河湖水系连通理论基础与优先领域

河湖水系连通是中国正在推进的重大治水战略,是提高国家水资源统筹调配能力、水生态环境修复能力和河湖健康保障能力的重大举措,也是提高水旱灾害抵御能力的重要保障。目前河湖水系连通的知识比较零散,尚未形成系统的理论体系,河湖水系连通理论基础的研究,对理论体系的构建、战略的实施和持续推进具有重要意义。本文基于河湖水系连通的理论研究的特征,提出其理论框架体系,分析了可持续发展、水利科学、经济学、生态学、系统科学等基础理论与河湖水系连通理论体系之间的内在关系。从当前国家实施河湖水系连通战略和构建河湖水系连通理论体系的迫切需求出发,本文提出了河湖水系连通理论研究的优先领域,包括河湖水系连通性与功能评价理论与方法、河湖水系连通水体耦合机制与系统稳定性理论、水系连通协调性理论、水系连通—经济格局匹配性理论、水系连通—生态环境影响机理与评估理论、水系连通巨系统不确定性与适应性理论等,优先突破重点领域理论研究,逐步形成和完善河湖水系连通理论体系,以科学、完整的理论体系支撑河湖水系连通治水战略高效、顺利实施。     

黄河流域分布式水文模型初步研究与进展

结合国家重点基础研究规划项目"黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理"的研究,综述了黄河流域分布式水文模型研究的主要进展,包括分布式水文模型的特点和基本结构、分布式水文模型中的数字高程模型(DEM)和水文学基础、地理信息系统(GIS)和遥感(RS)在分布式水文模拟中的应用等方面的内容,对未来分布式水文模型的研究提出几点认识。     

基于GIS/RS的流域水文过程分布式模拟——Ⅰ模型的原理与结构

面向流域水资源管理,提出了一个基于GIS/RS的流域分布式水文模型,模型主要包括单元水文模型与河网汇流模型两大部分。单元水文模型涉及到冠层截留、融雪、蒸散发、坡面流、非饱和土壤水运动和地下水出流等水文物理过程。产流计算考虑到地形坡度的影响采用基于地形指数的计算方法。汇流演算基于河网结构采用分段马斯京根方法。模型的大部分参数与输入信息可以利用GIS和RS技术获取,能够对气候变化和人类活动对下垫面的改变,做出快速的模拟与响应。     

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。     

基于分布式模拟的流域水平衡分析研究——以海河流域为例

流域水平衡分析是进行水资源科学评价与合理配置的基础,传统的流域水平衡分析大多是基于有限的站点观测资料和简单的集总式模型,很难适应考虑水循环空间变异性的复杂大流域水资源综合管理的需求.本文基于分布式水文模拟技术,探讨了一种能够考虑流域内部上、下游关系的水平衡分析方法.并以海河流域为例,构建分布式SWAT模型,对海河流域及水资源三级分区的水平衡状况进行分析,在此基础上探讨海河流域维持健康水平衡关系,降低流域蒸发,进行农业真实节水的必要性和有关对策.     

土地利用方式对珠江河口生态环境的影响分析

本文探讨了珠江三角洲近年来主要土地利用方式的变化,其中城市化和植被覆盖的减少,以及农业施肥量 的增加,是造成陆源污染物增加的主要原因。分析了影响珠江河口生态环境的主要陆源污染物(泥沙、氮磷营养元 素、重金属和有机物)的产生和迁移过程,以及对河口生态环境的影响关系。从分析中可以看到,土地利用的变化能 够影响陆源污染物质的产生和迁移,合理的土地利用方式是降低陆源污染物质,改善珠江河口生态环境的重要措 施。陆源物质的产生与水循环密切相关,利用流域分布式水循环模型量化研究不同土地利用下的陆源物质产生、迁 移以及对河口生态环境的影响是未来主要发展方向。     

潮河流域降水-径流关系变化及驱动因子识别

基于1973-2010年长系列日降水、径流数据,利用降水径流双累积曲线、M-K统计检验和降水集中度等方法,结合HIMS模型模拟结果,分析了潮河流域降水-径流关系的变化及其原因。得到的主要结论如下：（1）近38年来,潮河流域降水变化较小,但径流下降趋势显著,降水-径流关系发生了两次突变,即在1973-1983年、1984-1998年和1999-2010年三个阶段降水-径流关系存在明显差异;（2）大雨日降水总和（P_≥20）与径流深关系较为密切,其变化是导致降水-径流关系在1983年发生突变的主要驱动因子;（3）HIMS模型模拟结果显示,1999-2010年潮河流域下垫面条件较前两阶段变化明显,人类活动引起的减水效应由第二阶段的14.93%增加至第三阶段的25.78%,人类活动是导致降水-径流关系在1998年发生突变的主要驱动因子。     

黑河流域上游融雪径流时间变化特征及成因分析

以黑河流域上游莺落峡水文站和札马什克水文站1959-2008年及祁连水文站1967-2008年的天然径流序列为基础数据, 通过计算水文站的流量质心时间来表示融雪径流时间, 研究了黑河流域上游融雪径流时间变化的特征. 结果表明: 莺落峡站和札马什克站自20世纪70年代起, 融雪径流时间表现为提前的趋势, 祁连站自20世纪80年代起融雪径流时间提前.野牛沟站和祁连站10月至次年4月降水量增加或4-7月气温升高, 会使得莺落峡站融雪径流时间提前, 札马什克站融雪径流时间的提前与野牛沟站10月至次年4月降水量的增加具有较高的相关性, 祁连站融雪径流的提前与祁连气象站4-7月气温升高的相关性较强.通过分析莺落峡站融雪径流时间与年径流及各季节径流的相关性, 可知如果融雪径流时间提前, 莺落峡站观测到的年径流量和夏秋季的径流量均会减少, 而同时冬春季的径流量会增加, 这对合理安排流域水资源配置和管理具有重要的指导意义.     

水系统综合管理与模拟工具(WIM)的设计与开发

大规模的人类活动已经将不同流域连接为一个整体系统,针对跨流域复杂水问题的研究,从科研和管理的角度,迫切需要发展集多源数据集成、水循环过程模拟和决策支撑为一体的水系统综合管理与模拟平台。本文面向国家需求,采用面向对象设计方法,基于GIS平台创建了具有自主知识产权的WIM(Water system Integrated Modeling and Management Tool)系统。WIM是一个基于模块化结构的水系统综合管理与模拟工具,实现了水循环多源数据集成和多过程耦合模拟,具有数据动态加载、模型在线耦合和模块按需定制等功能。WIM提出为复杂水问题的研究,跨流域调水对陆地水循环影响与水安全分析提供了支撑,促进了中国在水循环综合模拟与系统集成等方面的科技发展。     

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。