基于贝叶斯理论的SLURP水文模型参数不确定性评估及日径流模拟分析

为探讨贝叶斯理论在水文模型参数不确定性中的应用效果,以三峡库区兴山水文站以上的香溪河流域及其中的两个子流域1991～1995年日径流资料为研究对象,基于马尔科夫蒙特卡洛算法研究了SLURP水文模型参数及水文模拟的不确定性。结果表明,SLURP水文模型中深层地下水的截留常数、最大入渗率、浅层土壤的蓄水容量和深层地下水的初始百分比4个模型参数的不确定性较低;日模拟径流量95%不确定预测区间对实际观测数据的包括率为14.84%,平均相对区间宽度为1.27;径流模拟不确定性主要的贡献组分为壤中流,且子流域水平上的径流模拟不确定性在子流域汇流过程中发生了累积;两个子流域基流模拟的差别不大,其不确定性随时间逐渐降低。     

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-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SDSM-SWAT模型的汉江上游径流变化模拟

为分析汉江上游流域径流对气候变化的水文响应过程,耦合了SWAT水文模型和SDSM降尺度模型,选用石泉和黄家港水文站1990～2005年历史月径流资料,对水文模型进行率定和验证,并将2011～2100年CanESM2模式下低等排放情景(RCP2.6)和高等排放情景(RCP8.5)两种情景输出因子降尺度到汉江上游流域各站点,生成未来气候情景数据,模拟流域未来气候变化下的径流响应过程。结果表明,SWAT模型在该流域径流模拟中具有很好的适用性;未来流域径流会呈现增加态势,RCP8.5情景较RCP2.6情景变化剧烈,且未来各月径流相对基准期变化更加剧烈,这为流域水资源管理与保护提供了参考与支持。     

非一致性条件下黄河流域水文特征时空变异规律分析

精准识别由变化环境所导致的“水文一致性”的水文极值变异特征，对流域防洪、抗旱等具有重要实践意义。因此，以径流显著减少的黄河流域为例，首先，采用Mann-Kendall突变检验和一元线性回归方法，精准识别黄河干流径流的突变性和趋势性特征；其次，采用13种水文指标，揭示非一致性条件下流域水文特征的时空变异规律。结果表明，唐乃亥、头道拐、花园口、利津站的年径流量分别以27.46、105.75、172.20、141.37 m³/(s·10a)的速率逐年递减，且其突变年份分别为1989、1992、1992、1984年；径流变异前后，13种水文特征值在时空尺度上变化不一，且中游改变程度大，源区小。研究结果对于流域水资源开发利用方式的确定提供重要理论支撑。     

改进的SIMHYD模型在黄河源区高寒气候的适应性研究

气候变暖使得区域水文循环过程加快,尤其在高纬度、高海拔地区,温度升高将使积雪、冰川融水量增加,这将给高寒区的水资源管理带来一定的挑战。以黄河上游的高寒气候区为研究对象,先采用5年滑动平均法从流域干燥指数(P/P_(ET))序列中识别出流域水资源最枯、最丰时段;然后,采用度日因子方法耦合SIMHYD模型,提出一种改进的SIMHYD模型(简称SIMHYD_snow模型);最后,对比评估SIMHYD_snow与传统SIMHYD模型的水文模拟过程,并揭示二者在月尺度水资源量评估上的差异。结果表明,黄河源区水资源整体呈"由丰转枯再转丰"的时程变化特征,1990年代最枯;改进的SIMHYD_snow模型显著提高了非汛期水文模拟精度,且湿润期更优;传统SIMHYD模型低估了非汛期的径流量,高估了汛前径流量。研究结果可为高寒气候区流域水资源量的精准评估提供重要的支撑。     

目标函数不确定性对汉江安康以上流域水文模拟的影响

不同优化算法和目标函数组合将导致不同的模拟结果,进而影响流域水文预报精度。通过设定不同目标函数组合方案,对比汉江上游安康以上流域在多目标优化算法(NSGA-Ⅱ和MOPSO)下对HyMod模型性能评估的影响,并识别季尺度目标函数统计规律与模拟精度的本质联系。结果表明,NSGA-Ⅱ算法更适合于汉江流域(年尺度、季尺度模拟精度更优);模拟值与实测值的拟合误差控制函数和高流量误差控制的函数(F_2、F_3)为多目标模型参数校准的首选目标函数,其重要性大于水量模拟的误差控制函数和枯水流量的误差控制函数(F_1、F_4)。     

无资料地区水文预报(PUB)不确定性研究

针对无资料地区的水文过程模拟采用流量历时曲线率定法实现水文模型参数区域化,避开建立模型参数与流域特征值之间的相关关系,以流量历时曲线作为水文模型的拟合目标率定无资料地区参数.通过基于GLUE法的不确定性分析发现,相对于参数相关法,流量历时曲线率定法预报的不确定性对似然临界值取值更敏感,在高似然区不确定性更小,在低似然区则相反;优化调参通常更关注高似然区,因而应用流量历时曲线率定法推求无资料地区参数效果更好.     

变化环境下北京清水河流域径流响应研究

为辨析北京市清水河流域在变化环境下径流量的变化情况,利用分布式水文模型(WEP-L)模拟流域水文过程,利用模型计算结果分析气候(气温、降水)和土地利用类型发生变化的情况下清水河流域径流响应情况。结果表明,汛期降水减少和气温升高导致年径流量显著减少;气候变化是流域径流量减少的主要原因;在气温不变的情况下,随着降水的减少,径流量减少的量逐渐变小,但减少率增大;降水不变的情况下,径流量随着气温升高先增加后减少,减少率变化不明显;降水减少是径流量减少的主因。研究成果可为水资源开发管理和土地利用的合理规划提供依据。     

土地利用与气候变化对洛河流域径流的影响

流域径流量受到土地利用和气候变化的共同影响,但大多数研究仅关注未来气候变化对径流量的影响,忽略了未来土地利用变化对径流量的影响。利用CA-Markov模型定量模拟流域未来土地利用类型并结合气候变化类型,采用SWAT分布式水文模型通过情景分析法模拟未来变化环境下流域的径流响应。结果表明,SWAT模型在洛河流域具有良好的适用性;未来流域土地利用呈现建设用地快速增加、耕地减少的趋势,这一趋势使径流量增加;径流量的变化与降雨变化呈正相关,与温度变化呈负相关。可见土地利用和气候变化对径流的影响呈现非线性协同作用。     

基于SUFI-2算法的SWAT模型在修水流域径流模拟中的应用

为在江西修水流域高沙水文站以上汇水区域构建SWAT分布式水文模型,采用SUFI-2算法进行模型参数敏感性分析、率定、验证及不确定性分析,对修水流域1984~2003年月径流量过程进行模拟。结果表明,敏感度最强的前三个参数依次为土壤饱和导水率、土壤蒸发补偿系数和径流曲线数;率定期与验证期的纳什系数ENS值和相关系数R2值均高于090,月径流量模拟值与实测流量过程线拟合程度较好;95PPU置信区间的模拟值和实测值较为一致;不确定性区间较小,验证期小于率定期;实证了采用SUFI-2算法的SWAT模型在修水流域月径流模拟中具有一定程度的适宜性。     

关于北方地区水资源模拟方法的探讨

以永定河山区为算例,对北方地区的水资源模拟进行了研究。首先运用分布式水文模型计算了天然径流量,其次通过用水户的供、用、耗、排关系建立了水资源模拟模型,并计算了主要控制断面的径流量和用水户的需水量以及用水量、缺水量以及供水工程的蓄水量、供水量、弃水量等指标。通过模拟计算表明,干流河道控制断面的计算径流量与实测径流量基本吻合,支流河道有一定的偏差。     

基于多模型的黄河源区径流极值情景预测

基于HadCM3提供的未来情景,采用HBV模型、新安江模型、TOP模型和径流极值的评估方法,分析和预测了气候变化下黄河源区径流量的变化情况。结果表明,三个模型均能较好地模拟黄河源区唐乃亥站的历史径流系列;在A2和B2情景下,黄河源区未来多年平均径流量呈减少趋势,径流年内分配的变化表现为夏、秋季节的径流量显著减少,而冬、春季节的径流变化趋势随水文模型的变化而变化;未来高流量事件的发生频率呈减少趋势,洪水强度可能会进一步缓和,而冬季低流量事件频繁发生的可能性增加。     

地下水模型参数不确定性对晋祠泉流量预测的影响

鉴于地下水数值模拟模型预测结果受参数不确定性的影响较大,故以晋祠泉域岩溶地下水系统为例,在建立研究区地下水流数值模型的基础上,选择研究区水文地质参数为代表参数,利用GLUE方法进行初步敏感性分析得出对晋祠泉流量预测最敏感的参数为渗透系数,并筛选出167组较优渗透系数组合,再通过其与不同气象和压采条件下的六个方案的结合进行模拟预测,从而定量分析渗透系数的不确定性对晋祠泉流量预测的影响。结果表明,整体上模型参数的不确定性对泉流量预测产生了较大影响,在开采量大且补给量较小的条件下影响最大,在压采且补给量大的条件下影响最小,但仅压采或仅补源并非加快晋祠泉复流的有效措施。     

未来气候情景下兰江流域径流响应模拟

通过耦合SWAT水文模型和SDSM统计降尺度模型,研究全球气候变暖背景下兰江流域未来气候及其径流响应。选用2008～2019年兰溪水文站径流资料建立月尺度SWAT模型,将2030～2100年CanESM2模式RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5三种情景数据降尺度到兰江流域各气象站点,生成未来气候数据并输入到已校准的SWAT模型,模拟未来气候变化下的径流响应。结果表明,未来兰江流域径流呈上升趋势,RCP8.5情景增幅最大,RCP2.6情景次之,RCP4.5情景涨幅最小。各时段年径流量呈不同变化趋势,RCP2.6情景下为增至峰顶后稳定,RCP4.5情景下为增至峰顶后减少,RCP8.5情景下为持续上升态势。     

盱江流域径流模拟及其对气候变化的响应

为研究盱江流域径流对气候变化的响应,构建了基于SWAT的分布式水文模型。采用SUFI-2法对SWAT模型的参数进行率定和验证。率定期和验证期的决定性系数R2和纳什系数Ens均大于0.9,模型在该流域的适用性较好。在SWAT-CUP中引入参数标识符建立49种气候情景(温度升高或降低1～3℃,降水增加或减少10%～30%)并代入模型中模拟径流。结果表明,温度与径流呈弱负相关;降水与径流呈强正相关;温度对径流的影响远小于降水对径流的影响。为直观表达降水-温度-径流量的关系,模拟三者空间平面关系函数,其决定性系数R2约等于1、和方差为0.000 647 4、均方根误差为0.003 752,降水-温度-径流的关系可用平面函数表达。     

TOPMODEL模型在长江上游无资料地区的水文模拟

针对无资料地区水文模拟精度不高的问题,以长江上游李庄、朱沱、寸滩、宜昌四个子流域为例,假定其中一个流域无实测资料,其余流域为参证流域,分别选择TOPMODEL模型和新安江模型,以多目标算法MOCSCDE进行模型参数率定后,移用于无资料流域,开展水文模拟研究工作与结果分析。结果表明,TOPMODEL模型径流模拟结果与实际具有更高的拟合度,更适用于无资料情况下的流域水文模拟,为TOPMODEL模型在无资料地区的应用提供一定依据。     

新安江模型在土壤侵蚀模拟中的应用

以淮河上游大坡岭水文站以上为研究流域,将新安江模型与修正通用土壤流失方程耦合,构建基于网格尺度的流域坡面泥沙负荷计算模型,结合河道泥沙输移计算模型,实现流域径流量、泥沙负荷时空变化全过程模拟.应用2000～2008年实测日降水、日蒸发、日流量和日含沙量等资料,以日为时间尺度模拟计算了大坡岭站的径流量和泥沙负荷.结果表明,新安江模型可成功应用于淮河流域水土流失预报,扩展了新安江模型的应用领域,对从源头控制淮河流域上游水土流失和面源污染、水土资源的可持续开发和利用具有一定的指导意义和参考价值.     

调和算法在水箱模型参数自动率定中的应用

针对水文概念性模型参数率定复杂且模型专业性强,应用传统的人工试错方法寻找最优参数组合时工作量大、耗时长、成本高,提出了一种新型的启发式算法--调和算法,实现了对一维水箱模型的参数自动率定,并运用该算法对闽江流域邵武站历年径流量进行了数值模拟.结果表明,该算法自动率定水文模型参数效率很高,获得的年径流量模拟结果较好.     

基于CMIP5变化条件下的清江流域径流响应研究

为预测气候变化和土地利用变化条件下清江渔峡口站以上清江流域未来径流变化情况,首先建立SWAT模型,采用CMIP5三种模式下2016~2100年月降水情景数据,经降尺度后预测月径流。结果表明,未来年内最大月降水和月径流出现时间提前1~2个月,经Mann-Kendall(M-K)检验,降水和径流在2016~2100年间均呈整体增强趋势,但在2016~2035年内的降水和径流量均较历史时期(1990~1999年)低。在空间优化配置土地利用情景下的平均年径流量相对基准期年径流的变幅较现有土地利用情况下有所减小。研究成果对长江防洪、梯级电站调度工作有积极意义。     

基于MMS/PRMS的分布式水文模型构建及其应用

介绍了MMS的建模思路,探讨了MMS模型库中PRMS模型的基本结构和水文学原理以及模型的运行控制方式.基于MMS中的PRMS模型构建了一个分布参数的流域水文模型,并应用于黄河流域洛河水系卢氏以上流域的日径流模拟.研究结果表明,构建的模型能较真实地模拟卢氏以上流域径流量,能满足水资源管理的应用之需.