分布式模型在流域蒸散模拟中的应用与验证

根据四川杂谷脑河流域上游地区1989～2000年气象站常规观测数据,应用分布式模型方法,考虑流域的空间异质性及时空变异性,选择离散单元格尺度为500 m,时间步长为1 d,采用Penman-Monteith公式的改进形式,估算流域多年平均潜在蒸散量的时空分布;结合流域下垫面特点,估算逐日实际蒸散量的时空分布;并将模型模拟的多年平均值与研究区同期水量平衡法计算结果相比,相对误差为+3.47%且时空分布合理.为流域分布式降雨-径流模型提供了可靠的实际蒸散量模拟方法.     

分布式模型在流域蒸散模拟中的应用与验证

根据四川杂谷脑河流域上游地区1989～2000年气象站常规观测数据,应用分布式模型方法,考虑流域的空间异质性及时空变异性,选择离散单元格尺度为500 m,时间步长为1 d,采用Penman-Monteith公式的改进形式,估算流域多年平均潜在蒸散量的时空分布;结合流域下垫面特点,估算逐日实际蒸散量的时空分布;并将模型模拟的多年平均值与研究区同期水量平衡法计算结果相比,相对误差为+3.47%且时空分布合理.为流域分布式降雨-径流模型提供了可靠的实际蒸散量模拟方法.     

流域水碳过程耦合模拟——WaSSI-C模型的率定与检验

在复杂的气候变化条件下, 利用水碳耦合模型进行生态水文学研究成为主要的研究手段和途径。该文以杂谷脑河上游流域为例, 在确定生态水文模型WaSSI-C模拟尺度的基础上, 探讨水碳耦合模型在中国西南湿润地区的适用性。杂古脑河上游流域位于岷江上游, 隶属于长江流域。在分析和讨论了模型结构和机理的基础上, 分别对模型蒸散和融雪计算进行了补充改进, 以提高模型的适用性。将1988-1996年作为模型的率定期, 1997-2006年作为模型的验证期, 分别在率定期和验证期利用实测的径流数据和中分辨率成像光谱仪数据的总初级生产力、蒸散(ET)数据, 对模拟结果进行对比验证。并利用决定系数(R²)和Nash-Sutcliffe效率系数(NS)两个指标对模拟效果进行评价。流域总径流率定期和验证期对比验证的R²分别为0.86和0.78; NS分别为0.82和0.67。总生态系统生产力和ET验证期的R²分别为0.89和0.78。可见模型模拟结果的两个评价指标都处于较为理想的区间内, 说明WaSSI-C模型在研究区内具有较好的适用性。并对模型的蒸散计算方法进行了讨论, 在此基础上提出了模型中存在的问题和改进的方向。     

浑太森林流域径流过程模拟

基于浑河与太子河上游1998-2007年北口前站和南甸峪站水文数据以及清原、新宾和本溪县气象站点同期气象数据,应用DHSVM分布式水文模型模拟浑太流域的水文过程,验证模型的科学适用性,并提供最敏感模型参数的参考值.结果表明：浑河源区月径流模拟的Nash-Suttclife系数(E值)在率定期(1998-2002年)和验证期(2003-2007年)分别达到0.9675和0.8957,较好重现了研究区的月径流过程.太子河上游流域的年、月径流模拟值的E值均大于0.6,说明模型在浑太流域有较好的适用性、率定的参数方案有良好的可靠性.本文为无站点观测资料的流域水文研究建立了一个坚实的框架,并构建了合理的参数方案.     

奎屯河流域春季融雪期SCS-CN模型参数取值方法

水资源是保障我国西北干旱半干旱地区生态环境安全的关键因素。以新疆奎屯河流域为例,通过修正SCS模型土壤持水量及初损率参数计算方法,寻找适用于干旱半干旱地区山区典型流域春季融雪期径流模拟模型,为流域掌握水资源量及生态用水提供决策依据。与以往研究不同之处在于:首先,引入度-日模型修正降水量参数,以满足流域降雨-融雪混合补给径流特征。其次,利用多期MODIS数据驱动的TS/VI特征空间理论结合土壤水分吸收平衡原理计算土壤持水量参数(S);再运用聚类分析法对初损率(λ)取值方法进行改进。通过参数算法改进后的SCS模型,参数率定期和验证期纳什效率系数和相对误差系数分别为0.92和0.64,0.7%和-1.5%。结果表明:1)参数算法改进后SCS模型能实现奎屯河流域春季融雪期日径流模拟。2)利用遥感大尺度地表信息参数化技术反演SCS模型参数,实现了遥感数据为SCS模型提供大尺度空间数据的同时,间接实现了模型参数由点状数据向面状数据转化的可能;3)初损率(λ)多组取值法可有效提高干旱半干旱地区大尺度流域径流模拟精度。     

封面说明

正封面图片由福建农林大学资源与环境学院研究生刘艳娇于2019年7月拍摄于四川省阿坝藏族羌族自治州理县米亚罗林区(31°37′—31°48′ N,102°42′—102°52′ E)。该区域地处邛崃山脉东坡高山峡谷地带,岷江支流-杂谷脑河上游,海拔3045～3196 m, 年平均降水量600～1100 mm, 受高山地形影响形成季风山地气候。川西亚高山针叶林在长江上游区域的水源涵养和生物多样性保育方面发挥着至关重要的作用。20世纪中期,     

昆明市明通河流域降雨径流水量水质SWMM模型模拟

选取昆明市明通河流域为研究区域,在暴雨管理模型(SWMM模型)参数敏感性分析、模型率定的基础上,对明通河流域进行了降雨径流水量水质模拟。结果表明:SWMM模型水文水力模块中最灵敏参数为不透水率,水质模块中污染物最大累积量、污染物累积速率均为灵敏参数,而冲刷系数和冲刷指数的灵敏度受降雨强度影响波动较大。水量水质模拟结果与实测结果较为吻合,模型率定取得了满意的结果。模拟结果显示,研究区降雨径流总氮、总磷、化学需氧量单位面积负荷率分别为75.6、8.5、697.8 kg hm-2a-1,城市降雨径流污染在滇池流域面源污染中占有较大份额。     

小波变换在岷江上游杂古脑流域径流时间序列分析中的应用

采用Dmey小波函数对杂古脑(岷江的一个重要流域)水文站41年(1962～2002)的月径流时间序列进行了多尺度分析和周期性分析.结果表明,无论在64月(5.4年)还是在128月(10.7年)的时间尺度上,1962～1978年期间杂古脑流域植被虽然破坏严重,但其径流相对稳定,并略低于多年历史平均;1986～1997年期间径流明显处于上升趋势,表明全球变暖对岷江上游水文动态规律具有重要影响.周期性分析发现,在最近40多年间,杂古脑流域径流出现了多次丰枯交替,次数与时间尺度有关(5年尺度7次,10年尺度3次).这表明在流域尺度上研究土地利用/土地覆盖变化的水文效应时应考虑全球气候变化的影响.     

深圳市土地利用变化对流域径流的影响

土地利用所引起的流域下垫面变化严重影响着洪涝灾害的致灾过程,以深圳市为例,探讨下垫面条件对流域径流过程的影响,应用美国农业部水土保持局（Soil Conservation Service)研制的小流域设计洪水模型-SCS模型对深圳市部分流域进行了径流过程的模拟,重点分析 了土地利用方式、土壤类型、前期土壤湿润程度等下垫面因素以及降雨因素对降雨-径流关系的影响。结果表明,随着人类活动的加剧,土地利用的变化使径流量趋于增大;降雨强度越大、前期土壤湿润程度而发生变化,CN值（Curve Number)的高值区主要集中在城市用地和水体;低值区主要出现在林地、灌草地、果园等植被覆盖较好,地势起伏较大的地区。     

漓江上游典型森林植被对降水径流的调节作用

利用野外同步长期定位观测林外降雨、地表径流和河川径流的方法,对漓江上游典型森林植被的生态水文过程进行观测研究。结果表明:1)流域降水年内分配极不均匀,50a年降雨量总体变化趋势不明显。林冠截留受林外降雨特征的影响,也与植被类型密切相关。2)地表径流平均滞后时间为70 min。在连续降雨的情况下,降雨滞后效应不再明显,甚至出现地表径流与降雨同步的现象,小降雨可能产生大的地表径流,从而加大流域在雨季发生洪灾的风险。3)湿季径流系数略大于旱季,干季降水量减少,且森林植被消耗大量水分,减少了枯水期径流的产生,增大发生旱灾的风险。森林植被延长河川径流持续时间,使一次持续18 d的降水过程形成的径流,在降水停止后能延续24 d。降雨后退水持续时间与前期降水及后期降水叠加有关。目的为揭示漓江上游森林植被对降水径流的调节作用,客观评估漓江上游水资源潜力、加强流域水资源管理和森林经营提供科学依据。     

GIS-based distributed model for simulating runoff and sediment load in the Malian River Basin

GIS-based modeling is an effective approach for reflecting spatially-varied complexities in watershed systems. In this study, a GIS-aided distributive hydrological model was developed to simulate runoff and sediment transport in a loess-plateau context with semi-arid climate, sparse vegetation, and serious soil erosion. The model was then applied to a case study in the Malian River Basin, which is one of the largest catchments in the middle reach of the Yellow River. Based on the GIS technique, the DEM of the study basin was successfully used to delineate the stream network and extract information of catchment characteristics. The results show satisfactory accuracy for runoff simulation. Especially, the integrated soil-erosion and hydrological models can be used for simulating both runoff and sediment loads, which provide a useful decision-support tool for water resources management and pollution control. This study is an attempt to develop a distributed rainfall-runoff model for river basins in the loess plateau region. The developed model can also be extended to larger basins. Further works of field survey and investigation would be helpful for better calibrating critical parameters and thus improving performance of the developed model.     

The limitations of assessing impacts of land use changes on runoff with a distributed hydrological model: case study of the Hron River

A distributed hydrological model was applied for estimating changes in a runoff regime due to land use changes. The upper Hron river basin, which has an area of 1766 km² and is located in central Slovakia, was selected as the pilot basin. A physically-based rainfall-runoff model with distributed parameters was used for modelling runoff from rainfall and melting snow. The parameters of the model were estimated using climate data from 1981–2000 and from three digital map layers: a land-use map, soil map and digital elevation model. Several scenarios of changes in land use were prepared, and the runoff under the new land use conditions was simulated. Long-term mean annual runoff components and the design maximal mean daily discharges with a return period from 5 to 100 years under the previous and changed land uses were estimated and compared. The simulated runoff changes were confronted with expert judgments and estimates from the literature. Limitations of the use of distributed models for estimating land use changes are discussed.     

森林流域坡面流与壤中流耦合模型的构建与应用

采用饱和入渗理论、Saint-Venant方程和Richards方程构建了以有限差分法求解的坡面流与壤中流耦合模型,并模拟了不同坡度和不同雨强下的坡面产汇流室内实验.结果表明：该模型模拟的坡面流和壤中流过程与实测过程基本一致,峰现时间、径流历时、峰值流量、出流总量模拟值与实测值的相对误差均较小,基本小于10%.模型的模拟精度较高,实用性较强,为深入研究壤中流机制和改进流域降雨-径流模型提供了理论依据.     

土地覆被变化的水文响应模拟研究

采用近年来快速发展的水文模型模拟的手段,应用SWAT模型模拟了长江上游梭磨河流域不同土地覆被情景下的多年降水径流关系,定量地评估了梭磨河流域的土地覆被变化对径流、蒸发和洪峰流量的影响.结果表明,随着土地覆被状况由无植被到全是有林地覆被,径流深减小,蒸发量增加,枯季径流深减小幅度明显小于雨季的减小幅度,而且雨季初期径流深减小的幅度大于雨季后期.相同的洪水重现期,流域全为有林地覆被的情景比无植被的情景洪峰流量减小31.2%.现状覆被与未来最佳覆被之间在较大洪水上的差别不大,在较小洪水上的差别稍大.     

反坡水平阶对坡耕地径流和泥沙的调控作用

基于天然降雨径流小区,动态监测了澄江抚仙湖一级支流尖山河小流域坡耕地降雨-径流过程及水土流失量,研究了反坡水平阶对云南红壤坡耕地水土流失的调控作用.结果表明：反坡水平阶对研究区地表径流调控率在49.5%～87.7%,产沙调控率在56.7%～96.1%,平均可削减地表径流65.3%、减少泥沙流失80.7%,产流产沙调控作用显著,且产沙调控作用更明显;原状坡面和反坡水平阶处理中各参数的变异系数均依次为：泥沙流失量>径流量>产径流降雨量.与原状坡面相比,反坡水平阶处理下径流量、泥沙量的相对偏离程度较小,说明反坡水平阶对研究区坡耕地水土流失调控作用显著.     

洞庭湖流域中上游地区景观格局变化的水文响应

将洞庭湖流域中上游地区1980、1995和2000年的Landsat MSS和TM卫星照片解译所得的景观数据,与经过最大似然估计法“消噪”的湘、资、沅、澧四水入湖水文站的年内最高洪峰水位、最大瞬时流量、年入湖径流量和年入湖泥沙量数据进行Paneldata模型处理,并对处理后的景观和水文数据进行灰色分析和主成分分析。结果表明：研究区最高洪峰水位的变化受景观格局变化影响最大,入湖泥沙量的变化受景观格局变化影响最小。对最高洪峰水位变化影响最大的是山地水田、水库坑塘和灌木林地疏林地景观面积的变化,影响指数值分别达-48．5、-48．1和45．2;对最大瞬时流量变化影响最大的是水库坑塘、水田（山地水田除外）和灌木林地疏林地景观面积的变化,影响指数值分别达-41．9、41．2和41．2。有林地景观因林分差和林种结构单一,对各水文特征指标变化的影响较小,影响指数值分别仅为-10．1、-13．5和-14．5。     

土地覆被变化的水文响应模拟研究

采用近年来快速发展的水文模型模拟的手段,应用SWAT模型模拟了长江上游梭磨河流域不同土地覆被情景下的多年降水径流关系,定量地评估了梭磨河流域的土地覆被变化对径流、蒸发和洪峰流量的影响．结果表明,随着土地覆被状况由无植被到全是有林地覆被,径流深减小,蒸发量增加,枯季径流深减小幅度明显小于雨季的减小幅度,而且雨季初期径流深减小的幅度大于雨季后期．相同的洪水重现期,流域全为有林地覆被的情景比无植被的情景洪峰流量减小31．2％．现状覆被与未来最佳覆被之间在较大洪水上的差别不大,在较小洪水上的差别稍大．     

海绵城市建设对流域海绵体生态水文过程的改善

快速城市化驱动的不透水面比例增加是引起流域洪峰和径流总量增加的直接原因,海绵城市建设通过生态基础设施网络构建增加流域透水面比例,是重构流域生态水文过程的重要途径。但是海绵城市建设在流域海绵体生态水文过程中发挥的作用尚不清楚。本文以深圳市布吉河流域洪湖片区为例,通过雨季水文过程要素在线连续监测来确定海绵城市建设是否改善洪湖片区生态水文过程。结果表明,中观尺度上,雨季降雨量对洪湖片区地表径流总量无直接影响,降雨强度显著影响洪湖片区地表径流峰值流量（P<0.05）,日降雨量对布吉河水质影响极显著（P<0.01）。洪湖片区通过28.3%（0.85 km2）海绵面积建设,透水面比例提升,以生物滞留设施和透水铺装等强化片区蒸散和下渗过程,减少雨季径流97.2%（248.72万m3）,削减典型降雨峰值流量98.2%以上,降低易涝点积水水位至7.8 cm以下,2.8%形成河川径流（布吉河）,海绵面积（比例）和地表径流量削减无直接量化关系。洪湖片区污染物截留时空随保水能力得到提升,控制排放SS月均浓度均低于15.60 mg/L,污染物通过径流裹挟进入布吉河的总量和速率降低,促使布吉河黑臭消除、水质提升至IV类。海绵城市建设对微观尺度生态水文过程的影响与中观尺度存在差异,降雨量等因素与典型项目生态水文过程量化关系不明显。学校、道路和社区公园利用绿色屋顶、透水铺装等强化下渗、蒸散,可削减雨季径流99.0%以上、削减峰值流量97.0%以上,控制SS月均浓度低于17.10 mg/L。总之,以上研究结果强烈表明海绵城市中微观尺度源头减排设施和调蓄设施的耦合建设模式可以削减洪湖片区径流总量、峰值流量、积水水位和径流污染,是一种改善相似流域生态水文过程的有效途径。