Development of efficient and cost-effective distributed hydrological modeling tool MWEasyDHM based on open-source MapWindow GIS

Many regions are still threatened with frequent floods and water resource shortage problems in China. Consequently, the task of reproducing and predicting the hydrological process in watersheds is hard and unavoidable for reducing the risks of damage and loss. Thus, it is necessary to develop an efficient and cost-effective hydrological tool in China as many areas should be modeled. Currently, developed hydrological tools such as Mike SHE and ArcSWAT (soil and water assessment tool based on ArcGIS) show significant power in improving the precision of hydrological modeling in China by considering spatial variability both in land cover and in soil type. However, adopting developed commercial tools in such a large developing country comes at a high cost. Commercial modeling tools usually contain large numbers of formulas, complicated data formats, and many preprocessing or postprocessing steps that may make it difficult for the user to carry out simulation, thus lowering the efficiency of the modeling process. Besides, commercial hydrological models usually cannot be modified or improved to be suitable for some special hydrological conditions in China. Some other hydrological models are open source, but integrated into commercial GIS systems. Therefore, by integrating hydrological simulation code EasyDHM, a hydrological simulation tool named MWEasyDHM was developed based on open-source MapWindow GIS, the purpose of which is to establish the first open-source GIS-based distributed hydrological model tool in China by integrating modules of preprocessing, model computation, parameter estimation, result display, and analysis. MWEasyDHM provides users with a friendly manipulating MapWindow GIS interface, selectable multifunctional hydrological processing modules, and, more importantly, an efficient and cost-effective hydrological simulation tool. The general construction of MWEasyDHM consists of four major parts: (1) a general GIS module for hydrological analysis, (2) a preprocessing module for modeling inputs, (3) a model calibration module, and (4) a postprocessing module. The general GIS module for hydrological analysis is developed on the basis of totally open-source GIS software, MapWindow, which contains basic GIS functions. The preprocessing module is made up of three submodules including a DEM-based submodule for hydrological analysis, a submodule for default parameter calculation, and a submodule for the spatial interpolation of meteorological data. The calibration module contains parallel computation, real-time computation, and visualization. The postprocessing module includes model calibration and model results spatial visualization using tabular form and spatial grids. MWEasyDHM makes it possible for efficient modeling and calibration of EasyDHM, and promises further development of cost-effective applications in various watersheds.     

分布式水文模型EasyDHM模型

介绍了自主开发的分布式水文模型EasyDHM的空间单元离散方式、主要理论模块及相应的模型软件系统MWEasyDHM。EasyDHM模型的空间离散采用自主开发的通用子流域划分算法,很大程度上扩展了分布式水文模型的通用性,支持多种产汇流算法,支持用户对主要产汇流参数的敏感性分析和参数优化,以优化模型模拟效果,开发了专门的洪水预报模块,支持洪水实时校正及多模型组合预报技术并在嫩江流域使用EasyDHM模型进行了应用验证。     

分布式水文模型EasyDHM模型（II）应用实例

本文介绍了分布式水文模型EasyDHM在汉江上游流域的应用实例。作者通过采用EasyDHM模型中的改进WetSpa产流模型、马斯京干汇流模型、LH-OAT敏感性分析方法、SCE-UA参数优化方法等，对汉江上游流域进行了水文模拟及参数率定。由参数敏感性及参数优化结果知，各产汇流参数敏感性随空间分布的不同有一定差异，而随着时间系列的延长其变化并不大，这不仅说明了按水文站进行参数分区的必要性，也说明在长系列水文模拟中，可仅对指定校正期进行参数优化。而参数优化后能较大程度提高水文模型模拟精度，则证实了参数优化的必要性以及本模型所选取参数优化算法的合理性。     

分布式水文模型EasyDHM在北江流域的应用

为了解决珠江流域咸潮上溯问题,需要在枯水期对流域水库群进行压咸调度。合理调度的前提是准确掌握流域的来水情况,以便在满足发电需要的基础上兼顾生态需要,特别是在枯水期。飞来峡水库是北江流域的重要水库,位于珠江流域下游,在流域抑咸调度中起到关键的作用。为了对飞来峡水库来水过程进行水文模拟分析,以分布式水文模型EasyDHM为基础,利用DEM、实测河网、土壤、土地利用及水文气象数据,构建了北江流域分布式水文模型。通过模型的参数率定以及验证发现,模型精度较高,可以很好的应用于流域水情形势分析;对飞来峡水库旬入库过程统计发现,枯水期来水量最小值出现在12月上中旬,这对于确定流域抑咸统一调度的最佳时期也有着重要的意义。     

分布式水文模型EasyDHM在玛纳斯河流域径流模拟中的应用

玛纳斯河流域作为新疆干旱区典型的内陆河流域,其年径流量主要来源于高山区融雪径流。掌握该流域的径流变化规律,对探讨该地区气候、水文及水资源、生态环境之间的联系以及预测未来山区径流的变化规律具有重要意义。以玛纳斯河流域作为研究对象,基于分布式水文模型EasyDHM(Easy Distributed Hydrological Model),利用DEM、实测河网、土壤、土地利用及水文气象数据构建玛纳斯河流域分布式水文模型研究该流域径流过程。通过模型参数率定及验证发现,该模型精度较高,验证期内各站点纳什效率系数均在0.75以上,说明EasyDHM分布式水文模型的泛化能力较好,可应用于该流域的水雨情势分析,为预防和减轻春季融雪型洪水灾害提供了理论依据。     

北京市漫水河流域山区洪水模拟研究

北京市山丘地区洪水具有汇流快、历时短、破坏强的特点,多发于夏秋季汛期,损失惨重。为此需建立水文预报系统,采用分布式水文模型(EasyDHM)和马斯京根汇流模型演算方法分别进行产、汇流计算,模拟再现漫水河站近几十年内发生的洪水事件。结果发现,率定期参数敏感性分析和优化之后的模型模拟精度有明显提高;验证期模拟洪水发生年份距离模型率定年份越近模拟效果越好,且模拟洪水的洪量模拟效果优于洪峰模拟。     

分布式水文模型EasyDHM(Ⅰ):理论方法

介绍了自主开发的分布式水文模型EasyDHM的空间单元离散方式、主要理论模块以及相应的模型软件系统MWEasyDHM。EasyDHM的空间离散采用通用子流域划分算法,很大程度上扩展了分布式水文模型的通用性。同时,它支持多种产汇流算法,还支持用户对主要产汇流参数的敏感性分析和参数优化,以优化模型模拟效果。     

分布式水文模型软件系统MWEasyDHM 简介

本文介绍了分布式水文模型EasyDHM模型的软件系统MWEasyDHM,主要由4个部分组成：（1）面向水文分析的通用GIS软件;（2）前处理模块;（3）模拟模块;（4）后处理模块。其中面向水文分析的通用GIS软件以开源GIS软件MapWindow为基础开发,并包括了其他模块所涉及的基本GIS功能;前处理模块包括基于DEM的水文分析组件,模型参数推求模块和降水量、气象数据插值模块;模拟模块提供了实时计算功能,能实时查看模拟结果;模型后处理模块包括了模型参数自动识别、运算结果统计分析及以表格、图表等方式对模拟结果的展示。MWEasyDHM的开发解决了分布式水文模型快速建模及率定的难题,并为将来升级开发及大范围推广应用奠定了基础。     

汉江流域分布式水文模型构建及应用研究

基于分布式流域水文模型EasyDHM,根据汉江流域不同区域的特点,运用长系列水文实测资料,建立了流域分布式水文模型。在汉江流域水文模拟基础上,分析了1980年、1995年和2000年土地利用情境下,流域气候条件和土地利用的变化对流域水资源响应关系。     

分布式水文模型EasyDHM模型(I)理论方法

目前分布式水文模型在实际应用中仍存在诸多困难，如：建模复杂、计算效率低和参数识别困难等，导致模型应用大多停留在专业科研领域，缺乏在实际水管理业务中应用。开发具有完全自主知识产权、适合我国特点、可以同时支持水资源管理和洪水管理、且操作简易的分布式水文模型及相应的软件系统既有很高长远价值，又有很强现实意义。本文介绍了自主开发的分布式水文模型EasyDHM的主要功能及建模过程。EasyDHM模型集成了许多新技术，如：基于DEM的快速建模技术、支持不同时空尺度的快速模拟技术、参数自动识别技术等，力图打造能够真正服务于实际水管理业务，功能强大而操作简便的易用型分布式水文模型。