基于GPU加速的分布式水文模型并行计算性能

针对具有物理机制的分布式水文模型对大流域、长序列模拟计算时间长、模拟速度慢的问题,引入基于GPU的并行计算技术,实现分布式水文模型WEP-L（water and energy transfer processes in large river basins）产流过程的并行化。选择鄱阳湖流域为实验区,采用计算能力为8.6的NVIDIA RTX A4000对算法性能进行测试。研究表明：提出的基于GPU的分布式水文模型并行算法具有良好的加速效果,当线程总数越接近划分的子流域个数（计算任务量）时,并行性能越好,在实验流域WEP-L模型子流域单元为8712个时,加速比最大达到2.5左右;随着计算任务量的增加,加速比逐渐增大,当实验流域WEP-L模型子流域单元增加到24897个时,加速比能达到3.5,表明GPU并行算法在大尺度流域分布式水文模型计算中具有良好的发展潜力。     

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。     

黄河流域水量水质综合模拟与评价

在分布式水文模型(WEP-L)的基础上,建立了流域水量水质综合模拟模型。提出了基于综合模拟模型的水量水质联合评价方法,并首次从"断面水"和"片水"两方面综合评价流域水资源的数量与质量。结果表明:黄河流域的"片水"水质状况要优于"断面水"水质情况。     

一种改进的参数区间选取方法及在WEP-L模型中的应用

分布式水文模型由于参数众多,各参数之间不能完全独立,在参数自动率定中存在部分参数的优选过程相互抑制情况。以WEP-L(Water and Energy transfer Process in Large river basins)分布式水文模型为例,基于GLUE算法推求模型参数的后验分布,将参数全局敏感性分析的Sobol方法与概念性水文模型的参数区间优选方法相结合,给出了在较少参数采样次数条件下分布式水文模型不完全独立的多参数自动优选方案,并在白河流域进行了应用。结果表明:(1)用GLUE算法推求参数后验分布,结合Sobol分析及参数的区间优选方法,可对WEP-L实现参数自动率定,模拟精度能达到0.633;(2)将Sobol全局敏感度分析与参数的区间优选方法相结合,可进一步优化参数区间确定的原则,提高模拟的精度。研究结果可为分布式水文模型的参数率定提供借鉴。     

SWAT模型的参数灵敏度分析——以贡嘎山海螺沟不同植被类型流域为例

目前分布式水文模型在我国各种流域的水文过程模拟中已得到广泛的应用,为了深入了解不同分布式水文模型参数在水文循环过程中的影响程度,文中针对贡嘎山海螺沟4种不同植被类型流域,采用扰动分析方法定义模型参数的灵敏度并根据灵敏度的取值分为5级,基于SWAT(Soil&Water Assessment Tool)分布式水文模型研究了模型参数灵敏度在年内夏季和冬季的变化及其对水文过程模拟结果的影响。计算结果表明:冬季模型参数的灵敏度普遍偏高,会出现枯水期径流过程模拟误差较大的现象,而夏季模型参数的灵敏度相对降低;但在同时模拟汛期和枯期的径流过程情况下,前者的误差会小于后者。通过对SWAT模型参数在不同植被类型流域的灵敏度分析,将会有助于减少水文模拟的不确定性或能获得更好的估计结果。     

气候变化对流域水资源影响评价中的不确定性问题

<正>确评价气候变化背景下的流域水资源是实现其可持续性开发利用的基础,气候变化对流域水资源影响的评价一般采取气候情景驱动水文循环模型的方法。由于气候系统和水文循环过程的复杂性,该方法在气候情景、水文循环模拟及评价过程中存在很大的不确定性。提高流域气候情景预测精度和完善影响评价模型是降低气候变化影响评价结果不确定性的主要方式。本文介绍了气候变化对流域水资源影响的一般评价方法,分析了影响评价结果不确定性的因素,并讨论了降低评价结果不确定性的方式。     

拒马河流域年季月径流量对土地利用变化的响应

为探究年、季、月多时间尺度径流量对土地利用变化的响应,以紫荆关水文站以上的拒马河流域为研究对象,构建拒马河流域WEP-L分布式水文模型,采用情景模拟分析方法设置9类土地利用变化情景定量分析土地利用变化对径流量的影响。结果表明:WEP-L模型在拒马河流域适用性较好;退耕还林将减少年径流量,并随着森林覆盖率的增加,径流量减少更为剧烈,森林覆盖率每提高10%,径流量减少13.10 mm;弃耕撂荒和火灾伐木将使径流量增大;季节径流量对土地利用变化的响应程度呈现夏季秋季冬季春季;月径流量响应结果表现为6-9月变化较大,尤其是7月份最为剧烈,而3和4月较小。研究结果对于流域土地利用合理规划具有重要意义。     

新安江模型参数变化对流域降雨径流过程的影响分析

水文模型可以模拟自然流域的降雨径流过程,在降雨径流过程模拟中,水文模型参数的选择往往会影响模型对流域径流过程的模拟效果.针对新安江模型,以陕西黑河金盆水库流域为研究流域,分析新安江模型参数变化对模拟流域降雨径流过程的影响,以确定新安江模型参数的敏感程度,从而服务于研究流域的汛期水文预报参数修正.模拟结果表明:在研究流域新安江模型参数中KKSS、KKG、WLM、WDM、kg、k为敏感参数,对模拟流域降雨径流过程的影响较大;参数WUM、IMP、B、c、SM、EX为不敏感参数,对模拟流域降雨径流过程影响较小.     

里贾纳大学水文模型

里贾纳大学水文模型(URHM)是一个基于水文循环物理过程模拟流域水均衡的模型。该模型旨在利用来源于雷达或数值天气模型的分布型降水数据进行水文预报和长期水文模拟。其模拟过程包括蒸散发、截留、下渗、积雪堆积和融化、间层流、地下径流和陆地/河道汇流。     

基于MIKE SHE模型的沙河水库流域水文模拟研究

为了探究流域水文循环及河道水动力变化规律，根据收集到的基础数据资料，基于MIKE SHE模型构建沙河水库流域分布式水文模型，模拟流域径流过程，并根据物理参数意义及率定的方式确定了模型相关参数。研究结果显示：MIKE SHE模型在研究区具有良好的适应性，2018年全年径流过程Ens达到0.75，R2为0.77，径流总量RE为1.3%；汛期（6～9月）径流过程Ens为0.71，R2为0.73，径流总量RE为7.5%，模拟精度达到良好水平，可为流域层面水环境模拟提供基础支撑，也可为其他相似地区水文模拟提供参考。     

CMADS驱动SWAT模型在水循环模拟中的应用——以洱海流域为例

基于大气数据驱动水文模型的输出结果开展水循环模拟研究是大气和水文学界的研究热点。利用中国大气同化驱动数据集CMADS驱动SWAT模型,模拟2009～2016年期间洱海流域关键水循环要素的时空分布特征。结果表明:①CMADS数据集可很好地驱动SWAT模型,在洱海流域适用性较好,可用于水循环模拟研究。②从时间上看,洱海流域年降水量、实际蒸散和年产水量均呈现出先减少后增加的趋势,分别以4.6,29.3,15.0 mm/a的速率递增,多年平均降水量、多年平均实际蒸散发和多年平均产水量分别为792.8,565.5,286.1 mm。从空间上看,洱海西部降水最丰沛,东部地区次之,北部地区最低;实际蒸散发空间差异性相对较小,高值区主要分布于洱海湖区周围;产水量空间分布差异性较大,洱海西部产水量最大,其次为洱海北部和东部山区。③湿润度呈现出增加的趋势,而产水系数表现出减少的趋势,多年平均湿润度和产水系数分别为0.61和0.43;实际蒸散发与降水变化趋势一致,但与潜在蒸散发变化趋势相反,表明水分条件是限制洱海流域潜热的主要因子。     

Integrated modeling and assessment of water resources and water environment in the Yellow River Basin

An integrated model is established to simulate both hydrological processes and accompanied pollutant transfer processes in the Yellow River Basin. The model couples distributed hydrological model WEP-L (Water and Energy transfer Processes in Large river basins) and a newly developed water quality module which includes simulation functions of soil erosion and sediment transport, and non-point and point sources transfer to rivers. To overcome the defects of traditional water quality assessment, two aspects of improvement are conducted. One is the improvement of the traditional characteristic channel length approach, i.e., the product of multiplying channel length by lateral section area is selected as a new assessment criterion to reflect the different contributions of small channels and big ones, thus making the assessment results more objective. The other is the suggestion of integrated assessment approach for both water at channel lateral sections and water generated in sub-basins. The assessment results in the Yellow River Basin illustrate: (1) the improved characteristic channel length approach shows rivers of water quality worse than Class III account for 75% whilst the traditional approach give a result of 45%, implying that the actual status of water quality is worse than the traditional understanding; (2) the quality of water generated in sub-basins is much better than the quality of water at channel lateral sections. The assessment results describe the status of water resources quantity and quality from different points of view and thus provide valuable information for the water resources development and management in the basin.     

抚河流域气象干旱向水文干旱传播的影响机制研究

气象干旱是水文干旱发生的前兆,探究影响气象干旱向水文干旱传播的主要因素对建立有效的基于气象干旱的水文干旱监测预警具有重要意义。以抚河流域为例,采用标准化降水指数和标准化径流指数分别评估气象干旱和水文干旱,并构建基于流域分布式二元水循环模型的干旱传播评估方法,采用多因素综合影响贡献量分解法量化气候变化和人类活动对干旱传播变化的贡献。结果表明：建立的抚河流域分布式二元水循环模型模拟流域出口断面流量的纳什效率系数大于0.85,相对误差在5%之内;气象干旱向水文干旱传播关系变化的时间是1980s—1990s。相对于1956—1990年,1991—2019年气象干旱向水文干旱的传播率降低了8.3%;在气象干旱向水文干旱传播的影响中,气候变化的减缓作用占主导地位,贡献量为-9.9%;其次是人类活动的加剧作用,贡献量为1.6%;降水作为干旱的主要致灾因子,变化期增加了144.3 mm,这对于减弱气象干旱向水文干旱传播的敏感性起到主要作用。     

五台山清水河流域植被垂直带水循环过程研究

五台山为华北地区最高峰(海拔3058 m),发源于五台山的清水河流域,海拔梯度大,植被垂直分异显著,目前关于植被垂直带的水循环过程及其相互之间的差异研究尚显不足。为此,利用分布式水文模型WEP-L模拟清水河流域水循环过程,分析不同植被垂直带的水循环过程。结果表明:受气温显著升高影响,高海拔地区的季节性冻土消退、活动层变厚及土壤蓄水容量增加,促进降水入渗。海拔1500 m以下区域蒸散发主要受降水影响,而海拔1600 m以上区域则主要受能量的影响。不同植被垂直带的水循环过程差异显著,径流系数表现为:耕地亚高山草甸荒漠草地常绿针叶灌木林落叶阔叶林。研究结果可为山区流域水资源高效利用和生态建设提供科学依据。     

复杂河网地区气候-水文-水动力耦合模型模拟

以淮河流域中下游结合部的洪泽湖周边滞洪区为研究对象,基于紧耦合技术,将一维和二维水动力模型进行耦合,基于松耦合技术,将气候模型与水文模型、水文模型与水动力模型进行耦合,实现了流域、河网、蓄滞洪区和湖泊复杂系统气候-水文-水动力单向耦合,并对气候变化影响下的复杂河网地区水流演进进行了模拟。结果表明:构建的气候-水文-水动力耦合模型对洪泽湖周边滞洪区洪水演进具有较好的模拟能力和适应性;气候变化导致未来淮河流域洪水量级增加,加大了洪泽湖周边滞洪区的洪水风险。     

大清河流域水工程联合防洪调度研究

白洋淀是大清河流域重要枢纽工程,基于雄安新区建设对大清河流域防洪提出更高的要求,大清河流域水工程联合防洪调度研究显得尤为重要。本文以白洋淀最高水位最小作为联合防洪调度目标,建立联合防洪调度模型并进行求解。在保证水库工程安全的前提下,进行了不同洪水条件下的联合防洪调度研究,通过优化调度,可保证在遭遇百年一遇洪水不开启文安洼蓄滞洪区;在一定程度上降低了白洋淀最高水位,可有效减轻了堤防和白洋淀防洪压力,为保障雄安新区防洪安全提供支撑。     

黑河流域水循环系统的分布式模拟(Ⅰ)——模型开发与验证

从水循环的物理机制着手，在考虑人工侧支循环的基础上，以现代地理信息技术为数据处理平台，开发了黑河流域水循环系统的分布式模拟模型。文中系统描述了模型结构，从水循环过程和能量循环过程2个方面对模型各要素的过程模拟进行了阐述，其中水循环过程包括蒸发蒸腾、入渗与径流、地下水运动、地下水流出和地下水溢出、坡面汇流与河道汇流、人工侧支循环等要素过程。在获取各类输入参数后，采用1km网格、以日为时间步长对黑河流域上、中游地区(36 728个网格单元)进行了1981～2002年的逐日模拟。结果表明，所建立的分布式模型对月径流过程和日平均流量过程具有较高模拟精度。校正期内前后两个验证期均得到良好验证。该模型可用于预测未来环境变化条件下流域水资源演变。     

基于贝叶斯理论的水文多模型预报

水文预报对于防洪、抗旱以及水资源调度等具有重要意义。水文预报通常依靠水文模型来完成,由于受到不同流域特点、产汇流机制等的限制,每个水文模型都具有各自的特点及适用区域。单一模型具有非常大的水文预报不确定性,为了解决单一模型局限性的问题,多模型水文预报常作为降低水文预报不确定性有效方法之一。选用三种常见的水文模型:时变增益水文模型、新安江模型和萨克拉门托模型,在珠江飞来峡流域进行分布式建模,采用相同的输入与初始场,三个模型独立进行模拟,然后对比三个模型的结果,并进行贝叶斯多模型加权平均和简单平均得到多模型平均结果,研究结果表明,贝叶斯模型处理后的结果要比单个模型模拟结果和简单平均处理后的结果准确率高。     

松花湖富营养化评价及防治措施

采用修正的卡森状态指数法进行松花湖水体富营养化评价,评价结果表明红石水库水质最好,白山水库次之,松花湖水质综合评价最差。由于辉发河带入的污染物较多,造成松花湖水质上游次于下游,越到下游水质越好,丰满水库的水质最优。全流域的富营养化指数为45.64,根据本研究选择的湖泊富营养状态分级标准,松花湖流域的富营养化总体处于中营养阶段,辉发河河口富营养程度最高,已达到轻度富营养化程度。     

基于SRM模型的金沟河流域融雪径流模拟

金沟河是以融雪为主要补给水源的山区性河流,为了更好地指导流域的水资源分配工作,在借助金沟河流域水文气象数据、DEM数据与MODIS数据的基础上,利用融雪径流模型进行金沟河流域的融雪径流模拟研究。研究结果表明:(1)SRM模型在金沟河流域具有良好的适用性,流域2009年4—9月份的拟合优度确定系数与体积差分别为0.87与2.0%,基本达到模型在其他流域应用的平均水平。(2)模型汛期峰值与峰值出现时间模拟出现偏差,汛期径流补给来源较为复杂。模拟结果可为金沟河流域径流预测提供一定的参考依据。