双参数月水量平衡模型——汉江上游水文模拟

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近年来全球性的气候变化以及人类活动对水资源的数量和质量及空间分布产生了深刻的影响,中长期水循环和水资源的分配成了水利规划中的热点问题。流域水文模型对水文过程进行认识和概化,研究水文循环在不同时间和空间上的演变规律和过程,解决水文实践问题的主要工具。 本文构建和研究的双参数月水量平衡模型主要结合流域土壤中的含水量,以质量守恒原理为理论基础,将各个水文过程或变量的关系概化成经验函数来模拟流域水文过程,尤其模拟流域的月蒸散发和月径流深。在同类水文模型相比较,双参数月水量平衡模型结构简单,参数较少,对资料的要求不高,易于推广应用。 双参数月水量平衡模型以月蒸散发量和月径流量的计算为理论,应用模型参数的优选原理,构建模型参数自动识别程序,以实现利用有限个时段某流域的月降水量、月水面蒸发观测量、月径流观测量率定出此流域的模型参数;在无观测资料地区建立模型参数与地表特征参数(如地形指数、土地利用类型、植被指数等)之间的定量函数关系,利用地理信息系统空间插值技术以及地表特征参数的遥感图像生成无观测资料地区的模型参数分布图,以解决双参数月水量平衡模型在流域的模型参数网格化的问题;应用简单的空间距离倒数插值法实现无观测资料地区的月降水量、月水面蒸发观测量的估算;从而达到双参数月水量平衡模型的半分布式水文模拟。模型的核心模块是用VB程序编程实现。 汉江上游流域地区属湿润的亚热带气候边缘地带,双参数月水量平衡模型适用于湿润地区;并且汉江是陕南地区的一条经济价值利用极高的河流。流域内的水文气象变化规律与该区域生态环境与经济发展息息相关,只有深入揭示这些分布规律,变化特点,才能保持汉江水资源的可持续利用,以达到保护汉江水资源和防洪减灾之目的。此地区水文模拟具有社会经济意义。 文中利用汉江上游流域15个观测资料齐全的子流域进行模型参数率定和月蒸散发、径流深进行模拟,模型效率Nash指数基本都超过80%,足见双参数月水量平衡模型在有资料地区的模拟效果较好;利用半分布式双参数月水量平衡模型生成模型参数流域的网格化,依据241个月降水量观测站资料插值生成无资料地区的月降水量模拟值及依据15个月蒸发量观测站资料插值生成无资料地区的月蒸发量模拟值,从而模拟出无资料地区的月蒸散发量和月径流深量。以流域上、中、下部的三个子流域升仙村、马池、白河典型子流域进行双参数月水量平衡模型模拟,结果模型效率Nash指数都超过76%,说明模型在无资料地区模拟也达到了理想的效果。为了解决模型参数优选识别问题,对模型参数敏感性及水文一气候响应进行评价和分析。 通过以上模拟和分析主要得到以下结论: 1)双参数月水量平衡模型能够有效模拟月蒸散发、月径流深,精度高。本文采用的15个资料齐全的流域及3个无蒸发、降水观测资料的流域进行了模拟模型的Nash指数大部分超过80%,其中效果最好铁锁关流域的达到95.5%,模拟效果最差的大竹河流域也达到了56.3%。 2)模型第一参数C在1.0附近摆动,越相邻的流域,其值越接近。而且参数C要比参数SC敏感得多。 3)模型参数SC非常稳健,受参数初值的影响很小,以致于模型参数率定时没有必要人为选定“预热值”。 4)采用简单的“距离倒数法”空间插值技术对蒸发、降水进行无观测站的模拟能够达到较好的效果,结构简单,计算量小。 5)绝大部分流域模拟径流深偏大(表现为相对误差RE小于零),这与人类活动影响有关。工农业生产和生活用水急增导致河流径流量减少。 6)降水变化引起的径流变化远比气温变化造成的径流变化大;并且在汛期(4~9月)因气温变化引起的径流变化要比非汛期大得多;径流的洪峰期与降水量及气温的最高值一般保持一致,通常都在每年的7月。
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