秦岭北麓西安段无资料流域径流模拟预报研究

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径流模拟需要依靠密集的水文监测站网提供的水文监测资料。尽管陕西省加强水文监测系统建设,对水文站网进一步加密,但仍存在水文站点分布不均,站网密度偏低,流量资料收集难等问题,严重影响水文信息的收集及水文模拟工作。秦岭北麓地区是关中地区生产生活生态用水补给源地,对关中地区特别是省会西安的经济发展,社会进步和人民生活质量的提高具有重要意义。本文以秦岭北麓西安段为研究区,具体选择大峪、涝峪口、秦渡镇、马渡王、罗李村5个研究流域,采用区域化方法耦合水文模型的方法,开展无资料流域的径流模拟预报研究。本文的主要研究内容与成果如下:(1)确定了适用于研究区的水文模型,为无资料流域的水文模拟预报研究奠定模型基础。通过对比模型结构,模型参数等方面,初步筛选出WASMOD、GR4J、三水源新安江三个水文模型,并基于split-sample检验法,应用SCE-UA优化算法,选用均方根误差(RMSE)、纳什系数(NSE)、百分比偏差(Pbias)三个指标,在研究区进行模型适用性检验及比选,最终确定应用三水源新安江模型耦合各区域化方法进行无资料流域水文模拟预报研究。(2)构建了无资料流域径流模拟预报方法。通过耦合三水源新安江模型,构建了基于空间邻近法与物理相似法、参数平均与结果平均、算数平均加权与反距离加权(IDW)以及反相似度加权(ISW)的各区域化方法。(3)检验了无资料流域径流模拟预报的可行性。基于Proxy-basin test及Proxy-basin differential split-sample test 检验法,对无资料流域径流模拟及预报的可行性进行评估,两种检验方法的结果均表明,将大峪、秦渡镇、马渡王、罗李村的模型参数移植至涝峪口时的模拟预报结果存在较大误差,涝峪口与其它4个流域的水文相似性较低,这一结果表明,在水文站网密度较小的区域应用空间邻近法与物理相似法存在较大风险,空间邻近法与物理相似法对水文站网密度较为敏感。(4)明确了各区域化方法之间的差异性。首先基于大峪、秦渡镇、马渡王、罗李村的空间位置及流域特征,分别对各目标无资料流域的参证流域进行空间邻近度及物理相似度计算及其排序,然后从最邻近/最相似流域开始,对比分析在1-4个参证流域数量下各区域化方法对于径流模拟预报结果的差异性。模拟预报结果表明:1)不同流域模拟预报效果最好时的参证流域数量不同,最优区域化方法不同,空间邻近法与物理相似法的差异不同,这与流域密度较小,流域的空间异质性较高,依据空间邻近度所确定参证流域间的相似性、物理相似性、水文相似性之间的差异有关,说明了依据空间邻近及流域特征相似推断水文相似存在一定程度的不合理;2)多参证流域较单参证流域可以提升模拟效果,其NSE提升幅度的最小值为0,中值为0.13,最大值为0.38,|Pbias|减小幅度的最小值为6.6%,中值为25.04%,最大值为43.57%;3)结果平均方法优于参数平均方法,其NSE差异的最小值为0,中值为0.03,最大值为0.07,|Pbias|差异的最小值为0.83%,中值为3.51%,最大值为11.91%。4)算数平均方法总体表现略优于反距离加权及反相似度加权,算数平均与反距离加权的NSE差异最小值为0,中值为0.01,最大值为0.04;|Pbias|差异的最小值为2.27%,中值为6.88%,最大值为8.50%。算数平均与反相似度加权的NSE差异最小值为0,中值为0.01,最大值为0.04;|Pbias|差异的最小值为1.32%,中值为4.42%,最大值为6.81%。
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