汉江上游水文气象时空变异和水文模拟的不确定性评估
水文模型是模拟流域水文过程的重要工具,模型输入数据是构建模型的关键因素,降水、蒸发等数据的测量误差导致模型输入数据具有不确定性;同时,不同水文模型中的物理假设和模型概化不同,同样带来较大的不确定性。因此,采用科学的方法分离模型输入、结构以及它们交互作用对径流模拟的影响,对深入认识模型结构、提高模拟精度、科学评估流域水文变化特征,具有重要的理论意义与应用价值。本文以汉江上游安康以上区域为研究对象,首先识别出流域径流、降水和气温等因子时空变异特征;利用月尺度ABCD水文模型模拟结果,使用季尺度Budyko假设量化评估不同特征时期气候变化和人类活动对径流的影响;在研究区构建了不同产汇流概念的三种水文模型(HyMod、TOPMODEL和新安江)模拟流域的产汇流过程;为了明晰不确定性因子(气象因子和模型结构)在年尺度对径流模拟的影响,采用基于二次抽样的析因分析方差分解方法量化评估了气象因子和模型结构以及二者之间交互作用对径流模拟的影响。
取得的主要研究成果如下:(1)采用数理统计方法,阐明了流域径流、降水、气温、相对湿度、日照时数以及风速序列的变化特征和趋势。结果表明:径流、降水、气温、相对湿度、日照时数和风速均发生了变异;径流、降水、日照时数和风速均呈下降趋势,而气温和相对湿度均呈上升趋势。(2)采用全局和局部Moran’s I方法,量化了年际和年内尺度不同气象因子的空间自相关性,揭示了流域气候因子时空变异特征。
结果表明:年际尺度上,汉江上游降水、气温和相对湿度因子的空间自相关性均呈微弱下降趋势,而日照时数和风速因子却呈微弱上升趋势;年内尺度上,2006和2011年,汉江上游相对湿度在局部区域的空间自相关性差异不明显,整体呈现
出:流域东部低低相关和中部高高相关,意味着流域中北部偏湿润,东部偏干旱;不同月份降水量空间自相关性差异显著,尤其是4月和9月份,意味着该月份降水空间变异程度大;夏季气温空间相关性较强,秋季次之,春季较差。(3)采用月尺度ABCD模型和季尺度Budyko假设方法,量化评估了不同时期气候变化和人类活动对径流的影响。率定期和验证期NSE、RMSE、R2和WBE分别为0.89、0.89、0.95、0.05%和0.77、0.89、0.90、-13.30%。
从年际尺度来看,气候变化是径流减少的主要原因,约占75%左右,人类活动次之,仅为25%左右;从年内尺度来看,不同季节气候因子和人类活动因子对径流减小的贡献差异明显,春季、夏季、秋季,气候因子对径流减少的贡献较大,占比分别为89%、66%和63%,相应地,人类活动因子的贡献率占比分别11%、34%和37%;而冬季人类活动对径流影响显著,占比高达84%,气候因子贡献较小,仅为16%。这主要归因于冬季降水量少,水利工程(水库和水电站)对径流的调节作用显著。此外,干旱季节和湿润季节,气候变化贡献程度大且干旱季节大于湿润季节。
(4)选取率定期为1984-1986年,验证期为1987-1989年,进行径流模拟。结果表明,两时期水文模拟过程和实际水文过程相似,但不同水文模型在同一种气象输入数据下差异明显,同时,同一水文模型在不同气象输入数据下也差异显著。总的来说,不同气象输入数据和水文模型组合均能得到较优的拟合精度,但不同时段(汛期和非汛期)差异显著。
(5)为了分离模型输入误差和结构误差以及它们交互作用对径流模拟的影响,基于二次抽样的分解方法量化评估了气候输入数据和模型结构不确定性在不同时期对径流贡献的大小。结果表明,随着气象站点个数的增加,不同水文模型模拟精度整体呈现出先增后减的趋势,且置信区间变化特征相似;汛期,降水比较集中,
气象输入数据的不确定性异常突出,但次于水文模型结构不确定性,同时汛期随着降水量的增加,气象输入数据和模型结构的不确定性交互作用影响逐渐增强。总之,不同月份,气象输入数据、模型结构以及二者之间的交互作用贡献程度差异不同,其中,水文模型结构不确定性是影响径流模拟精度的主导因素,气象输入数据不确定性次之,二者之间的交互作用最小。
汉江上游水文气象时空变异和水文模拟的不确定性评估
