数r皆大于0.7。水质模拟以27个测站比对,生化需氧量、氨氮、悬浮固体、溶氧的修正平均百分误差多数小于25%。基于水质变化率和水质超标率提出水质敏感河段概念,并以此确定为补充布设水质在线监测站点的优先河段。研究指出,淡水河流域水质在线监测站目前仍缺乏且位置不尽合理,应优先补充三峡河的三峡大桥、景美溪的宝桥、基隆河的江北桥水质在线监测站。     

鸭绿江云峰水库以上流域可能最大暴雨研究

以云峰水库坝址以上鸭绿江流域可能最大暴雨为研究对象,针对鸭绿江流域朝鲜侧气象水文资料缺失的问题,提出了鸭绿江流域地面雨量观测信息与卫星遥感降水信息融合的方法,用于补充流域朝鲜侧降雨等值线图。分别采用放大法和移置法对设计流域可能最大暴雨进行计算,其中放大法推求的3 d可能最大暴雨结果为256.5 mm,而移置法推求结果为203.2 mm。经比选,将放大法推求的可能最大暴雨作为推荐成果,并与本流域历史暴雨资料及国内已有可能最大暴雨研究成果进行对比,认为计算结果合理可靠。研究成果可为无资料地区可能最大暴雨估算提供参考。