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

1、水是人類生產(chǎn)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(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的資源，具有十分的重要性。水具有自然屬性和社會(huì)屬性。水是良好的溶劑，大多物質(zhì)能溶于水，且具有的勢(shì)能、動(dòng)能、化學(xué)能是驅(qū)動(dòng)水流發(fā)生、物質(zhì)溶解的原動(dòng)力。除自然屬性外，水也有獨(dú)一無(wú)二的社會(huì)屬性：水是人類社會(huì)生活生產(chǎn)不可缺少的元素。除了水量的空間分配差異外，水質(zhì)也是影響人類生活生產(chǎn)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(yán)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(nóng)村生活、化肥施用、畜禽養(yǎng)殖等。面源污染物進(jìn)入湖庫(kù)、河流，引起水體富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增加，溶解氧減少，從而破壞水生環(huán)境，影響人類生活生產(chǎn)，甚至對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅。21世紀(jì)以來(lái)，分布式水文模型已經(jīng)成為研究流域水循環(huán)過(guò)程的重要手段。計(jì)算機(jī)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)為分布式水文水循環(huán)過(guò)程研究開辟了新道路。與這些技術(shù)的結(jié)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(shí)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(jié)構(gòu)提出流域分布式水循環(huán)以及伴生而源過(guò)程模擬研究框架體系，構(gòu)建分布式水循環(huán)模擬模型，水文模型多參數(shù)敏感性分析和參數(shù)率定方法，流域分布式點(diǎn)面源伴生過(guò)程模擬評(píng)價(jià)模型，對(duì)流域水循環(huán)及污染物遷移轉(zhuǎn)化研究，流域水量水質(zhì)的分析研究，具有重要意義。
　　 論文主要研究?jī)?nèi)容及成果如下：
　　 (1)流域分布式水循環(huán)及面源伴生過(guò)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(guò)程模擬，模型高維參數(shù)優(yōu)化率定和多模型耦合的技術(shù)框架；提出了基于EasyHydro模擬平臺(tái)構(gòu)建的網(wǎng)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(shù)敏感性分析自動(dòng)篩選和多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)SenOpt(Sensitivity withOptimization)、分布式點(diǎn)面源負(fù)荷統(tǒng)計(jì)模型EasySNP(EasyStatis

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

6、耦合的技術(shù)路線；給出了EasyHydro平臺(tái)與水動(dòng)力水生態(tài)模型EFDC(Environmental Fluid Dynamic Code)之間的串聯(lián)耦合應(yīng)用關(guān)系。
　　 (2)流域分布式水循環(huán)及伴生面源過(guò)程模擬模型構(gòu)建
　　 論述了流域分布式水循環(huán)及伴生面源過(guò)程模擬模型的具體構(gòu)建方法和過(guò)程。提出了基于EasyHydro水循環(huán)模擬平臺(tái)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(shù)的推求；給出了基于分布式的點(diǎn)面源污染負(fù)荷統(tǒng)計(jì)模型EasySNP以及，基于分布式水循環(huán)的點(diǎn)面源污染負(fù)荷模擬模型EasyDNP的具體模擬步驟；綜合考慮了流域點(diǎn)源和面源負(fù)荷，給出了面源污染物的土壤循環(huán)過(guò)程模擬方法。研究將這些模型方法嵌入EasyHydro模擬平臺(tái)中，借助平臺(tái)優(yōu)勢(shì)構(gòu)建實(shí)現(xiàn)流域綜合模擬技術(shù)方法，發(fā)揮各模型、方法的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短。
　　 (3)分布式水文模型參數(shù)敏感性分析及多目標(biāo)優(yōu)化

8、r>　　 以分布式水文模型多參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化帶來(lái)的模型參數(shù)收斂效率低的問題出發(fā)，聯(lián)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(shù)應(yīng)用于模型率定。結(jié)果顯示，采用敏感性篩選后的高敏感參數(shù)用于多目標(biāo)優(yōu)化比使用全部參數(shù)

9、做多目標(biāo)全局優(yōu)化，參數(shù)收斂速度更快，優(yōu)化效果更好；同時(shí)，研究采用分布式MPI技術(shù)對(duì)MOSCEM-UA算法復(fù)合型做并行進(jìn)化改造節(jié)省了模型參數(shù)率定需要的機(jī)器時(shí)間。
　　 (4)EasyDWAT在流域水資源演變規(guī)律分析中的應(yīng)用
　　 對(duì)長(zhǎng)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(shì)和變化周期規(guī)律；構(gòu)建了基于EasyDWAT的長(zhǎng)江上游分布式月水文模型，并采用1956年至2005年月徑流過(guò)程進(jìn)行了模擬，

10、取得良好的模擬效果；同時(shí)，模型輸出了分季、多年平均等時(shí)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(xì)分析了不同土地利用的長(zhǎng)江上游水資源空間分布規(guī)律，取得了理想的模擬驗(yàn)證效果。
　　 (5)流域點(diǎn)面源污染評(píng)價(jià)及水循環(huán)伴生過(guò)程模擬應(yīng)用
　　 以三峽庫(kù)區(qū)為例，分別構(gòu)建以水文邊界和行政邊界的庫(kù)區(qū)EasySNP統(tǒng)計(jì)負(fù)荷模型。考慮城市工業(yè)生產(chǎn)和城鎮(zhèn)生活點(diǎn)源，以及農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖、化肥農(nóng)藥等面源，評(píng)價(jià)庫(kù)區(qū)點(diǎn)面源負(fù)荷；基于日

11、分布式水文模型EasyDHM的水文過(guò)程耦合EasyDNP分布式面源負(fù)荷模擬模型，建立了三峽庫(kù)區(qū)點(diǎn)面源負(fù)荷模擬模型；將EasySNP模型和EasyDNP模型模擬結(jié)果做對(duì)比分析。表明，基于水循環(huán)的面源負(fù)荷模擬模型EasyDNP能考慮更多的面源負(fù)荷源匯過(guò)程，模擬結(jié)果更貼合實(shí)際。同時(shí)，設(shè)立了降雨變化情景研究降雨對(duì)流域面源負(fù)荷過(guò)程的影響，討論在不同情景下面源負(fù)荷的變化過(guò)程。
　　 (6)分布式水文模型與EFDC模型的聯(lián)合模擬應(yīng)用