高寒山区流域建模及参数率定方法取得进展

广泛分布在高寒山区流域的多年冻土和季节性冻土,其分布范围有较大差异,对流域水文过程的影响也不相同。同时寒旱区降水、气温等气象要素在季节上的分配不均匀,也对流域水循环过程季节差异有重大影响。然而在传统水文模型的物理过程和参数方案中,很少考虑到不同冻土类型和不同季节对参数及模拟结果的影响,这会导致模型模拟过程中出现一定的误差。针对这个问题,南卓铜教授团队以典型高寒山区流域祁连山八宝河流域为研究区域,利用基于DEM的分布式水文模型Distributed Hydrology-Soil-Vegetation Model对流域水文过程进行模拟,评价了模型存在的不足,并提出一种适用于高寒山区流域的区分冻土类型和季节的参数校准方法。

 研究结果显示,DHSVM模型主要存在两点不足:

  1. 严重低估夏季高温时期的径流量;
  2. 无法有效模拟冻土对流域径流的影响。

区分冻土类型和季节的参数校准方案可以有效提升了模型在高寒山区流域的模拟精度,其中区分冻土类型进行参数校准,可以区分不同冻土类型对基流运动的影响差异,在以基流为主的干季,对模型模拟精度提升比较明显;区分季节进行参数校准,可以调节模型在不同季节的蒸散发量计算,在降水较多的季节对模拟精度有较大改进。同时研究结果也指出,即使区分了冻土类型和季节进行参数校准,由于缺少活动层计算模块,模型无法有效表达了4月份活动层融化带来的径流量,严重低估了该时期的径流量。 

该工作揭示了高寒山区流域特有的冻土、降水分布不均匀等特征,对水文模型参数潜在的影响,为高寒山区流域水文模拟工作提供了一种有效的参数校准方案。同时也指出,参数校准方案无法完全弥补模型物理过程上的不足,改进模型的物理过程依然是十分重要的。

该工作总结成的文章《分布式水文模型DHSVM在西北高寒山区流域的适用性研究》和《Calibrating a Hydrological Model by Stratifying Frozen Ground Types and Seasons in a Cold Alpine Basin》,分别在中文核心期刊《冰川冻土》和SCI期刊《Water》上正式发表。

图1 不区分冻土类型和季节(Baseline)、区分冻土类型(FroCal)、区分季节(SeaCal)以及区分冻土类型和季节(FullCal)四种参数校准方案的日径流模拟结果对比
图2 2005-2009年4月模拟径流与观测径流的对比,此时观测径流与温度有很好的相关性,说明径流主要来自温度敏感的产流方式(活动层融水、积雪等),DHSVM缺少活动层模拟过程,因此低估了这个时期的径流

引用:

  • 赵奕; 南卓铜*; 李祥飞; 徐毅; 张凌. 分布式水文模型DHSVM在西北高寒山区流域的适用性研究. 冰川冻土.2019, 41(1): 147-157. (链接
  • Zhao Y, Nan Z*, Yu W, Zhang L. Calibrating a Hydrological Model by Stratifying Frozen Ground Types and Seasons in a Cold Alpine Basin. Water. 2019, 11(5): 985. DOI: 10.3390/w11050985 (链接