基于分布式水文模型的流域水循環(huán)及面源伴生過程模擬研究與應用.pdf

1、水是人類生產生活不可或缺的自然資源，也是生物賴以生存的環(huán)境資源和國民經濟發(fā)展的資源，具有十分的重要性。水具有自然屬性和社會屬性。水是良好的溶劑，大多物質能溶于水，且具有的勢能、動能、化學能是驅動水流發(fā)生、物質溶解的原動力。除自然屬性外，水也有獨一無二的社會屬性：水是人類社會生活生產不可缺少的元素。除了水量的空間分配差異外，水質也是影響人類生活生產不可忽視的因素。伴隨工業(yè)化、城市化速度加快，全球都面臨水資源短缺，污染嚴重的挑戰(zhàn)。目前，水體

2、污染主要途徑之一為流域面源污染，包括水土流失、農村生活、化肥施用、畜禽養(yǎng)殖等。面源污染物進入湖庫、河流，引起水體富營養(yǎng)物質增加，溶解氧減少，從而破壞水生環(huán)境，影響人類生活生產，甚至對人體健康產生威脅。21世紀以來，分布式水文模型已經成為研究流域水循環(huán)過程的重要手段。計算機技術、地理信息系統(tǒng)和遙感技術為分布式水文水循環(huán)過程研究開辟了新道路。與這些技術的結合，分布式水文模型能更加客觀地表征流域下墊面和氣象輸入條件的時空分布變異性。
　

3、　 研究基于分布式水文模型刻畫流域“天然-人工”二元結構提出流域分布式水循環(huán)以及伴生而源過程模擬研究框架體系，構建分布式水循環(huán)模擬模型，水文模型多參數敏感性分析和參數率定方法，流域分布式點面源伴生過程模擬評價模型，對流域水循環(huán)及污染物遷移轉化研究，流域水量水質的分析研究，具有重要意義。
　　 論文主要研究內容及成果如下：
　　 (1)流域分布式水循環(huán)及面源伴生過程模擬框架體系研究
　　 提出了用于解決分布式水循

4、環(huán)模擬、水循環(huán)伴生面源過程模擬，模型高維參數優(yōu)化率定和多模型耦合的技術框架；提出了基于EasyHydro模擬平臺構建的網格尺度分布式月水文模型EasyDWAT(Easy Distributed WaterResource AssessmentTool)、分布式水文模型參數敏感性分析自動篩選和多目標優(yōu)化技術SenOpt(Sensitivity withOptimization)、分布式點面源負荷統(tǒng)計模型EasySNP(EasyStatis

5、tical Non-point source Pollution assessment)以及基于分布式水循環(huán)的點面源負荷模擬模型EasyDNP(Easy Distribted Non-piont source Pollution assesssment)；提出SenOpt技術用于EasyDHM模型的參數自動率定方案，并將兩者做緊密嵌套耦合；給出了EasySNP與EasyDNP面源負荷計算技術，提出EasyDHM與EasyDNP做緊密雙向

6、耦合的技術路線；給出了EasyHydro平臺與水動力水生態(tài)模型EFDC(Environmental Fluid Dynamic Code)之間的串聯耦合應用關系。
　　 (2)流域分布式水循環(huán)及伴生面源過程模擬模型構建
　　 論述了流域分布式水循環(huán)及伴生面源過程模擬模型的具體構建方法和過程。提出了基于EasyHydro水循環(huán)模擬平臺下的EasyDWAT分布式月水循環(huán)模擬模型和常用的水資源演變規(guī)律分析方法。給出了EasyD

7、WAT模型水量平衡方程和下墊面參數的推求；給出了基于分布式的點面源污染負荷統(tǒng)計模型EasySNP以及，基于分布式水循環(huán)的點面源污染負荷模擬模型EasyDNP的具體模擬步驟；綜合考慮了流域點源和面源負荷，給出了面源污染物的土壤循環(huán)過程模擬方法。研究將這些模型方法嵌入EasyHydro模擬平臺中，借助平臺優(yōu)勢構建實現流域綜合模擬技術方法，發(fā)揮各模型、方法的優(yōu)勢特點，取長補短。
　　 (3)分布式水文模型參數敏感性分析及多目標優(yōu)化

8、r>　　 以分布式水文模型多參數自動優(yōu)化帶來的模型參數收斂效率低的問題出發(fā)，聯合LH-OAT(Latin Hypercube-Once at A Time)和MOSCEM-UA(Multi-objectivesequential complex evolutional metropolis-uncertainty analysis)算法的SenOpt技術應用于模型率定。結果顯示，采用敏感性篩選后的高敏感參數用于多目標優(yōu)化比使用全部參數

9、做多目標全局優(yōu)化，參數收斂速度更快，優(yōu)化效果更好；同時，研究采用分布式MPI技術對MOSCEM-UA算法復合型做并行進化改造節(jié)省了模型參數率定需要的機器時間。
　　 (4)EasyDWAT在流域水資源演變規(guī)律分析中的應用
　　 對長江上游流域氣象水文要素歷史演變規(guī)律做分析，得到降雨、氣溫和徑流的變化趨勢和變化周期規(guī)律；構建了基于EasyDWAT的長江上游分布式月水文模型，并采用1956年至2005年月徑流過程進行了模擬，

10、取得良好的模擬效果；同時，模型輸出了分季、多年平均等時間尺度的降雨、蒸散發(fā)、地表徑流和地下徑流的空間分布，詳細分析了不同土地利用的長江上游水資源空間分布規(guī)律，取得了理想的模擬驗證效果。
　　 (5)流域點面源污染評價及水循環(huán)伴生過程模擬應用
　　 以三峽庫區(qū)為例，分別構建以水文邊界和行政邊界的庫區(qū)EasySNP統(tǒng)計負荷模型。考慮城市工業(yè)生產和城鎮(zhèn)生活點源，以及農村生活、畜禽養(yǎng)殖、化肥農藥等面源，評價庫區(qū)點面源負荷；基于日

11、分布式水文模型EasyDHM的水文過程耦合EasyDNP分布式面源負荷模擬模型，建立了三峽庫區(qū)點面源負荷模擬模型；將EasySNP模型和EasyDNP模型模擬結果做對比分析。表明，基于水循環(huán)的面源負荷模擬模型EasyDNP能考慮更多的面源負荷源匯過程，模擬結果更貼合實際。同時，設立了降雨變化情景研究降雨對流域面源負荷過程的影響，討論在不同情景下面源負荷的變化過程。
　　 (6)分布式水文模型與EFDC模型的聯合模擬應用