变化环境下流域水文模型参数的时变规律及驱动机理

Stationarity assumption of rainfall-runoff relationships has been challenged owing to changing climate and human activities, leading to temporal variations of hydrological model parameters. In this proposal, we focus on the monthly hydrological models, , aiming to identify the temporal variation of model parameters and their driving mechanisms in a changing environment. This study includes: (1) identification of temporal variation of model parameter by using the constrained data assimilation technique; (2) revealing the relationship between the time-variant parameters and catchment properties and constructing functional form of the time-variant parameters; (3) quantification of the effects of catchment conditions on runoff simulation based on hydrological models with constructed parameter functions. This project is able to advance the simulation accuracy under nonstationary catchment conditions, as well as provide a novel hydrological forecasting approach, which has significant meaning scientifically and practically.

变化环境下，气候变化和人类活动的双重影响使得流域的降雨径流关系不稳定，即呈现“非稳态”现象，可表现为水文模型参数有随时间变化的特征。本项目针对月水量平衡水文模型，开展变化环境下流域水文模型参数时间变化规律及驱动机理研究，包括：（1）采用有约束的数据同化技术，建立基于水文模型的状态转移方程和观测方程，根据径流实测数据识别水文模型参数的时间变化过程；（2）分析时变参数值与流域特征要素的相关关系，提出水文模型的时变参数函数型式，揭示水文模型参数时变特征的驱动机制；（3）设置不同流域特征条件情景，定量表述不同情景下模拟径流的变化，评价流域特征条件对径流模拟的不确定性。本研究可提高水文模型在“非稳态”流域的径流模拟精度，提出全新的变化环境下水文预测方法，具有重要的科学意义与实用价值。

气候变化和人类活动的双重影响使得流域呈现“非稳态”的特征，从而导致代表流域水文物理特性的水文模型参数随时间保持不变的假定受到挑战。本项目围绕水文模型参数的时变特性，旨在将流域条件的变化考虑到水文模型参数中，实现水文模型参数的动态估计，从而提高水文模型在变化环境下对径流的模拟精度以及对变化流域条件适用的外延性。.本研究基于两参数月水量平衡水文模型，以通天河流域和赣江流域为研究区域，开展了考虑变化环境的流域径流模拟方法及不确定性研究。基于数据同化方法识别了研究区水文模型参数时变过程，结合流域物理特征条件分析了参数时变规律并探索了其变化原因。提出了基于流域特征因子的时变参数函数型式构建方法，实现了水文模型参数的动态估计。结果表明，在通天河流域，模型中的蒸散发参数C采用构建的时变参数函数型式且流域平均蓄水能力SC采用常数参数时，可提高模型对径流过程的低水部分的模拟精度。而在赣江流域，同时考虑参数C和SC为时变参数时，水文模型的径流模拟精度得到整体提高，特别是在径流过程的高水和低水部分。在提出的时变参数水文模型方法的基础上，探究了数据同化过程中参数误差项对流域径流模拟的不确定性。结果表明，其对参数估计值有一定影响，即标准差不同，估计得到的参数值也存在差异，但对于时变参数函数型式的构建乃至模型的径流模拟结果无显著影响。基于时变参数流域水文模型，研究了未来气候变化情景下赣江上游流域径流变化过程。结果表明，在BCC-CSM1.1(m)气候模式的4种排放情景下，赣江上游流域在未来时期的预测径流相比于历史时期的径流均表现出不同程度的减少趋势。研究流域未来径流的减少主要原因是受到降雨减少的影响。流域未来时期可加强水资源高效利用与优化调度管理等方面的措施，从而更好应对潜在的水资源供需矛盾问题。.研究成果可提高“非稳态”流域条件下水文模型的径流模拟及预报精度，也为变化环境下的流域水文机理研究提供了一定的参考和思路。