基于DEM的分布式水文模型构建方法

基于 DEM的分布式水文模型是现代水文学同高科技 (如计算机技术、 3S技术等 )相结合的产物 ,是研究变化环境下水文循环与水资源演化规律的理想工具 ,代表了水文模型的最新发展方向。从 DEM的特性出发 ,本文探讨并总结了分布式水文模型的特点、建模思路和模型基本结构框图。在流域离散化方面 ,重点介绍了分布式水文模型常用的三种单元划分方法 ;最后 ,针对分布式水文模型构建问题 ,从“输入模块”、“单元水文模型”、“河网汇流模型”三方面 ,阐述了分布式水文模型微结构构建方法。     

分布式水文模型的并行计算研究进展

大流域、高分辨率、多过程耦合的分布式水文模拟计算量巨大,传统串行计算技术不能满足其对计算能力的需求,因此需要借助于并行计算的支持。本文首先从空间、时间和子过程三个角度对分布式水文模型的可并行性进行了分析,指出空间分解的方式是分布式水文模型并行计算的首选方式,并从空间分解的角度对水文子过程计算方法和分布式水文模型进行了分类。然后对分布式水文模型的并行计算研究现状进行了总结。其中,在空间分解方式的并行计算方面,现有研究大多以子流域作为并行计算的基本调度单元;在时间角度的并行计算方面,有学者对时空域双重离散的并行计算方法进行了初步研究。最后,从并行算法设计、流域系统综合模拟的并行计算框架和支持并行计算的高性能数据读写方法3个方面讨论了当前存在的关键问题和未来的发展方向。     

基于河链结构和LUCC的分布式流域水文模型及径流响应

为了定量评估土地利用/覆被变化的水文水资源效应,并考虑流域水文效应的空间差异,提出考虑土地利用/覆被变化的分布式流域水文模型。该模型基于Shreve河链概念对流域河网进行单元划分,基于中国科学院土地资源分类系统的一级类型,将流域划分为6种不同土地利用及覆被变化类型;在每一类土地利用及覆被变化面积上,分别考虑蒸发和下渗的差异,并利用蓄满-超渗耦合产流模型计算该面积上的地表径流量和地面以下径流量;利用地貌汇流模型和线性水库模型将每类面积上的地表径流量和地面以下径流量演算至流域出口断面,从而得到流域的水文过程。模型参数包括流域地貌特征参数、产流参数和汇流参数,前者可以根据地理信息系统技术和遥感技术获得,而后者则需要根据流域的水文资料通过最优化方法求得。利用大理河流域1981—1990年的逐日降雨、蒸发及流量资料对该模型进行了参数率定和检验,率定期1981—1987年的水量平衡系数为0.993,年径流深合格率为100.0%;检验期1988—1990年的水量平衡系数为1.230,径流深合格率为66.667%,计算结果表明该模型在大理河流域具有良好的适应性。并以2000年大理河流域的土地利用/覆被状况为基准,计算得到流域的基准径流深为30.36 mm,并对大理河流域未来土地利用情况进行情景分析,为充分发挥小流域(或单元)水土保持措施带来的各种效益提供参考依据。     

高性能并行分布式水文模型研究进展

传统分布式水文模型采用串行计算模式,其计算能力无法满足大规模水文精细化、多要素、多过程耦合模拟的需求,亟需并行计算的支持。进入21世纪后,计算机技术的飞速发展和并行环境的逐步完善,为分布式水文模型并行计算提供了软硬件支撑。论文从并行环境、并行算法2个方面对已有研究进行总结概括,分析了不同并行环境和并行算法的优势与不足,并提出提高模型并行效率的手段,即合理分配进程/线程数缩减通信开销,采用混合并行环境增强模型可扩展性,空间或时空离散化提高模型的可并行性及动态分配计算任务、平衡工作负载等。最后,论文对高性能并行分布式模型的未来研究方向进行展望。     

基于模块的分布式水文模拟系统及其应用

由于水文循环过程的复杂性和空间变异性,集成不同的水循环模型,基于模块化结构、构建面向多目标的水文模拟系统已经成为当今水文模拟技术发展的一个重要方向。本文从科学研究和水资源管理的实际需要,首次研发国内基于模块化的分布式水文模拟系统,并提出了“信息化水文模拟系统(HydroInformatic Modeling System, 简称HIMS)”。HIMS是一个以水循环信息平台为基础,基于组件式结构设计的开放式综合水循环模拟系统,侧重于分布式水文过程的模拟与应用。文中对HIMS的设计思路,主要功能与结构进行了详细介绍,包括基于国产GIS软件SuperMap的水循环信息系统、模型数据前/后处理系统和水文模型方法库系统。其中,HIMS的水文模型方法库系统集成了水文过程方法库和多种水文模型,并提供定制水文模型的功能。HIMS的提出发展了水文模型理论和建模技术,拓宽了国内分布式水文模型的研究思路。     

离散线性水文系统模型及其参数估算*

本文介绍了连续和离散线性水文系统模型以及它们之间的对应关系,论述了离散线性水文系统模型的稳定性,其参数之间的对应关系,着重说明了现有常用几种水文模型均是离散水文系统模型的特例,提出了离散线性水文系统模型参数确定的四种方法,并给出了算例。     

SWAT模型在伊犁河上游缺资料区的应用

 在分布式水文模型中,探索产生分布式降水数据的方法是该领域研究的热点之一,发展基于水文物理过程的模型校准方法是实践PUB的热点与难点。基于SWAT分布式水文模型,以资料稀缺的伊犁河上游为研究区域,针对流域的水资源评价关键问题,首先准确描述区域的降水空间分布特征,并基于流域水文过程采用综合流域特征、多时间尺度、多变量和多站点的适宜性模型校准新方法,取得了满意的模拟结果,表明模型较好地再现了流域的水文过程。另外,完善水文机理研究,提高降水及下垫面相关参数的观测水平是改善模型模拟的有效途径。     

山地流域水文模拟研究进展与展望

山地水文循环是全球水循环的重要组成部分,山地独特的地形特征、日趋变化的社会经济与新技术(遥感观测和信息科学)发展使得山地水文循环研究成为当前乃至未来水文学关注的热点。山地较大的垂直梯度浓缩了水平自然带的自然地理和生态学特征,具有多样的环境敏感性,因此山地水文过程对土地利用变化和气候变化的响应比平坦地区更为剧烈。明晰山地水文过程对区域防洪减灾、制定全球变化背景下区域水资源可持续利用策略、促进经济社会发展具有重要意义。水文模型是研究水循环的重要工具,但山地产汇流机制的复杂性以及实测水文资料匮乏等一系列问题极大限制了山地水文模拟与预测工作。本文首先系统地从数据获取、参数计算、模型结构、建模理论四个方面介绍了国内外山地水文模拟的研究进展,并总结了经验模型、概念模型及基于物理机制的分布式水文模型在我国山地水文模拟中的应用进展,之后从山地水文要素的空间变异性与垂直变异性、驱动力、数据不确定性、强烈的人为扰动等方面对当前山地水文模拟中面临的挑战与难点进行了论述。通过对国内外相关研究前沿的归纳,从多过程耦合机理研究、山地自然—社会二元水循环理论、大数据背景下多源数据获取与同化研究等方面对我国未来山地水文模拟的工作方向进行了展望。     

流域水文模型研究的若干进展

计算机技术和一些交叉学科的发展 ,给水文模拟的研究方法带来了根本性的变化。文章阐述了分布式物理水文模型、地理信息系统 (GIS)和遥感 (RS)技术在流域模拟中的应用等方面的进展。指出分布式模型具有良好的发展前景 ,应用 GIS的水文模型尽管有诸多优点 ,但并不能代表模型本身的高质量 ,遥感资料还没有完全融入水文模型的结构中 ,给直接应用带来较大的困难。     

分布式时变增益流域水循环模拟

针对分布式水文模拟的问题,结合河西走廊黑河流域实际资料条件,提出将水文循环空间数字化信息与水文系统理论相结合的分布式时变增益水循环模型 (DTVGM)。DTVGM将单元时变增益水文非线性模型(TVGM)拓广到由DEM划分的流域单元网格上建立非线性地表水产流模型,基于水量平衡方程和蓄泄方程建立土壤水产流模型,并应用运动波方法建立分级网格汇流模型。最后,以黑河干流山区流域为例应用DTVGM开展了实例研究,设计开发了模型系统。研究区域被划分为38 277个网格单元 (网格大小为500 m×500 m),在此基础上将流域划分为456级带状汇流区域。考虑到黑河干流山区的寒区特点,模型耦合了融雪径流模型。模拟结果表明,DTVGM既有分布式水文概念性模拟的特征,同时具有水文系统分析适应能力强的优点,能够在水文资料信息不完全或者有不确定性干扰条件获得比较好的分布式水文模拟效率,在黑河干流山区的应用能够较好地满足水资源管理的要求。     

GIS技术支持下的洪水模型建模

在复杂区域建立洪水模型时,计算网格的手工生成方法容易出错甚至不可行,自动生成算法则可大大节省计算网格生成的工作量。洪水模型中的计算网格与GIS栅格数据及不规则三角网空间数据结构非常相似,因此,GIS中成熟的网格自动生成算法可用于生成洪水模型计算网格。文章详细讨论了GIS支持下的洪水模型自动建立步骤,并以黄河下游花园口～夹河滩河段为例,利用地形图、土地利用图、水利工程设施分布、水文站点图等资料,通过自动生成网格及其空间拓扑关系,建立了洪水过程数值模拟模型,并详细解释了计算网格数据格式。     

分布式流域水文模型水量过程模拟——以黄河河源区为例

文章分析了分布式水文模型、遥感和地理信息系统技术在流域径流模拟过程中的结合点,采用数字网格技术,以流域水量变化对地表土地覆被和气候变化响应过程为目的,讨论利用分布式水文模型研究下垫面和气候变化下流域水量响应过程的一般方法,并以黄河河源区为实例进行验证。     

三工河流域分布式水文模型研究

分布式水文模型及其尺度问题是当今水文学研究的前沿课题，特别是针对不同流域尺度以及适合于干旱地区的分布式模型更是研究的焦点。提出了位于干旱区巾小流域尺度的三工河流域分布式模型建立的方法．采用了半分布式网格与子流域结合的模拟计算方式．实例证明这种模型非常适合于模拟干早区融雪径流．对干旱区流域产汇流过程的研究将具有很大的推动作用。     

气候和土地利用变化对径流变化影响研究——以伊洛河流域伊河上游地区为例

在实际调查基础上,利用遥感和地理信息系统技术,分析伊洛河流域伊河上游地区气候和土地利用变化对径流变化的影响。结果显示,在研究区域中,林地面积最大,1987-2008年,林地、库塘和建设用地面积持续增加,草地、河流和未利用地面积持续减少,耕地面积则先增加后减少。20世纪80年代以来,土地利用变化在不同阶段都使得年平均径流量减小;80-90年代,气候变化使得年平均径流量减小,而90年代到2000年以后,气候变化使得年平均径流量增加,这与90年代年平均降水量减少,而2000年以后年平均降水量增加密切相关。     

黄河典型流域分布式水文过程模拟

基于水循环物理过程的分布式水文模型的研究和应用已经成为当前水文学研究的热点之一。本文应用大尺度分布式水文模型SVAT&HYCY ,选择黄河的主要支流洛河卢氏以上流域进行实例研究。根据 1990～ 1996年的资料进行的模拟结果表明 ,模型可以反映流域蒸散发的空间分布特征以及径流的形成过程。但是在模拟的径流值与实测值之间还有一些差异。这种差别一方面是因为实际径流包含了人类活动的影响 ,另一方面 ,空间插值方法是否准确反映模型的输入量 (特别是降水 )的空间分布特征也将影响模拟精度。     

基于GIS的二维非结构化剖分网格优化

非结构化网格剖分是数值模拟的关键技术之一,网格质量直接影响到计算的收敛性和精确度。在GIS辅助建立非结构化网格空间拓扑关系的基础上,针对GIS和实际研究问题给出Spring-Laplace方法——一种新的单元尺度函数定义,在GIS空间算法下利用该方法优化节点位置,并基于推进阵面算法的思想,结合空间邻近拓扑关系实现了三角剖分节点和网格的重新编号算法,方便了开边界条件的赋值,提高了计算效率。实例表明,该方法大大提高了网格生成质量,能适应FVCOM数值模型对非结构化网格剖分的要求,其收敛速度快,具有较高的运算效率。     

流域降雨径流路径的数字模拟技术

流域内降雨径流流动过程的水文分析具有重要意义。此文基于地理信息系统的栅格系统,利用数字高程模型(DEM)提供地形特征的能力,通过一系列相连的数据集,用计算机对流域降雨径流路径进行了数字模拟,其可以实现以正确的水文顺序跟踪地表径流在流域空间范围内的流动路径,并确定地表径流在流域空间内流动路径的水文计算等级,为基于流域降雨径流关系的建模研究提供了空间分析基础。最后把该项研究成果应用于黄家二岔小流域,证实该模拟技术具有一定的可靠性和实用性。