基于分布式水文模型的流域水循环及面源伴生过程模拟研究与应用

【摘要】：水是人类生产生活不可或缺的自然资源,也是生物赖以生存的环境资源和国民经济发展的资源,具有十分的重要性。水具有自然属性和社会属性。水是良好的溶剂,大多物质能溶于水,且具有的势能、动能、化学能是驱动水流发生、物质溶解的原动力。除自然属性外,水也有独一无二的社会属性：水是人类社会生活生产不可缺少的元素。除了水量的空间分配差异外,水质也是影响人类生活生产不可忽视的因素。伴随工业化、城市化速度加快,全球都面临水资源短缺,污染严重的挑战。日前,水体污染主要途径之一为流域面源污染,包括水土流失、农村生活、化肥施用、畜禽养殖等。面源污染物进入湖库、河流,引起水体富营养物质增加,溶解氧减少,从而破坏水生环境,影响人类生活生产,甚至对人体健康产生威胁。21世纪以来,分布式水文模型已经成为研究流域水循环过程的重要手段。计算机技术、地理信息系统和遥感技术为分布式水文水循环过程研究开辟了新道路。与这些技术的结合,分布式水文模型能更加客观地表征流域下垫面和气象输入条件的时空分布变异性。 研究基于分布式水文模型刻画流域“天然一人工”二元结构提出流域分布式水循环以及伴生面源过程模拟研究框架体系,构建分布式水循环模拟模型,水文模型多参数敏感性分析和参数率定方法,流域分布式点面源伴生过程模拟评价模型,对流域水循环及污染物迁移转化研究,流域水量水质的分析研究,具有重要意义。 论文主要研究内容及成果如下： (1)流域分布式水循环及面源伴生过程模拟框架体系研究 提出了用于解决分布式水循环模拟、水循环伴生面源过程模拟,模型高维参数优化率定和多模型耦合的技术框架；提出了基于EasyHydro模拟平台构建的网格尺度分布式月水文模型EasyDWAT(Easy Distributed WaterResource Assessment Tool)、分布式水文模型参数敏感性分析自动筛选和多目标优化技术SenOpt(Sensitivity with Optimization)、分布式点面源负荷统计模型EasySNP(Easy Statistical Non-point source Pollution assessment)以及基于分布式水循环的点面源负荷模拟模型EasyDNP(Easy Distribted Non-piont source Pollution assesssment);提出SenOpt技术用于EasyDHM模型的参数自动率定方案,并将两者做紧密嵌套耦合；给出了EasySNP与EasyDNP面源负荷计算技术,提出EasyDHM与EasyDNP做紧密双向耦合的技术路线；给出了EasyHydro平台与水动力水生态模型EFDC(Environmental Fluid Dynamic Code)之间的串联耦合应用关系。 (2)流域分布式水循环及伴生面源过程模拟模型构建 论述了流域分布式水循环及伴生面源过程模拟模型的具体构建方法和过程。提出了基于EasyHydro水循环模拟平台下的EasyDWAT分布式月水循环模拟模型和常用的水资源演变规律分析方法。给出了EasyDWAT模型水量平衡方程和下垫面参数的推求；给出了基于分布式的点面源污染负荷统计模型EasySNP以及,基于分布式水循环的点面源污染负荷模拟模型EasyDNP的具体模拟步骤；综合考虑了流域点源和面源负荷,给出了面源污染物的土壤循环过程模拟方法。研究将这些模型方法嵌入EasyHydro模拟平台中,借助平台优势构建实现流域综合模拟技术方法,发挥各模型、方法的优势特点,取长补短。 (3)分布式水文模型参数敏感性分析及多目标优化 以分布式水文模型多参数自动优化带来的模型参数收敛效率低的问题出发,联合LH-OAT(Latin Hypercube - Once at A Time)和MOSCEM-UA(Multi-objective sequential complex evolutional metropolis- uncertainty analysis)算法的SenOpt技术应用于模型率定。结果显示,采用敏感性筛选后的高敏感参数用于多目标优化比使用全部参数做多目标全局优化,参数收敛速度更快,优化效果更好：同时,研究采用分布式MPI技术对MOSCEM-UA算法复合型做并行进化改造节省了模型参数率定需要的机器时间。 (4) EasyDWAT在流域水资源演变规律分析中的应用 对长江上游流域气象水文要素历史演变规律做分析,得到降雨、气温和径流的变化趋势和变化周期规律；构建了基于EasyDWAT的长江上游分布式月水文模型,并采用1956年至2005年月径流过程进行了模拟,取得良好的模拟效果；同时,模型输出了分季、多年平均等时间尺度的降雨、蒸散发、地表径流和地下径流的空间分布,详细分析了不同土地利用的长江上游水资源空间分布规律,取得了理想的模拟验证效果。 (5)流域点面源污染评价及水循环伴生过程模拟应用 以三峡库区为例,分别构建以水文边界和行政边界的库区EasySNP统计负荷模型。考虑城市工业生产和城镇生活点源,以及农村生活、畜禽养殖、化肥农药等面源,评价库区点面源负荷；基于日分布式水文模型EasyDHM的水文过程耦合EasyDNP分布式面源负荷模拟模型,建立了三峡库区点面源负荷模拟模型；将EasySNP模型和EasyDNP模型模拟结果做对比分析。表明,基于水循环的面源负荷模拟模型EasyDNP能考虑更多的面源负荷源汇过程,模拟结果更贴合实际。同时,设立了降雨变化情景研究降雨对流域面源负荷过程的影响,讨论在不同情景下面源负荷的变化过程。 (6)分布式水文模型与EFDC模型的联合模拟应用 以密云水库及上游流域为例,构建了分布式水文模型EasyDHM并与EasyDNP模型耦合,模拟密云水库上游流域的月径流量和污染物负荷量。将径流量与负荷量作为密云水库EFDC生态动力学模型的上游入流水量水质边界条件,建立密云水库库区三维生态水动力学模型,模拟水库水温、溶解氧、叶绿素、总磷总氮等水质项的浓度变化过程取得了比较满意的效果。