我国无资料地区地表径流计算技术发展与展望

径流计算是水利工程规划及地下水资源评价的基础。通过总结国内无资料地区径流计算的常规方法（水文比拟法、参数等值线图法、径流系数法等）,列举SCS模型、IHACRES模型以及新安江模型等应用于无资料地区径流计算的水文模型,对今后无资料地区径流计算技术进行了展望。提出应尽可能选用多种方法进行径流分析计算,最终选择合理计算方法,以保证计算成果精度。     

SWAT模型在密赛流域的应用与比较研究

为对比分布式水文模型SWAT与典型集总式水文模型新安江模型的径流模拟能力,以钱塘江支流密赛流域为实验流域,以CRU气象数据集为气象输入资料,分别进行SWAT日、月径流模拟与验证,并与新安江模型模拟成果进行对比。结果显示SWAT模型在实验流域的月尺度径流模拟中更具优势,也表明SWAT模型在我国径流模拟中具有良好的适用性。     

无资料地区水文模型参数移植不确定性分析

无资料地区降水径流模拟是水文学研究的国际前沿和热点问题。水文模型参数移植是无资料地区降水径流模拟的重要方法,对径流模拟精度具有重要的影响。利用核密度估计和蒙特卡罗随机模拟等方法,构建了一种水文模型参数移植误差驱动的无资料地区径流模拟不确定性定量评估框架。以广西壮族自治区42个有水文监测站点的典型中小河流为研究对象,率定新安江模型参数并模拟日径流和洪水过程,将42个典型流域依次假定为无资料流域,利用基于回归分析、相似流域和机器学习的参数移植方法,模拟无资料地区的洪水过程并识别最优的参数移植方法,分析移植法估算的模型参数值和直接率定值相比误差的概率分布特征,定量评估模型参数移植误差带来的径流模拟不确定性。研究结果表明：(1)基于回归分析的参数移植法模拟无资料地区洪水过程的精度优于相似流域法,优选的机器学习算法比传统回归分析法和相似流域法的计算精度提高了7%～15%;(2)与模型参数率定值相比,移植方法计算的模型参数具有一定的误差,对洪水模拟敏感参数的误差小于不敏感参数;(3)受模型参数移植误差的影响,利用蒙特卡罗法随机模拟的洪水过程具有一定的不确定性,洪量和洪峰相对误差的主要区间分别为10...     

TOPMODEL在流域径流模拟中的应用研究

介绍了TOPMODEL的基本结构与理论。该模型结构简单、物理概念明确、优选参数少,在集总式和分布式流域水文模型之间起到了一个承上启下的作用。TOPMODEL在国外已被广泛研究,并认为是一个相当成功的流域水文模型。为了进一步拓宽该模型的应用,选择6个不同尺度、分布于不同区域和不同气候条件下的流域来应用研究该模型的径流模拟效果。结果表明,该模型在率定和校核两个阶段的模拟精度都比较高,基本上能达到新安江三水源模型的水平。     

基于遗传算法的新安江模型日模拟参数优选研究

在概念性水文模型的参数率定中,目前还没有一个传统优化方法能够提供保证足够高效和稳定性的算法。为了克服传统优化方法中局部收敛性的缺点,近年来利用遗传算法通过计算机准确稳定地进行概念性水文模型的参数优选的尝试得到越来越多的重视和发展。目前优选水文模型待定参数,大多是从次洪模型的方面去讨论,有关日模拟模型的遗传算法参数优选讨论的较少。本文系统分析了基于遗传算法的新安江模型日模拟参数的自动优选,同时针对遗传算法在模型参数众多的情况下时间效率低下问题,通过利用新安江模型参数分层原理与模型参数敏感性分析对优选结果影响,提出一套简化的日模型参数遗传算法优选方案。经过流域模拟检验,该优选方案可行,运行效率高,可以作为类似模型遗传算法参数率定快速、有效的方案。     

雨量站网布设对水文模型不确定性影响的比较

雨量站网布设会影响径流模拟精度,研究不同雨量站密度和空间分布的径流响应规律对提高径流模拟精度和减小不确定性具有重要意义。应用新安江模型和HBV（Hydrologiska Fyrans Vattenbalans）模型,以湘江流域为研究对象,采用贝叶斯方法比较分析在不同雨量站密度及空间分布下径流模拟的不确定性。结果表明:增加雨量站密度可以降低面雨量的估计误差,使模型在不同的雨量站空间分布下具有较高的模拟精度;通过优化雨量站空间分布,可以减小雨量站网布设导致的模型不确定性,从而提高径流模拟精度;在相同的降雨输入和参数采样方法下,新安江模型和HBV模型对降雨输入导致的不确定性响应规律具有相似性,但是本研究结果显示在湘江流域新安江模型的模拟精度更高,而HBV模型的不确定性更大。     

对新安江模型蒸散发计算的改进

基于DEM构建数字流域水文模型，在此基础上，利用新安江模型作径流计算。利用陆面模式SSIB中大气动力阻抗法计算蒸散发的方法改进新安江模型的蒸散发计算，从而改进新安江模型对流域出流量的模拟，得到更为合理的陆面水文模型。以安徽水阳江流域为研究区域，利用改进前后的新安江模型进行径流模拟。结果表明，对新安江模型蒸散发计算的改进提高了模型对径流量的模拟效果。     

BTOPMC模型与新安江模型在史河上游的应用比较研究

介绍了一个由TOPMODEL发展而来的基于栅格的分布式水文模型--BTOPMC模型.选取史河流域黄泥庄水文站以上集水面积为研究区域,在空间分辨率为30秒的数字高程模型数据基础上构建数字流域水系,基于IGBP全球陆面土地覆被数据以及FAO全球数字土壤数据运用BTOPMC模型和新安江模型分别对黄泥庄站1982年到1987年的日径流过程进行模拟.采用模拟与实测洪量比和确定性系数对两个模型的模拟结果进行比较分析.结果表明两个模型都能很好地模拟日径流过程,新安江模型有更好的模拟效果.     

水文模型参数自动优选方法的比较分析

模型参数的识别是模糊研制与应用成功与否的关键。介绍了三个自动优选模型参数的方法，以新安江模型为例，应用１４个流域的资料，对罗森布郎克法、改进的单纯形法和基因算法优算法优选模型参数的效果，优化方法和收敛速度及参数初值对优选效果的影响进行了比较分析。     

基于相似性的无资料地区模型参数确定

基于新安江模型,利用GIS技术和相似性分析开展流域无资料情况下的水文模拟。在提取流域特征值的基础上,通过相关分析、聚类分析等方法判定相似流域,有效地分析了模型参数与流域特征的关系,重点论证了相似流域参数移植的可行性。通过相似性分析,发现相似流域的水文参数在几何空间上距离较近。基于此结论,本文对无资料地区进行了水文模型参数的确定,并取得了较好的模拟结果。     

新安江模型理论研究的进展与探讨

回顾了新安江模型发展的历程,指出在具有物理基础的分布式水文模型发展遭遇理论瓶颈的背景下,可重新审视新安江等概念性模型的重要作用和地位。文章介绍了近年来新安江模型在结构、理论方法及应用等方面取得的进展,认为新安江模型是一个不断发展的模型理论体系。新安江模型理论的创新首先需秉承其理论的特色,即蓄满产流及以统计曲线形式表达的部分产流的概念,可用山坡水文的理论和发现指导模型创新,并采取野外实验、理论分析与计算机建模三者并重的理念。     

浙江省实时土壤缺水量空间分布自动分析与实现

按流域代表性和面上均匀分布要求,在浙江省区域代表站中筛选39个代表流域,利用在浙江有较好适应性的新安江三水源模型率定产流参数,借助水文遥测系统上传的实时雨量、蒸发量信息以及数据库、水文模拟、Arc GIS空间分析等技术,由代表流域土壤缺水量的实时模拟,实现浙江省土壤缺水量空间分布的逐日自动分析。     

坡地径流入渗机制对水文模拟的影响分析

建立了适用于栅格单元系统的基于运动波理论的降尺度新安江模型(KWXAJ)。在栅格单元中采用新安江模型计算产流,运动波模型进行坡面汇流演算。模型中,为考虑上游坡地单元入流的径流入渗(run-on)效应,在进行坡地产流计算时,降雨及上游坡面流及壤中出流被同时作为来水输入新安江模型。在运动波模型中,糙率系数依据土地利用方式及洪水量级确定。选取淮河史灌河流域黄泥庄以上集水区域,作为研究区域。用流域历史上的13次洪水过程来率定和验证此模型。研究表明,run-on机制对流域产汇流预测有重要影响,其显著影响流域内土壤蓄水量时空分布,进而改变产汇流机制。数据分析还显示,不考虑run-on机制将导致模拟洪峰滞后。     

华北地区流域月降水径流模型比较研究

选择我国华北地区若干流域,建立了三个月降水径流模型——统计模型、比利时模型和新安江模型。分析结果表明;统计模型能较好地反映流域输出对输入的响应,新安江模型(改进后)则能较好地描述半干旱地区流域的产汇流特性,模型拟合效果也较好,而比利时模型,经初步应用,拟合效果比新安江模型差。     

新安江产流模型与改进的BP汇流模型耦合应用

为提高新安江模型的汇流计算精度并减少经验因素对参数率定的影响,将新安江产流模型与改进的BP汇流模型相耦合,建立XBK(XAJ-BP-KNN)模型。该模型以前期模拟流量和新安江产流模型计算的产流量作为BP网络的输入,出口断面流量作为网络输出,拟合汇流的非线性关系,代替新安江模型的分水源、线性水库及河道马斯京根法的汇流计算;采用相似原理和K-最近邻算法,基于历史样本的模拟误差及相应影响要素对网络输出进行误差修正,实现了无前期实测流量的连续模拟;模型使用SCE-UA算法与遗传早停止LM算法相结合的全局优化方法进行参数优选。在呈村流域的验证表明XBK模型的模拟精度高于新安江模型,全局优化方法能找到最优参数,降低了模型的使用难度。     

SPARROW模型研究及应用进展

SPARROW(SPAtially Referenced Regressions On Watershed attributes)模型是由美国地质调查局开发的一个基于空间的计算流域营养物质污染负荷的非线性回归模型。它使用机理函数和空间分布模块来计算流域的污染负荷,从而弥补了许多经验回归模型的缺陷。基于模型的特性,其在流域污染负荷核算、水质响应模拟、采样点空间优化、流域最大日最大污染负荷计算与水环境管理等方面有较好的应用前景。对SPARROW模型的机理、结构、输入输出变量、应用现状及在我国的应用发展前景和可能的问题进行了全面阐述和讨论,并对SPARROW模型的改进模型—贝叶斯-SPARROW模型进行简要介绍。以期为该模型在中国水环境管理中的应用提供参考。     

分布式水文模型的GPU并行化及快速模拟技术

分布式水文模型对流域水文过程的应用深度及广度不断加深,常与数值天气及气候预报相结合,面临巨大的计算量。近年来GPU技术的进步使普通电脑能够实现高效而又廉价的并行计算。提出了资料插值、单元产流以及单元汇流采用GPU并行计算,马斯京根法河道汇流采用一种非并行的递归方法。基于笔记本电脑和NVIDIA GPU/CUDA结合C#语言,由分布式新安江模型在沂河流域的模拟应用表明,降水量空间插值及新安江产流的并行执行效率为普通CPU上C#的8~9倍。使用直接递归法实现马斯京根汇流演算比以往采用汇流次序表的执行效率提升0.5~0.9倍。     

新安江模型参数多目标优化研究

水文模型的参数优化率定一直以来是水文预报领域的重要研究内容,当水文模型的结构确定后,水文模型参数的选择对水文模型整体性能和水文预报结果的好坏有着至关重要的影响.针对传统水文模型参数优选采用单一目标不能充分全面挖掘水文观测资料中蕴含的水文特征信息的缺陷,本文以新安江三水源模型为例,尝试采用多目标优化算法优化率定水文模型,算例应用分析表明,通过合理的选择目标函数的种类和数目,采用多目标进化算法优化率定模型参数,可以获得相对于单目标率定模型参数更优的结果.进一步,研究工作针对模型参数优化的结果进行分析,可以明显看出模型参数优化中存在“异参同效”现象,为后续模型参数不确定性分析等相关研究工作的开展做好了铺垫.