遥感蒸散发数据应用对SWAT模型径流和蒸散发模拟精度的影响

为探讨遥感蒸散发数据补充研究区水文资料的能力,及其在SWAT模型应用中对径流和蒸散发模拟精度的影响。以淮河上游息县控制流域为研究区建模,并利用实测径流资料与遥感蒸散发数据(MOD16A2)设置3种参数率定情景:仅实测径流率定参数(S1)、仅遥感蒸散发率定参数(S2)、径流与蒸散发同时率定参数(S3),分析不同情景下径流与蒸散发过程的模拟效果。结果表明:从径流模拟而言,S2、S3较S1的模拟精度(NS系数)均有不同程度的降低,但S3在S2的基础上有较明显的改善;从子流域尺度上的蒸散发模拟而言,S1至S3模拟精度呈现出逐渐上升的趋势,在采用径流与蒸散发同时率定时,S3比S2情景NS系数上升的子流域个数占总数的46%。通过逐步深入探究遥感蒸散发数据在SWAT模型中的应用,以及对参数率定的影响,从而分析其对径流与蒸散发的模拟精度产生的变化,此方法也可推广到其他水文模型,在区域尺度水资源管理与利用上具有较好的参考价值。     

POS优化算法在SWAT模型参数优化中的应用

当前,分布式水文模型SWAT模型在国内水文模拟中应用较为广泛,但模型参数较多,人工经验设定参数存在工作量较为繁杂,且模拟精度不高的缺陷,为此本文引入POS优化算法,对SWAT模型参数进行批量优化,并以汤河西支流域为研究区域,结合区域实测水文数据,对比分析参数优化前后,对SWAT模型模拟精度的影响。研究结果表明： POS优化算法可实现SWAT模型参数的批量优化,相比参数优化前,参数优化后SWAT模型模拟径流深相对误差减少5.7%,流量过程拟合系数提高0.118。研究成果对于水文模型参数优化和自动率定提供参考价值。     

基于二元水循环的灌区分布式水文模型的应用研究

针对中国北方灌区的水文特点,在二元水循环理论的指导下,对自然流域水文模型SWAT进行了改进,构建了灌区分布式水文模型,改进了SWAT模型的灌溉水运动模块、稻田水分循环模块、稻田水量平衡各要素和产量模拟的计算方法,增加了渠系渗漏模拟模块等.以河南省人民胜利渠灌区为例,利用改进的SWAT模型对该灌区的水循环过程进行了模拟.为验证模型的有效性,选用Nash-Suttclife效率系数(纳西效率系数)E、线性回归系数R2来评估模型在校准和验证过程中的模拟效果.结果表明:该模型适合灌区水分循环的模拟.模型的构建和改进,对分布式水文模型在高强度人类活动影响区域的水资源、水环境研究和管理起到积极的作用,为灌溉水文学提供了新的研究方法.     

基于统计仿真和数据同化的流域水文过程模拟

针对模型参数率定计算负荷量和优化性能问题,以沙河流域为研究区域,基于分布式时变增益水文模型,通过PSUADE平台提供的响应曲面参数优化方法,结合误差纠偏的集合卡尔曼滤波数据同化算法,实现水文模拟的综合优化。利用流域出口流量观测作为验证数据,以纳西效率系数和水量平衡系数及其综合函数作为评价目标,借鉴响应曲面方法生成水文模型的统计仿真代理模型,对模型参数进行敏感性分析并缩小取值范围,利用全局优化方法实现参数率定。基于遥感蒸散发观测、借助集合卡尔曼滤波算法,进行水文模型的数据同化,实现流域径流过程模拟的有效校正。结果显示:借助统计仿真方法降低了参数率定的计算消耗;利用数据同化调整了模型模拟的轨迹,验证期水量平衡系数、纳西效率系数、综合评价指标分别达到1.102、0.798、0.152,整体径流模拟效果较好,蒸散发模拟结果同样得到改善。     

改进的SWAT模型在平原灌区的应用

针对平原型灌区人工-自然复合的水文循环特点,基于SWAT模型构建了山前平原灌区分布式水文模型。考虑平原灌区灌溉渠道、排水沟和河道等人工干扰,在沟渠河网的提取方法、子流域与水文响应单元的划分以及作物耗水量计算模块等方面对SWAT模型进行了改进。以汾河灌区为例,利用灌区1996-2001年的水文、气象及用水资料对水量平衡进行了模拟分析;以模拟效率系数、相对误差和线性相关系数3个指标为标准,对模型的敏感参数进行了率定, 并对2002-2006年的径流量进行验证模拟。研究结果表明,两处监测点的模拟结果基本满足模型     

不同潜在蒸发估算方法对黄土高原渭河径流模拟的影响研究

蒸散发是地表水文过程的重要环节,潜在蒸散发对水文过程模拟和预报具有重要影响。以渭河北道水文站上游作为研究区域,采用Penman-Monteith法和E-601型蒸发皿的潜在蒸散发数据(PET601)分别驱动SWAT模型,使用SUFI-2优化算法进行参数敏感性分析与模型率定、验证以及不确定性分析。结果表明,不同方法所得潜在蒸散发量值差异较大,都具有相似的年内分布,PET601法潜在蒸散发量低于Penman-Monteith法。使用PETP-M和PET601驱动水文模型模拟径流过程,结果显示这2种数据下的水文模拟精度较好,PET601法更适合黄土高原的渭河流域,潜在蒸散发的偏差对于水文模拟的影响由于模型参数的调整明显削弱很多。研究成果将在黄河流域生态保护中为区域蒸散发量的管理提供参考。     

两种水文模型在汤河流域水文模拟中的对比分析

本文分别引入分布式水文模型SWAT模型和VIC模型,以汤河流域为例,结合流域内二道河子水文站2000~2010年实测水文数据,对比分析不同分布式水文模型在汤河流域的适用性和模拟精度。基于分布式水文模型SWAT模型,通过设定2种气温变化情景模式,定量分析气温变化对流域径流影响。研究表明:SWAT模型模拟的径流深相对误差和确定性系数均好于分布式水文模型VIC模型,SWAT模型更适合于汤河流域水文模拟。研究成果对于汤河流域分布式水文模拟提供参考价值。     

遥感驱动的分布式实际径流模拟研究

以WBM/WTM(Water balance model/Water transport model)模型为基础,以遥感反演的月降水和月蒸发为主要数据源,开发了基于遥感的分布式水量平衡与传输模型(Remote sensing based Water balance/Water transport model,RSWB/WTM)。利用2002年-2007年的TRMM卫星的降水数据与2004年-2008年基于遥感反演的蒸散发数据,用该模型模拟了白洋淀流域阜平、中唐梅、紫荆关三个水文站的实际径流,对模型的模拟精度进行了评价。三个站的效率系数均大于0.54,其中中唐梅和紫荆关站的效率系数大于0.62。从R2来看,三个站分别是0.56、0.64和0.64。白洋淀流域水库、塘坝对实际径流的干扰较大,进而影响到了模型的模拟精度。另外,遥感反演降水与蒸发存在的不确定性也是影响模拟效率的原因之一。建立的完全以遥感为数据源的分布式水文模拟模型将为基于遥感的水资源评价提供新的技术手段。     

大凌河流域分布式水文模型的构建与运用研究

文中以大凌河大城子水文站以上流域作为研究流域,运用分布式水文模型SWAT模型,基于研究区遥感数据,并结合地理信息软件解译流域下垫面地理信息,获取SWAT模型的地理数据输入,选用大城子水文站2001-2010年日流量资料对模型进行了参数的率定和校验,并实现了研究流域径流深空间分布,基于构建的分布式水文模型,通过设定3种土地利用模式情景,定量分析不同土地利用模式情景对流域径流深的影响。研究结果表明:遥感数据可作为分布式水文模型SWAT模型的地理参数的输入,模型模拟精度可达到规范要求。     

数据同化对流域蒸散发过程模拟的影响研究

为研究数据同化系统对流域水文过程模拟特别是蒸散发模拟的矫正情况,构建一种基于时变增益水文模型和遥感蒸散发的确定性集合卡尔曼滤波同化系统。参照流域出口流量和子流域蒸散发观测分析水文过程的模拟精度。在时间过程和空间分布上探求流域蒸散发的模拟精度、变化过程和同化校准效应。结果表明,经过数据同化,时变增益水文模型的模拟精度在纳西效率系数和水量平衡系数2个指标上都得到提高;子流域尺度上蒸散发精度也得到改善。进一步分析发现,数据同化对极端气候和人类用水影响明显下的水文模拟实现了较为显著的修正。该方法具有潜在的实用价值,可作为水文过程模拟的备选工具。     

Application of SEBAL approach and MODIS time-series to map vegetation water use patterns in the data scarce Krishna river basin of India.

Evapotranspiration (ET) from irrigated land is one of the most useful indicators to explain whether the water is used as "intended". In this study, the Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) was used to compute actual ET from a Landsat7 image of December 29, 2000 for diverse land use in the Krishna Basin in India. SEBAL ETa varies between 0 to 4.7 mm per day over the image and was quantified for identified land use classes. Seasonal/annual comparison of ETa from different land uses requires time series images, processed by SEBAL. In this study, the Landsat-derived snapshot SEBAL ETa result was interpreted using the cropping calendar and time series analysis of MODIS imagery. The wastewater irrigated area in the basin has the highest ETa in the image, partly due to its advanced growth stage compared to groundwater-irrigated rice. Shrub and forests in the senescence phase have similar ETa to vegetable/cash crops, and ETa from grasslands is a low 0.8 mm per day after the end of the monsoon. The results indicate that wastewater irrigation of fodder and rice is sufficient to meet crop water demand but there appears to be deficit irrigation of rice using groundwater.     

应用分布式水文模型优化黑龙港及运东平原农田灌溉制度Ⅰ：模型参数的率定验证

为了应用分布式水文模型优化该地区的农田灌溉制度,本文首先运用洗牌复形演化(SCE-UA)算法在曲周和吴桥两个试验站对分布式水文模型(SWAT)中的作物参数进行了率定,接着以遥感监测实际蒸散(ETa)数据为目标,在该区域应用拉丁超立方-单次单因素(LH-OAT)方法对SWAT模型中的参数进行敏感性分析,选出了对ETa最敏感的参数,用序贯不确定性(SUFI-2)算法优化出一套参数范围,最后对冬小麦-夏玉米轮作体系产量的长期模拟结果进行了验证。这些参数率定和模拟验证的结果为进一步深入研究该地区节水农业中的水分生产函数和优化灌溉制度奠定了基础。     

陕西卤泊滩改良盐渍农田实际蒸散发估算方法比较

蒸散发是能量循环与水循环的结合,准确测定与估算区域蒸散发对水资源规划与管理、农业节水研究、作物产量模拟等方面具有重要的现实意义。以陕西省富平县改良盐渍农田为研究对象,以涡度相关法的实测资料为基准,采用Hargreaves-Samani法(HS法)、修正的彭曼-蒙蒂斯法(P-M法)、Priestley-Taylor法(P-T法)估算盐渍农田实际蒸散量,比较并检验了在不同时间尺度,不同生育期,不同天气条件下这些估算方法的精度,以期为类似盐渍农田蒸散量估算提供借鉴。计算结果表明:在研究期内,P-M法估算效果最优,P-T法次之,HS法效果较差,且精度允许范围内,从计算方法的繁简与需求资料难易角度考虑,P-T法较P-M法更适合。     

Impact of Land Use Change on Hydrologic Processes in a Large Plain Irrigation District

Land use is the main factor that influences catchment hydrologic processes, and a better understanding of its effect is important for future land use planning and water resource management. By applying the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), we assessed the effects of land use changes on major hydrologic processes (evapotranspiration (ET), discharge, river) on a large plain irrigation district, the Hetao Irrigation District (HID), China. The results indicated that SWAT was a useful tool for simulating the effects of land use changes on regional hydrologic processes. Human activities were the main factors that directly influenced land use in the HID. Land use changes had important impacts on the hydrologic processes of the HID. During 1995–2010, the land use changed greatly in the HID, leading to the changes in ET and discharge. The peak value of ET coincided with the exuberant crop growth period in the maximized sown crop area. In 1995s, wheat maximized the sown area and ET peaked in June; when sunflower and corn maximized the sown area in 2010s, ET peaked in July and August. The increased ET reduced discharge in the same period in the HID. Land use change affected the period and quantity of water diversion in the irrigation district. The quantity of water diverted in 1995 was greater than that in 2010, indicating that land use change significantly impacted the water quantity of the river, which was the water source of the irrigation district. This study will be a reference for future land use planning and water resource management in the irrigation district.     

基于多源遥感数据和水量平衡原理的灌溉用水量分析

农业灌溉水量估算和区域农业用水的校核是用水统计、监管的难点。现行基于典型调查和定额推算的方法依赖统计人员经验,易受人为因素干扰,准确性难以控制;采用基于水量平衡的灌溉用水推算方法时,区域蓄水变量和耗水量等要素仅依靠传统地面监测条件难以获取。遥感技术能够解决水量平衡方程中区域蓄水变量和蒸散发的估算问题,可以提高水量平衡方法在计算灌溉用水中应用的可行性,但大多数遥感产品存在区域适用性和精度的问题,需要将多种产品结合,通过相互校验和组合控制误差;此外,遥感产品与水量平衡要素之间还存在一定程度的概念差异,需要进行匹配与转换。本文构建了一种基于多源遥感数据和水量平衡原理的灌溉用水分析方法,利用区域水量平衡方程检验多源遥感数据的一致性和可靠性,建立遥感数据与水量平衡要素的对应关系,选取合理的区域蒸散发数据,再利用田间水量平衡将总蒸散发分解为降水蒸散发和灌溉蒸散发,推算得到灌溉耗水量和灌溉用水量的合理范围。应用本文提出的方法进行山东省济南市2012—2015年灌溉用水分析,并与济南市水资源公报统计的农业用水进行对比,结果表明:在降水量接近多年平均的2012、2013、2015年,二者结果较为接近;在干旱的2014年,本文的分析结果与公报结果相差较大。结合同期农田作物长势、区域地下水位变化分析,认为该年份存在较大的灌溉用水,本文结果比较合理。本文方法可为校核区域灌溉用水统计数据的合理性提供技术支撑。     

喀斯特山区蒸散发的时空变异特征分析——以贵州省为例

掌握喀斯特山区蒸散发的时空变异特征,为水资源的合理规划和优化配置提供科学依据。利用MODIS16遥感数据,在数据精度验证的基础上,运用GIS统计法、变异系数法和线性趋势法,探讨2000—2014年贵州省蒸散发的空间格局、年际和年内变化规律及不同土地覆被类型下的蒸散发特征。结果表明:(1)2000—2014年,贵州省实际蒸散发(ET)多年平均值为850.36 mm,呈西低东高,南高北低态势;潜在蒸散发(PET)多年平均值为1 473.58 mm,呈东北向西南递增态势。不同土地覆被类型下ET最大的是林地,而林地的PET最小。(2)PET年际变化率为3.88 mm/a,呈弱增加趋势;ET年际变化率为0.39 mm/a,基本保持稳定,表明贵州省水资源呈减少趋势,具有干旱化倾向。ET空间上呈东、西部减少、中部增加趋势,PET呈东、南和西三面减少、北部增加趋势。(3)ET和PET均呈单峰型。ET在7月最大,PET在6月最大,二者均在12月最小。二者在3—6月差距最大,为贵州省春旱和夏旱时期。不同土地覆被类型下ET和PET均呈单峰型,植被生长季节ET差距大,林地增长速度最快,植被成熟期PET差距最大。(4)ET和PET具有较强的季节性。ET季节性空间差异非常显著,在于林地的植被蒸腾作用对全年ET贡献较大。     

Regulated deficit irrigation (RDI) to save water and improve Sauvignon Blanc quality?

With a fast change of land use in Marlborough from extensive pastoral farming to intensive irrigated viticulture, a need has risen to investigate the sustainable use of the available water. In 2001 a 5 ha irrigation research project was installed in a Marlborough Sauvignon Blanc vineyard. Irrigation treatments installed were control (compensate 100% for crop evapotranspiration (ET(O)), 80%, 70% and 60% of ET(O). During the two years that the Regulated Deficit Irrigation (RDI) trial has run so far, very different climatic conditions created much greater differences in yield and vegetative growth, than up to 40% reduction in irrigation, none of which were significant. The use of sap flow in the vines has been fine-tuned and is now giving reliable results on which to base vine water need.     

Relating Trends in Streamflow to Anthropogenic Influences: A Case Study of Himayat Sagar Catchment,India

Catchment development has been identified as a potentially major cause of streamflow change in many river basins in India. This research aims to understand changes in the Himayat Sagar catchment (HSC), India, where significant reductions in streamflow have been observed. Rainfall and streamflow trend analysis for 1980–2004 shows a decline in streamflow without significant changes in rainfall. A regression model was used to quantify changes in the rainfall-runoff relationship over the study period. We relate these streamflow trends to anthropogenic changes in land use, groundwater abstraction and watershed development that lead to increased ET (Evapotranspiration) in the catchment. Streamflow has declined at a rate of 3.6 mm/y. Various estimates of changes in evapotranspiration/irrigation water use were made. Well inventories suggested an increase of 7.2 mm/y in groundwater extractions whereas typical irrigation practices suggests applied water increased by 9.0 mm/y, while estimates of evapotranspiration using remote sensing data showed an increasing rate of 4.1 mm/y. Surface water storage capacity of various small watershed development structures increased by 2 mm over 7 years. It is concluded that the dominant hydrological process responsible for streamflow reduction is the increase in evapotranspiration associated with irrigation development, however, most of the anthropogenic changes examined are interrelated and occurred simultaneously, making separating out individual impacts very difficult.     

河北省潜在蒸散量变化特征及主导因子辨析

潜在蒸散量(ET_0)是地球表面水循环研究及水资源规划管理中重要因素,明确其变化规律及特征对区域水资源利用及农业生产布局有重要意义。根据河北省及周边地区1960—2018年24个典型气象站点逐日气象数据,利用Penman-Monteith模型、偏相关分析、敏感性分析、M-K检验法及空间插值法分析了河北省潜在蒸散量(ET_0)时空分布特征。结果表明:(1)59a来河北省ET_0平均值为1077.13 mm,平均下降幅度为-2.31 mm/10a,整体呈由西向东、由南向北减少趋势。(2)偏相关分析与敏感性分析表明,RH(平均相对湿度)、WS(风速)和SH(日照时数)对年均ET_0变化影响程度较大;WS、SH与年均ET_0变化趋势一致,而RH与年均ET_0变化趋势相反;RH、HT(日最高气温)、SH是影响ET_0变化的敏感因子,而AT(平均气温)及LT(日最低气温)则为相对不敏感因子。(3)河北省年平均ET_0变化的主导因子为SH,其次为WS;主导因子随季节变化有所差异。春季SH主要影响偏北部地区,WS集中影响中部及偏东部;夏季SH大致影响河北省全境;秋季河北省偏北部地区主要受RH影响,中东部及偏南部地区主要受WS影响;冬季河北省大部分地区受SH影响。研究成果可为河北省水资源的优化配置及农业发展提供一定理论支撑。