基于MODIS和SRM的拉萨河流域融雪径流模拟研究

积雪融水是高海拔地区重要的水资源补给,开展高海拔地区的融雪径流模拟研究具有重要的理论价值和现实意义.拉萨河流域是典型的高海拔地区,本文借助遥感和GIS技术,结合MODIS (moderate-resolution imaging spectroradiometer)遥感数据和DEM资料分析拉萨河流域不同高程的雪盖分布状况和雪盖衰退曲线.基于SRM(snowmelt runoff model)构建了拉萨河流域融雪径流模型,对流域2002-2003年融雪径流过程进行了模拟,确定性系数达0.80,模拟结果较好,基本反映了拉萨河流域融雪期的径流过程,初步探讨了缺资料地区融雪径流的模拟方法.     

CMFD数据集在雅江年楚河流域的适用性分析

积雪融水是高海拔地区河流的重要补给水源,但高海拔地区资料稀缺,水文模拟面临极大的挑战．本文基于中国区域地面气象要素驱动数据集提供的降水、气温资料,结合MODIS雪盖数据,以2004—2009年为率定期,2010—2015年为验证期,在年楚河流域构建SRM模型,并以气象站点的实测资料为参照,对比分析了中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集在年楚河流域的融雪径流模拟效果．结果表明:基于气象站点实测降水和温度的融雪径流模拟纳什效率系数在率定期和验证期分别为0.75和0.68;基于中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集的融雪径流模拟纳什效率系数在率定期和验证期分别为0.77和0.78,径流模拟效果有所提高．CMFD再分析数据集可为缺资料地区的水文模拟提供数据来源,对高寒地区的融雪径流模拟具有一定的参考价值．      

雅江流域多源遥感驱动的SRM模型精度影响因子研究

利用多源遥感数据驱动SRM模型模拟雅鲁藏布江4个不同水文站控制流域的融雪过程,分析流域特征(面积、地形地貌因子、植被类型)、模型输入变量(气温、降水、积雪覆盖率)对遥感驱动SRM模型模拟精度的影响.研究表明:遥感驱动的SRM模型在雅鲁藏布江研究区域模拟精度较高,NSE系数达到0.83以上;但其精度受流域面积大小的影响,具有尺度阈,在一定面积尺度上模拟精度最大,流域地形越复杂,其模拟效果越差;植被覆盖类型影响融雪径流过程的模拟,进而影响模拟结果;模型3个主要输入变量气温、降水、积雪覆盖率对遥感驱动的SRM模型的模拟精度同样有很大程度的影响.研究结果对资料匮乏的高海拔地区水资源利用具有重要意义,同时可为遥感驱动的SRM模型的推广应用提供有效支撑.     

基于神经网络与半分布式水文模型相结合的缺资料区径流估计模型 ——以莺落峡流域为例

针对黑河上游莺落峡流域海拔较高区域降水缺测问题,基于半分布式水文模型TOPMODEL,利用神经网络(ANN)融合海拔较高区模拟降水与流域稀疏站点观测作为降水输入计算产汇流,并利用粒子群优化算法进行参数全局优化以同时率定TOPMODEL与ANN参数,从而构建基于ANN与半分布式水文模型TOPMODEL相结合的径流估计模型P-NN-TOP.利用1990—1995年莺落峡水文控制站观测日径流进行模型进行参数率定,利用1996—2000年的相应观测进行模拟验证,并借助所发展模型P-NN-TOP对2001—2010年的日径流进行估计与分析.结果表明:在模型率定和验证期,新发展的P-NN-TOP模型较其他模型表现出明显的优势,在观测站点稀疏情况下能较好地融合站点观测和模式模拟信息;并在兼具输入数据可获取性的同时提高了径流模拟的精度.此外,结果还显示2001年为模拟与观测日径流相关性的年突变点并从2004年开始明显降低,与上游水电站的开发使用在时间上基本一致,表明所发展的P-NNTOP模型能较为合理描述2001—2010年出山流量日变化,在探索径流估计新方法的同时也为类似流域的洪涝预警和水资源调配提供一定参考.     

物理性分布式水文模型参数灵敏度分析在Bukuro流域的应用

以日本Bukuro流域为例,运用Morris筛选法结合误差评价基准,对自主构建的径流-融雪耦合分布式水文模型中物理参数进行灵敏度分析.结果表明:影响降水-径流过程的土壤参数灵敏度由大至小依次为土壤垂直剖面第一层层厚、横向透水系数、垂向渗透系数、糙率;影响融雪过程的融雪参数灵敏度由大至小依次为容积传输系数、温度修正系数、积雪层表面漫反射因数;土壤垂直剖面第一层参数主要影响径流量的计算值,而土壤第二层参数值会影响模拟结果与观测值之间的时间差.本研究方法可为物理性分布式水文模型构建、验证及其在中小尺度流域应用中的参数率定提供借鉴.     

基于BP神经网络的玛纳斯河流域雪盖率预测

为了实现对新疆玛纳斯河流域的雪盖率预测,为该区融雪径流预报提供数据支撑,本文选取反向传播(BP)神经网络模型时间序列预测的方法对研究区雪盖率的预测问题进行了研究.首先基于2001-2012年研究区中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)积雪数据产品MOD10A2提取研究区雪盖并计算雪盖率,分析研究区雪盖率变化在时间上的自相关性,据此选取对预测值影响较大的相邻若干个历史时刻的雪盖率以及往年同期雪盖率的均值作为模型输入变量,建立神经网络模型,并选取相关系数与确定系数作为模型预测效果的评价指标.结果表明:以BP神经网络时间序列预测方法预测2012年积雪覆盖率,输入变量为与待预测雪盖率相邻的前期雪盖率值与往年同期雪盖率均值,预测值与实际值的相关系数为0.80,确定系数为0.61,预测结果基本反映了2012年雪盖率的年内变化趋势,可以为融雪径流模型(SRM)径流预报提供一定的数据支撑.     

冰雪融水与雨水混合洪水的预报方案

基于NAM融雪径流计算思路,改进了SRM融雪径流模型,使SRM与三水源新安江流域预报模型形成统一整体,构建了冰雪融水与雨水混合洪水预报模型.为进一步提高洪水预报精度,弥补积雪量、气温等相关因子实测资料的不足,考虑运用实测水位(流量)资料进行实时校正.同时运用卫星遥感图及GIS系统工具,结合模型参数调试,实现模型参数的确...     

考虑积融雪的BTOPMC模型及其在岷江上游流域的应用

对于有积雪覆盖地区的径流预报来说,积雪融雪模型至关重要,它直接影响着水文模型的适用范围和模拟精度.建立了一种基于温度指标的可用于缺资料流域的积融雪模型,并与分布式水文物理模型BTOPMC进行耦合.通过在岷江上游流域的应用发现,考虑积融雪过程的BTOPMC模型平均纳希效率系数达到75.26%,而原BTOPMC模型平均纳希效率系数仅69.58%,提高了5.68%.通过比较径流模拟曲线发现,考虑积融雪后的BTOPMC模型在积雪期和融雪期的模拟流量与观测流量更为接近.     

高寒流域水文模拟与径流水源解析——以雅鲁藏布江帕隆藏布上游流域为例

为深入研究高寒流域河川径流的水源解析,选取雅鲁藏布江帕隆藏布上游流域为研究区,采用月流量、遥感积雪面积数据、实测冰川径流数据等多目标率定方法,改进单一依靠流量数据率定模型的方法,基于SPHY(Spatial Processes in Hydrology)水文模型开展水文模拟及径流组分研究,提高了总体建模质量.结果表明：在率定期和验证期Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.95和0.94,模型具有较好的适用性.降雨径流、融雪径流、冰川径流和基流作为径流来源,占总径流的比例分别为10%、25%、45%和20%,冰川径流和融雪径流是最重要的补给来源.月尺度上,冰川径流在7-8月占比最大,融雪径流在4-6月占比最大,降雨径流在各月占比最小.冰川径流占比最高,短期内可提供更多水资源保障社会经济发展,长期而言冰川径流将逐渐减少,造成水资源短缺.因此,当地需提高应对径流变化潜在风险的策略.     

流量数据量对分布式水文模型参数率定结果的影响分析--以黑河流域上游为例

缺资料流域水文模型的参数率定是水文学科的一个研究重点.除传统的参数区域化方法以外,考虑到在部分缺资料流域可能存在少量短时间序列或零星不连续径流量观测数据的实际情况,近年来采用少量不连续径流量观测数据率定模型参数的方法逐渐引起关注.本研究以我国西北内陆的黑河流域上游为研究区域,选取分布式水文模型SWAT(Soil and Water Assessment Tool)为研究工具,使用SUFI-2方法作为参数自动率定与不确定性分析工具,分析不同径流量观测数据数量对模型参数率定结果的影响.研究结果显示,4组不同径流量数据在验证期的Nash效率系数均为0.67,表明使用1年的径流量数据进行参数率定时所获得的模拟效果可以达到使用多年径流数据率定参数的水平;比较各组模拟结果获得的P因子和R因子,表明使用1年径流量数据进行模型率定的不确定性会更大.     

融合AR模型和MCMC方法的水文模拟不确定性分析

为提高水文模型参数识别的可靠性,融合自回归模型与马尔可夫链-蒙特卡洛方法(auto regressive model based modified Markov Chain-Monte Carlo,AR-MCMC),利用自回归模型刻画残差序列的自相关性,修正MCMC方法中的残差协方差矩阵。通过新疆提孜那甫河流域融雪径流模型(SRM)的案例分析发现:融雪径流模拟的残差序列具有显著的自相关性;修正残差协方差矩阵后,边缘似然值更大;综合考虑多项评价指标,AR-MCMC方法在识别期与验证期推求的预测区间均优于MCMC方法;对比2种方法在识别期与验证期的纳什系数,采用AR-MCMC方法依次为0.86、0.89,而采用MCMC方法依次为0.84、0.87,即AR-MCMC方法获取的模型拟合效果更好。分析结果表明,相对于传统的MCMC方法,AR-MCMC方法能够更好地对研究区融雪径流过程进行模拟预测。     

水文响应指数及其在TOPMODEL参数区域化中的应用

提出一个描述流域单元地表特征的指数,该指数由TOPMODEL的地形指数(TI)和SCS的径流曲线数(CN)组成.以黄河中游的洛河流域为研究区,应用遥感和地理信息系统技术构建了水分响应指数(HRI),在分析其地学意义的基础上,提取了流域的水分响应单元(HRU).应用TOPMODEL率定了模型参数,建立了HRI和单元特征与主要模型参数的统计关系.利用该关系反演的参数验证流域的径流模拟,取得了较好的效果.试验结果表明,该指数可以用于流域的空间离散和水文模型参数的区域化分析,为资料缺乏地区的水文模型参数移用提供了新的方法.     

基于UEB模型的黄河源区黄河沿—达日区间融雪径流模拟

为了研究黄河源区的融雪径流量与季节分布规律,采用犹他能量平衡融雪模型(UEB)对黄河源区黄河沿—达日区间进行降雨和融雪径流模拟.利用2012年10月1日至2017年9月30日的降水、风速、气温和比湿数据,分析研究区域内降雨和降雪的季节分布、融雪和气温的关系.结果 表明:(1)模型判定的雨、雪天气与国家基准气象站观测结果...     

分布式水文模型多参数优化与不确定性分析

水文模拟效率高、应用范围广,但参数的率定仍存在一定困难,尤其是分布式水文模型因数据集较大,对参数优化与率定技术提出了更高的要求.为此,提出一种单纯形算法(Simplex algorithm)结合内尔米德(Nelder-Mead)搜索算法的优化方法,并以温德河流域为研究案例,采用分布式水文模型和Nelder-Mead单纯形法,分别考查多种目标函数并获得相应的纳什系数(NSE)、均方根误差(RMSE)等评估系数.结果表明:经寻优后得到的参数准确性较高,且均在合理物理意义的取值范围内,4次洪水模拟的NSE系数均达到0.9以上;以残差平方均值为目标函数所得到的NSE效率系数及RMSE系数均优于其他目标函数结果.此外,通过不确定性分析方法的进一步验证,优化参数和参数率定结果具备科学可靠性.     

基于TETIS模型的东北黑土区乌裕尔河流域径流模拟

将TETIS模型引进我国东北黑土区,以乌裕尔河流域为例,进行了径流模拟,结合SCEUA算法与手动调参,对1971—1987年日径流进行了模型的率定与验证,并对流域水量平衡进行了分析。结果表明:率定期和验证期纳什效率系数(ENS)和决定系数(R2)均超过0.7,水量平衡误差均不超过10%。蒸散发是流域水量的主要输出形式,地表径流为河道径流量的主要组成部分。年内径流量差异较大,夏季最多,冬季最少。结合模型评价指标与流域实际地理环境,认为TETIS模型在东北黑土区适用性良好。     

基于SWAT模型的锦绣川流域土地利用和覆被变化的水文响应分析

为了解决济南锦绣川流域土地利用变化显著的问题,保护济南泉水的重要补给区,研究流域土地利用和覆被变化的水文响应,构建建立SWAT模型所需的流域的土地利用数据库、土壤数据库以及2006—2012年的水文气象数据库,利用SWAT模型模拟流域径流过程并率定模型参数;通过遥感影像分析1988、1996、2002、2009、2014年夏季的系列土地利用和覆被变化,利用率定后的模型模拟降水条件相同而下垫面条件不同时的流域径流过程,定性评价流域土地利用和覆被变化的水文响应,并分析其影响因素。结果表明:SWAT模型可以较好地模拟研究区的径流过程,具有较强的适用性;土地利用变化会引起流域年径流总量与年内流量过程的变化,1988—2002年及2002—2014年流域地表径流分别增加了0.92%、0.66%;水体、道路、居民点用地面积大幅增加与草地面积减少是流域径流变化的主要原因。     

基于SWAT模型的汾河上游径流过程模拟研究

以汾河上游流域为研究对象,用宁武、静乐、岚县、娄烦和古交等气象站和水文站2000到2011年间的气象、水文等资料,结合DEM数据、LUCC数据、土壤空间分布,构建汾河上游水文模型.应用LH-OAT法对其进行参数敏感性试验,应用SUFI2法和手动调参相结合的方法对模型参数进行率定和验证,然后进行径流模拟.结果表明,在模型率定与验证期,除了2006-2011年干季,受汾河上游头马营引黄调水影响,使其模拟值与实测值相比偏小以外,总体来说模拟与实测径流的Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.78和0.79,相对误差为5.8%和8.7%,均小于10%,径流量和降水等指标对于土地利用/覆被变化比较敏感.SWAT模型在汾河上游模拟效果较好,有较强的适用性.     

基于径流模数的LSTM模型在无资料嵌套流域的应用

针对LSTM模型参数在无资料嵌套流域移植效果不佳的问题,以屯溪流域为研究对象,以其嵌套子流域为参证流域,综合考虑面积因素对参数移植法的影响,建立了基于径流模数的LSTM模型(RM-LSTM模型),并采用参数移植法进行流域洪水过程模拟。结果表明:RM-LSTM模型在研究流域应用效果较好,模拟结果的确定性系数达0.87,洪峰、洪量及峰现时间合格率均在85.0%以上;在参证子流域内,RM-LSTM模型参数移植后模拟结果的确定性系数及洪峰、洪量、峰现时间合格率较LSTM模型参数移植结果均有明显提升;RM-LSTM模型能够更好地考虑流域面积变化对参数移植方法的影响。     

雅鲁藏布江奴下水文站以上流域水文过程及其对气候变化的响应

以雅鲁藏布江奴下水文站以上流域为研究对象,针对缺资料流域的水文计算和预测问题,采用流域水文模型THREW,用地面气象观测、遥感植被覆盖和积雪面积等资料,基于断面水文监测数据对模型进行率定,应用CMIP5数据对径流演变进行预估。结果表明:对于雅鲁藏布江奴下水文站以上流域,THREW模型对1991—1995年率定期月径流模拟的纳什效率系数为0.75,对1996—2000年验证期月径流模拟的纳什效率系数为0.76;IPCC AR5所设置在CO2排放量最大的情况下,径流明显增加。     

基于SWAT模型的黄河源区径流模拟

为了研究SWAT分布式水文模型在黄河源区的适用性,采用该模型对黄河源区径流进行模拟。使用黄河源区的DEM数据、土地利用数据、土壤数据和气象数据建立黄河源区的SWAT模型,利用SWAT-CUP软件和SUIF-2算法进行参数率定,以纳什效率系数(NSE)和相对误差(Re)作为模型的评判标准,分析SWAT模型对黄河源区的径流模拟效果。结果表明:黄河源区月径流模拟值与实测值吻合较好,模型模拟率定期(1975—2000年)和验证期(2001—2012年)的NSE和Re分别为0.81,-0.004和0.80,0.058,表明SWAT模型能够很好的模拟黄河源区的月径流。SWAT模型在黄河源区具有较好的适用性。