物理性流域水文模型研究新进展

在计算机、空间观测等相关学科发展的推动下，物理性流域水文模型目前己成为流域水文模拟研究的重要发展方向。国内外很多学者通过一些新理论、新方法的应用，促进了物理性水文模型的研究，同时也使它成为了一个充满机遇和挑战的活跃领域。传统的物理性流域水文模型以数值求解控制水流运动的偏微分方程组为基本手段，存在模型应用尺度和方程适用尺度不匹配的尺度问题。为了解决这一问题，学者们开展了大量的思考和研究，同时也构成了当代水文学理论研究的中心内容，目前在物理性流域水文模型方面的研究可以归结为3个代表性的发展方向：在物理性和计算效率之间取得平衡的准物理性水文模型、基于不规则网格的物理性水文模型以及直接在宏观尺度建立数学物理方程的尺度协调的物理性水文模型。     

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。     

面向分布式水文模型的汉江流域空间离散化方法

深入分析了分布式与半分布式水文模型的空间离散化方法,结合多种方法的优点对汉江流域下垫面信息进行离散化处理,既综合了子流域和地貌单元反映地形特征的优势,又引入"马赛克地块"面积分布函数,简单有效反映了不同植被覆盖影响.同时,为每个计算单元都进行了含有拓扑信息的编码,高效组织了众多空间数据,便于计算机自动处理,缩短计算时间.为构建分布式水文模型时尽可能全面反映下垫面空间异质性同时又尽可能少的引入参数打下了坚实基础.     

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。     

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。     

空间嵌套式流域水文模型的初步研究——以三峡水库入库洪水预报为例

三峡水库的防洪调度是多任务和多目标的,既需要掌握整个长江上游的水、雨和工情,也不能忽视三峡区间洪水信息。本论文以三峡水库入库洪水预报为例,依据入库洪水特性,在整个长江上游和三峡区间分别构建了大小两种尺度网格单元的分布式水文模型,并与一维和二维非恒定流的库区水动力学模型相结合,初步实现了这两种尺度水文模型的空间嵌套,以此探讨适合于大型流域数字水文模拟的空间嵌套式流域水文模型结构与构建方法。研究初步表明,嵌套模式构建的流域水文模拟方法,能够解决大流域水文模拟中多尺度之间的衔接问题。     

稀缺资料流域水文计算若干研究:以青藏高原为例

稀缺资料流域水文计算是长期困扰国际水文学界的难题之一,其根本难点在于降雨径流过程的复杂性、流域下垫面与气象要素的时空变异性以及人类对流域水循环规律认知水平的局限性。本文从稀缺资料流域的类型、缺乏降水和径流观测数据的水文计算研究等方面综述了稀缺资料流域水文计算的研究进展。以我国水文气象资料最为稀缺的青藏高原为例,结合水文综合模拟系统(Hydro-Informatic Modeling System,HIMS)在水情预报中的应用,阐述了稀缺资料流域的水文计算方法,包括卫星遥感降水产品的水文模拟能力评估、基于日平均径流数据推求瞬时洪峰流量、洪水调查数据的区域综合和水文模型参数移植等研究,展示了稀缺资料流域水文计算的相关研究进展。     

流域水文模型不确定性研究进展

流域水文模型不确定性显著影响模拟结果的精度,科学分析流域水文模型的不确定性是实际应用过程中的重要环节,对流域水污染科学管理具有重要意义。针对不确定性的分类,着重对近年来流域水文模型在输入数据、参数以及结构方面的不确定性研究进行总结,概述每种不确定性的来源及影响,并从降低流域水文模型不确定性的角度展望未来的研究重点和方向：(1)空间输入数据具有尺度效应,应权衡好模型尺度与计算量、精度的矛盾;(2)优化多源数据融合算法,提高降水数据的完整性和准确度;(3)探究参数动态变化和空间异质性对参数组合的影响;(4)推动并行和集群等高算力手段在多模型耦合模拟中的应用。     

考虑水土保持措施的水文水力耦合模型研究

基于栅格型DEM数据,提取数字水系和空间拓扑信息,在考虑流域水保措施的情况下,建立了水文学水力学相耦合的适用于黄土干旱区小流域的分布式水文模型。以黄河无定河水系岔巴沟流域为例,应用分布式水文模型对该流域1970年~1989年11场洪水进行了流量过程模拟。结果表明：计算结果与实测值基本吻合,一定程度证实了所研制水文模型结构、参数和计算方法的合理性。     

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。     

长江上游大尺度分布式水文模型的构建及应用

针对面积达100万km2的长江上游流域，依据100m网格的数字高程模型DEM，基于流域的地貌特征原理，构建了10km网格的大尺度分布式水文模型。在建模过程中尽量利用相关的地理信息描述长江上游地区下垫面特点及其空间变化，并采用次网格参数化方法处理大网格内水文参数的非均一性。继而完整地模拟了1961～2000年的水文过程，结果表明，模型不仅较好地再现了河道的径流过程，而且能同时获得径流深、蒸散发和土壤含水率等水文要素在流域空间上的分布及其变化。     

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SVAT模型的喀斯特地区水文过程尺度效应研究

水文模型尺度效应是水文学研究的前沿问题,为深入探索水文模型的空间尺度效应,本文采用耦合遥感数据的 SVAT 模型,分别在研究区—区县单元—小流域三个不同量级的空间尺度,基于蓝水绿水视角,对贵阳市非城镇地区的水文变化过程进行模拟,结果表明：在降水量保持不变的情况下,随着植被覆盖度的不断增加,三个不同空间尺度的生态绿水量均呈线性增长趋势;渗漏量在区县和小流域空间尺度,产生了少量异常值,但均为小数点第三位之后的微小波动;水文变化趋势总体上表现出良好的一致性;SVAT 模型对研究区水文变化过程的模拟,尺度效应影响较为有限。     

河流生态修复的尺度格局和模型

通过分析水文过程与生态过程的耦合特征，论证了流域尺度是编制河流生态修复规划的适宜尺度。讨论了景观空间异质性与物种多样性的相关关系，提出了在流域和河流廊道两种尺度上改善景观格局配置的方法。特别指出了在河流廊道尺度下提高景观空间异质性的两个要点，一是增强地貌学意义上的空间异质性，二是改善生态水文学和生态水力学意义上的水文、水力学条件。本文还介绍了景观格局分析方法和景观格局-生态过程模型。     

基于空间信息技术的六股河流域河网水系提取

快速有效地获取河网水系特征信息对于流域水文分析具有重要的意义。为此,选取辽宁省六股河流域作为研究对象,以30 m空间分辨率的数字高程模型(DEM)作为基础数据,采用美国ESRI公司开发的地理信息系统软件ArcGIS,对该流域的水流方向、累积汇流栅格、河网水系等基础信息进行了提取研究。将河网提取结果与国家基础信息中心提供的1∶4 000 000河流水系基础资料进行对比,提取结果的干流河网段与实际水系形态特征较为吻合,提取的流域面积与实际流域面积相差1.99%,表明空间信息技术应用于六股河流域水文基础信息提取是可行的,可为流域水文模拟、数字流域建设等研究提供基础数据支持。     

南水北调中线受水区分布式水文模型子流域划分研究

从空间尺度上对分布式水文模拟进行了分类,提出了区域分布式水文模拟的概念.根据区域分布式水文模拟的特点,提出了针对不完整流域进行分布式水文模拟时,研究范围的确定原则.同时通过引入流域入口点,实现了一种基于Pfafstetter编码规则的区域分布式水文模型子流域划分方法,并成功应用到南水北调中线受水区.另外,在该方法中还包括了对狭长子流域的进一步自动细分及根据水文站、水库位置进一步细分子流域的功能.     

分流量区间BMA方法在小流域暴雨山洪模拟中的应用——以官山小流域为例

小流域山洪灾害具有成灾时间短、突发性强、危害性大、频次多等特点,严重威胁着区域内社会经济发展和人民群众生命财产安全。受当前山区雨洪资料少、产汇流机理不够完善所限,小流域的暴雨洪水模拟存在着可靠性差、精度低的问题。以我国中部秦巴山区山洪灾害典型流域官山小流域为研究对象,搜集了近期代表性较好的10场洪水,以TOPMODEL、TUWMODEL和新安江模型结果为基础,基于分流量区间BMA方法计算模型权重,提出适用于小流域的水文集合预报模型。结果显示,相比单一水文模型,分流量区间BMA方法模拟的洪峰流量、洪量和峰现时间指标的合格率可分别提高4.5%、39.7%和48.9%,为官山小流域洪水模拟提供了一种有效的模拟手段。研究成果对提高山区小流域洪水预报精度具有一定的理论意义和实践价值。     

变参数PDS/GP模型及其在洪水频率分析中的应用

传统的洪水频率分析模型一般假定研究区域是完全均质的,未能考虑分布函数参数会随协变量而变化,忽略了水文序列时空上的异质性。本文将广义Pareto(GP)分布函数的参数作为随机变量,利用自动阈值法确定独立样本的超定量系列(PDS),并将线性矩法和核回归法相结合估计含协变量的模型参数,从而构建了可考虑水文序列时空分布异质性的变参数PDS/GP模型。丹江口水库实例研究表明:定参数模型的尺度参数估计值和设计洪水预测值均在变参数PDS/GP模型的估计区间内,这说明本文提出的变参数PDS/GP模型能够更好地反映参数变化对模型不确定性的影响。而且,变参数PDS/GP模型的估计区间随重现期的增大而变宽,表明频率分析外延存在较大的不确定性,有必要考虑丹江口水库水文序列时空分布的异质性。     

城市流域径流峰值对降雨时空异质性的响应

基于高时空分辨率的降雨产品,采用RainyDay暴雨生成器生成具有不同时空分布情景和降雨历时的设计降雨,通过分布式水文模型GSSHA模拟分析径流峰值对降雨时空异质性的响应规律,结合协方差分析方法和所构建的降雨时空异质性指标体系,定量研究不同降雨时空异质性指标对径流峰值的影响。结果表明:耦合短时序(2008—2016年)栅格降雨数据和RainyDay暴雨发生器,可以生成与实际降雨时空分布相似的流域设计降雨;降雨时空异质性对径流峰值具有显著的影响,其影响比降雨历时和降水量对径流峰值的影响大;雨峰系数、降雨集中度、1 h最大降水量对径流峰值的影响较大,其中雨峰系数的影响随着降雨历时或降雨重现期增大而减小,而降雨集中度则相反。