基于元胞自动机模型的河道汇流过程模拟

对河道汇流过程进行模拟可为洪水灾害预警预报提供参考。利用水力水文学方法能很好地模拟河道汇流过程,但需要输入的参数多,运算过程复杂,对数据精度要求高,而且在无资料区流域无法确定河道上断面流量情况下,该方法具有一定局限性。本文将元胞自动机模型与水文模型相结合,构建了河道汇流过程中的元胞自动机模型和产流汇流规则。通过建立河道坡面拓扑关系,利用SCS-CN（Soil Conservation Service-Curve Number）模型逐个计算河道元胞上的坡面入流,并利用曼宁方程模拟河道汇流过程,最后在ArcEngine平台下进行二次开发,实现了河道汇流可视化。本文以厦门市茂林溪流域为研究区,对1997年5月6日至7日的一场降雨进行了模拟。将本文模拟结果与该流域其他学者的研究进行了对比分析,结果表明在输入数据与水文模型参数相同的情况下,本文不仅模拟出每次降雨间隔产生的较小洪峰,并且整场降雨产生的最大洪峰流量精度与时间精度均提高了5倍,可以更准确地模拟河道汇流过程,适用于河道汇流可视化,该模拟可以为洪水灾害预警预报提供一定参考。     

降雨径流与洪水淹没模型耦合的应用研究

洪水研究包括径流与淹没两种模式。为了探究流域降雨产汇流与淹没情况、提高洪水预报精度,本研究在传统流域水文模型的基础上耦合二维水动力学模型,建立水文-水动力耦合模型。以我国吉林温德河流域为研究实例,模拟了2017年“7·13”洪水在下游口前镇所处子流域洪水淹没过程。首先对基础数据进行预处理,建立HEC-HMS水文模型并进行参数优化后,最终获得流量过程水文结果作为水动力学模型边界条件,之后建立HEC-RAS二维水动力学模型对重要子流域进行淹没模拟。耦合模型计算结果显示,水文模型经多参数优化流量模拟的NSE系数为0.988,水动力计算最大淹没水深达9.3 m相对误差为-5.2%。从泛洪模拟结果来看,子流域上游部分的农田大量被淹,淹没水深范围在0.5~2.0 m,平均流速基本在1 m/s以下。下游口前镇内最大淹没水深接近1 m,水流速度0.2 m/s至1.5 m/s,与实际的淹没情况相吻合。研究表明,所建水文水动力耦合模型模拟计算的结果准确率较高,对具有复杂水文、水力条件的流域的洪水预报具有重要的指导意义。     

SWAT模型在土地利用/覆被变化剧烈地区的改进与应用

人口增长、气候变化、制度变迁、城市化等均会导致土地利用/覆被的变化,进而引起流域水文过程（截留、入渗、蒸散发和地下水补给等）和水循环过程的改变。当前,由于逐年土地利用/覆被数据获取困难、水文模型本身计算缺陷等问题,所有在流域尺度上开展的借助水文模型进行的土地利用/覆被变化影响下的水文模拟研究都存在一个共同缺点,就是采用的水文模型并不能逐年调用土地利用/覆被数据,即水文模型无法真实体现或模拟土地利用/覆被的时空变化。SWAT作为一个广泛应用的分布式水文模型,在其模拟期内,不能逐年调用土地利用/覆被数据,即在进行水文模拟时忽略了土地利用/覆被时间上的变化,这可能会影响其在土地利用/覆被变化剧烈地区（如黑河中游）的应用。黑河流域是典型的内陆河流域,也是中国西北地区第二大内陆河流域。黑河中游是黑河流域的径流耗散区。本文针对SWAT模型在考虑土地利用/覆被变化时的缺点,对其进行了改进并开发出能够逐年调用土地利用/覆被数据的LU-SWAT模型。在土地利用/覆被变化剧烈的黑河中游对SWAT和LU-SWAT模型的径流模拟效果进行比较,发现LU-SWAT模型更适用于黑河中游水循环模拟。     

黑河山区流域平均坡长的计算与径流模拟

 流域平均坡长是侧向流和汇流时间计算的重要参数,其会影响地表径流的计算。应用SWAT 2005和ArcView GIS 3.2集成的AVSWAT模型,对黑河干流上游山区流域莺落峡出山口径流进行模拟,发现其计算的流域平均坡长存在较大误差,进而影响到模拟结果。利用子流域内已知的平均坡度和平均坡长建立回归方程,计算各子流域的平均坡长,替换AVSWAT计算的不合理值,在保持其他参数不变的情况下,模拟的月径流纳什系数从0.60提高到0.75,模拟结果得到显著提高。敏感性分析结果和径流曲线数(CN2)的分析也间接验证了流域平均坡长修正方法的可行性。在修正流域平均坡长后,对AVSWAT模型的其他参数CN2等进行优化,模拟的月径流的纳什系数达到0.81,表明本文建议的流域平均坡长计算方法是可以应用到实际的干旱区黑河流域并取得较好模拟效果。     

三江平原挠力河上游流域水文过程及其驱动力模型研究

以三江平原挠力河上游流域为研究对象,选择年均流量和洪峰流量两个水文参变量,对流域降水、耕地面积和各水文参变量的统计回归分析,分别建立水文过程的单因素模型,用于分析气候变化、土地利用变化对水文过程的影响。在定量区分土地利用变化和气候变化的水文效应基础上,利用最小二乘法建立基于降雨量和耕地面积两种因素的流域水文过程驱动力模型。研究结果表明:(1)1956-1975年间降雨量对水文过程的影响非常显著,之后影响逐渐降低,总体上为气候模型对年均流量的模拟能力高于洪峰流量;(2)流域耕地面积,自1954年以来不断扩张,但未对水文过程产生显著影响,对洪峰流量的影响高于对年均径流的影响;(3)研究区的水文过程驱动力模型的模拟效果较好,相比单因素模型,年均流量和洪峰流量的模拟精度均得到较大提高,RMSE分别为0.5和1.04;对年均流量的模拟精度更高一些,决定性系数为0.933;(4)总体上,研究区水文过程受气候变化的影响程度高于土地利用变化,但土地利用变化对水文过程的影响不容忽视,尤其是对洪峰流量的影响呈增大趋势。     

基于DEM的澜沧江流域水文信息提取方法的研究

从DEM中提取地形、地貌信息是当今GIS空间分析领域中的一个重要方面。而河网提取、子流域划分以及分布式水文模型等对水文地理信息的分析、模拟技术和方法更是其中的难点。本文针对常用的水系提取方法,简单介绍其基本原理,并对澜沧江流域进行了水文信息提取试验,对试验结果进行了比较和分析。     

基于Bayes网络的多粒度时空对象地理过程演化建模——以新安江模型为例

多粒度时空对象具有多粒度、多类型、多形态、多参照系、多元关联、多维动态、多能自主特点,可用于直接描述从微观到宏观的现实世界。基于时空对象建模理论构建多尺度地理对象耦合演化的集成表达是多粒度时空对象模型支撑地理分析与建模的关键。本文基于多粒度时空对象建模理论,在概率图和条件概率表的基础上发展了一种基于Bayes网络的地理过程演化表达和建模方法。该方法将多粒度时空对象作为Bayes网络节点,根据多粒度时空对象间的关联关系构建Bayes网络,利用Bayes概率表达多粒度时空对象间关联关系的作用强度,并通过更新算子和概率图模型描述要素特征状态的动态变化。基于此方法,选取新安江模型,进行多粒度时空对象地理过程建模和模拟实验。采用呈村1989—1995年水文数据为训练数据,1996年水文数据为模拟数据,通过降水面、蒸发面、产流面和汇流面构造Bayes网络并模拟产流量和汇流量状态;实验结果表明本文方法不仅可以对水文过程进行演化建模,并且可以较好地模拟水文过程中的产流量和汇流量变化,正确率达97.5%和95.9%。     

基于改进的Vensim模型模拟岩溶泉水文过程

经典的Vensim模型采用2个平行线性水箱来模拟岩溶水文系统中的慢速流和快速流, 很难模拟岩溶水文系统内的非线性水文过程。提出一种改进的R-Vensim模型, 将Vensim中的一个水箱改为非线性水箱, 同时进一步考虑不同水文条件下降雨分配系数的变化, 用于模拟岩溶含水层中存在的非线性水文过程。2个模型被用于模拟丫吉试验场的S31岩溶泉, 模拟结果表明R-Vensim能更好地模拟不同降雨条件下岩溶泉水文动态过程, 而Vensim总是低估暴雨下的流量峰值和高估低强度降雨下的流量峰值。研究区岩溶水文系统中慢速流呈现强烈的非线性, 而快速流更接近于线性过程, 2个模拟时段内78.5%和68.4%的泉流量来源于非线性水箱。研究结果表明模型中考虑非线性水文过程对于岩溶泉流量尤其低流量过程的精准模拟十分重要。      

青藏高原兹格塘错流域50年来湖泊水量对气候变化响应的模拟研究

运用数值模拟建立青藏高原兹格塘错流域土壤、植被、气候等的空间和属性数据库;接着,借助分布式流域尺度水文模型(SWAT模型),对兹格塘错1956—2006年间的流量进行模拟实验;最后,反演50年来兹格塘错流域水文过程,测试流域温度、降水和蒸发组合的敏感因子对湖泊水量变化的效应,探讨50年来湖泊水量对气候变化的响应。模拟实验的边界条件设置为自然地形、土壤、植被覆盖,其中土壤资料包括有机质含量、粒径等理化参数。模拟结果表明:兹格塘错的年平均流量为6.3m3/s,流量高峰集中在8月至10月,并且由于融雪补给的关系,3月出现另一个流量高峰;模拟结果与遥感解译所得到的结果吻合较好。敏感实验表明:兹格塘错流域内温度、降水和蒸发组合的敏感因子实验具有高原特征,即高原湖泊的水文过程和湖泊流量变化有着较为敏感的响应关系;兹格塘错流量受降水的影响最大,随着降水的增加,流量有所增加;在温度升高的情况下,流域蒸发量增加速度大,兹格塘错流量增加的效应不明显,而在冷湿模式下,流域蒸发量降低,兹格塘错流量增加显著。     

流域空间离散化及其对径流过程模拟的影响研究

本文分析比较了流域空间离散化的两种途径 :子流域法和网格法 ,并以此对流域径流过程模拟的影响进行了探讨。结果表明空间尺度和时间尺度之间应该是相互关联、相互匹配的 ;时空尺度具体大小的选定要根据研究目的、研究区域的面积、流域下扩建面信息源和模型输入资料的可获性综合考虑。     

Searching for an Optimized Single-objective Function Matching Multiple Objectives with Automatic Calibration of Hydrological Models

In the calibration of hydrological models, evaluation criteria are explicitly and quantitatively defined as single-or multi-objective functions when utilizing automatic calibration approaches.In most previous studies, there is a general opinion that no single-objective function can represent all important characteristics of even one specific hydrological variable(e.g., streamflow).Thus hydrologists must turn to multi-objective calibration.In this study, we demonstrated that an optimized single-objective function can compromise multi-response modes(i.e., multi-objective functions) of the hydrograph, which is defined as summation of a power function of the absolute error between observed and simulated streamflow with the exponent of power function optimized for specific watersheds.The new objective function was applied to 196 model parameter estimation experiment(MOPEX) watersheds across the eastern United States using the semi-distributed Xinanjiang hydrological model.The optimized exponent value for each watershed was obtained by targeting four popular objective functions focusing on peak flows, low flows, water balance, and flashiness, respectively.Results showed that the optimized single-objective function can achieve a better hydrograph simulation compared to the traditional single-objective function Nash-Sutcliffe efficiency coefficient for most watersheds, and balance high flow part and low flow part of the hydrograph without substantial differences compared to multi-objective calibration.The proposed optimal single-objective function can be practically adopted in the hydrological modeling if the optimal exponent value could be determined a priori according to hydrological/climatic/landscape characteristics in a specific watershed.     

TRMM及GPM降水数据在高寒内陆河流域的准确性评估

降水数据的准确性和时空分辨率成为水文过程模拟的关键。卫星遥感降水资料的日益丰富为资料缺乏区的水文模拟带来了新的突破。本研究拟在资料缺乏、下垫面复杂,观测难、建模难的柴达木盆地高寒内陆河流域—巴音河中上游,基于近5年的TMPA 3B42、GPM IMERG V5及GPM IMERG V6逐日降水数据和气象站点观测数据建立SWAT模型,采用流域出口径流数据及不同的参数化方案分别率定4个模型,比较和探究不同数据在巴音河流域的适用性。结果表明：① 在月、年尺度上,实测降水数据及TMPA 3B42 V07对应的SWAT模型径流模拟效果较好,前者模拟精度较后者仅高6%~12%,且二者对于流域水量平衡的刻画均较准确。说明TMPA 3B42数据对应的径流模拟结果误差相对较小,可直接用于高寒内陆河流域水文模拟;② GPMIMERG V5数据对应的那什系数N_SE值为0.13（月）、-1.58（年）,误差百分数P_BIAS值为41.2%（月、年）,均方根误差与标准误差比率R_SR值为0.93（月）、1.61（年）,其径流模拟误差较大,模拟效果不可信,说明GPMIMERG V5数据集并不适用于巴音河流域水文模拟;③ GPMIMERG V6-F对应的月径流模拟结果明显优于GPMIMERG V5-F,前者模拟精度较后者提高4倍,但其模拟的年径流对应的N_SE值为-0.12,R_SR值为1.09。该研究可为资料缺乏的高寒内陆河流域生态水文过程模拟提供参考。     

面向地质时空大数据表达与存储管理的数据模型研究

随着传感器实时监测等高新技术在地质勘查或生产开发中的应用,形成了动态与静态并存、多源异构的地质时空大数据.然而,目前地质信息系统在地质数据组织管理方面,主要是静态地存储和表达出地质矿产勘查或生产开发在某个特定时期的状态,尚不能满足对勘查或生产开发过程中实时信息的存储管理,进而支持对地质过程的分析和研判.针对性开展了地质时空大数据表达与存储管理的数据模型研究,目标是能够融合数据多源与时空多维性,又能够支持时间关联与时间多粒性.针对地质大数据、地质过程的静态与动态数据紧密结合的特点,采用面向对象和基于事件的思想,提出了基于事件多因素驱动的地质时空大数据概念模型,并开展了相应的地质大数据存储管理逻辑模型、基于系统工程库的管理结构和地质时空对象管理模型设计.基于地质时空大数据逻辑组织管理模型和时空过程的非关系型分布式数据库架构,设计了地质大数据存储模型.融合三维地质建模技术、动态监测信息实时可视化等技术,构建了所需模型过程模拟的三维环境,通过绑定观测数据源,设计实现了基于OPC接口的模拟数据产生事件、作用对象响应的矿山动态开采流程.在王家岭煤矿首采区地质数据支持下开展了应用研究,实现地质时空事件条件下的矿山动态开采过程表达与数据管理,验证了本文模型的可行性和有效性.     

Hydrological Simulation Using TRMM and CHIRPS Precipitation Estimates in the Lower Lancang-Mekong River Basin

Satellite-based products with high spatial and temporal resolution provide useful precipitation information for data-sparse or ungauged large-scale watersheds. In the Lower Lancang-Mekong River Basin, rainfall stations are sparse and unevenly distributed, and the transboundary characteristic makes the collection of precipitation data more difficult, which has restricted hydrological processes simulation. In this study, daily precipitation data from four datasets(gauge observations, inverse distance weighted(IDW) data, Tropical Rainfall Measuring Mission(TRMM) estimates, and Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Stations(CHIRPS) estimates), were applied to drive the Soil and Water Assessment Tool(SWAT) model, and then their capability for hydrological simulation in the Lower Lancang-Mekong River Basin were examined. TRMM and CHIRPS data showed good performances on precipitation estimation in the Lower Lancang-Mekong River Basin, with the better performance for TRMM product. The Nash-Sutcliffe efficiency(NSE) values of gauge, IDW, TRMM, and CHIRPS simulations during the calibration period were 0.87, 0.86, 0.95, and 0.93 for monthly flow, respectively, and those for daily flow were 0.75, 0.77, 0.86, and 0.84, respectively. TRMM and CHIRPS data were superior to rain gauge and IDW data for driving the hydrological model, and TRMM data produced the best simulation performance. Satellite-based precipitation estimates could be suitable data sources when simulating hydrological processes for large data-poor or ungauged watersheds, especially in international river basins for which precipitation observations are difficult to collect. CHIRPS data provide long precipitation time series from 1981 to near present and thus could be used as an alternative precipitation input for hydrological simulation, especially for the period without TRMM data. For satellite-based precipitation products, the differences in the occurrence frequencies and amounts of precipitation with different intensities would affect simulation results of water balance components, which should be comprehensively considered in water resources estimation and planning.     

Hydrological modelling in the anthroposphere: predicting local runoff in a heavily modified high-alpine catchment

Hydrological models within inflow forecasting systems for high-alpine hydropower reservoirs can provide valuable information as part of a decision support system for the improvement of hydropower production or flood retention. The information, especially concerning runoff, is however rarely available for the calibration of the hydrological models used. Therefore, a method is presented to derive local runoff from secondary information for the calibration of the model parameters of the rainfallrunoff model COSERO. Changes in water levels in reservoirs, reservoir outflows, discharge measurements at water intakes and in transport lines are thereby used to derive the local, “natural” flow for a given sub-catchment. The proposed method is applied within a research study for the ÖBB Infrastructure Railsystem division in the Stubache catchment in the central Austrian Alps. Here, the ÖBB operates the hydropower scheme “Kraftwerksgruppe Stubachtal”, which consists of 7 reservoirs and 4 hydropower stations. The hydrological model has been set up considering this human influences and the high natural heterogeneity in topography and land cover, including glaciers. Overall, the hydrological model performs mostly well for the catchment with highest NSE values of 0.78 for the calibration and 0.79 for the validation period, also considering the use of homogeneous parameter fields and the uncertainty of the derived local discharge values. The derived runoff data proved to be useful information for the model calibration. Further analysis, examining the water balance and its components as well as snow cover, showed satisfactory simulation results. In conclusion, a unique runoff dataset for a small scale high-alpine catchment has been created to establish a hydrological flow prediction model which in a further step can be used for improved and sustainable hydropower management.     

Discretization approach in integrated Hydrologic Model for surface and groundwater interaction

The commonly used discretization approaches for distributed hydrological models can be broadly categorized into four types,based on the nature of the discrete components:Regular Mesh,Triangular Irregular Networks(TINs),Representative Elementary Watershed(REWs) and Hydrologic Response Units(HRUs).In this paper,a new discretization approach for landforms that have similar hydrologic properties is developed and discussed here for the Integrated Hydrologic Model(IHM),a combining simulation of surface and groundwater processes,accounting for the interaction between the systems.The approach used in the IHM is to disaggregate basin parameters into discrete landforms that have similar hydrologic properties.These landforms may be impervious areas,related areas,areas with high or low clay or organic fractions,areas with significantly different depths-to-water-table,and areas with different types of land cover or different land uses.Incorporating discrete landforms within basins allows significant distributed parameter analysis,but requires an efficient computational structure.The IHM integration represents a new approach interpreting fluxes across the model interface and storages near the interface for transfer to the appropriate model component,accounting for the disparate discretization while rigidly maintaining mass conservation.The discretization approaches employed in IHM will provide some ideas and insights which are helpful to those researchers who have been working on the integrated models for surface-groundwater interaction.     

格网技术对地理信息系统应用与发展影响的分析

格网技术作为新一代的 Web技术 ,必将深刻影响地理信息系统的发展。格网计算为数据密集型空间分析提供了计算资源支持。数据格网为海量空间数据分布式存储、管理、传输、分析提供了一体化的解决方法。格网技术为 VRGIS实时场景渲染和海量场景数据存储以及 GIS互操作问题的解决提供了一种新的思路。利用格网中的智能体组件动态组装应用软件将对 GIS应用开发方式产生重大影响。通过建立空间信息格网可以实现我国地理信息系统产业跨越式发展。     

分布式环境下矢栅一体化数据组织模型设计

随着地理信息技术与计算机网络技术的结合和发展,基于全球框架的地理信息服务对海量数据管理的要求越来越高,传统的单中心的关系数据库的管理模式已经不能满足要求。分布式文件系统、半结构化数据库和关系数据库技术优势互补,为海量数据高效管理提供了新的技术思路。本文提出了分布式环境下空间数据一体化存储管理架构,设计了矢量和栅格数据的数据逻辑组织和物理存储模型,通过统一的分层+分块的数据划分规则,实现了矢、栅数据分布式环境下的一体化管理。在该模型中,利用关系数据库和半结构化数据库的特点,对空间索引和实体数据分开管理,有效地提高了数据处理和访问效率。实验表明,该模型具有更高的数据管理能力,可为分布式环境下数据服务中心构建提供一个有效的解决方案。