基于参数移植误差的无资料地区径流模拟不确定性评估

Predictions in Ungauged Basins has become a hot issue for hydrologists over the world. The overall object of the project is to estimate the model parameters and to assess the uncertainty of streamflow simulation in the ungauged basins. The typical sub-catchments in the Hai River basins are taken as the study areas. The two key scientific problems of the project are: the physical relationship between catchment characteristics and model parameters, and the impact of the error of parameters regionalization on the uncertainty of streamflow simulation. Based on the Variable Infiltration Capacity model, using integrated approaches of observed data analysis, field investigation, statistics-based analysis, numerical experiment and simulation, etc, the specific research targets of the project are as follows: 1) based on the mechanism of soil water moving and principle of hydraulics, to construct a framework for estimation of model parameters with obvious physical means using the catchment characteristics; 2) to study the model parameters regionalization approach, using the similarity-based methodology; 3) using moments method and curve fitting methodology, to analyze the statistical characters of the errors of parameters regionalization; 4) to assess the uncertainty of streamflow simulation in the ungauged basins, using the ensemble prediction method. The expected achievements of the project will not only rich the knowledge of hydrology, climatology & geomorphology, and improve the hydrologic simulation technology, but also be of significance for water resources prediction, planning & management.

瞄准无资料地区流域水文模拟这一国际前沿和热点问题。以完善无资料地区水文模型参数估计方法和径流模拟不确定性评估体系为总目标。选择海河流域的典型子流域为研究对象。围绕流域特征与水文模型参数的物理联系，参数移植误差对径流模拟不确定性的可能影响这两个关键科学问题。以可变下渗容量模型为工具，从历史观测资料分析入手，采用实地调查、统计分析、数值试验和模拟等多种手段相结合的方法，开展四个方面的研究：（1）根据土壤水运动机理和水力学原理，研究基于流域特征直接计算物理意义较强的水文模型参数方法；（2）利用相似流域法，建立模型参数的移植技术；（3）通过矩法和适线法，分析参数移植误差的概率统计特征；（4）由集合预报方法，定量评估无资料地区径流模拟的不确定性。研究成果不仅能够促进水文学、气候学、地貌学等多学科交叉融合与发展，而且在某种程度上可以完善水文模拟技术，对流域的水资源预测、规划和管理等具有重要的科学意义。

如何确定无资料地区（或者资料稀缺地区）的水文模型参数，模拟径流过程，一直是水文学家面临的一个挑战，也是水文学领域亟需解决的一项国际前沿科学问题。本项目从历史观测资料分析入手，采用实地调查、统计分析、数值试验和模拟等多种手段相结合的方法，开展系统研究，在无资料地区水文模拟的参数估计、方法比选、不确定性评估等方面取得重要进展。主要成果如下：. 一是通过水力学推导，土壤水运动分析和流域蓄水容量曲线应用等途径，提出了直接利用土壤的饱和水力传导度、田间含水量、饱和含水量等属性计算VIC模型基流参数的方程，减少了需要率定的VIC模型参数个数，提高了径流模拟结果对模型参数的敏感性，显著降低了径流模拟的不确定性。. 二是在中国范围内，选取了涵盖多种水文气候、植被覆盖和土壤类型的典型流域，系统对比了基于相似流域和回归分析两种参数移植技术在无资料地区径流模拟中的优劣，结果表明基于相似流域的参数移植方法模拟结果优于回归分析法，从湿润区到干旱区的优越性越来越明显。. 三是对比分析了典型子流域中模型参数移植结果与参数率定方法估计结果的误差，分析了模型参数移植误差与表征流域特征因子之间的相关性。识别了参数移植误差的均值、变差系数和偏态系数等统计特征。. 四是分析了无资料地区径流模拟不确定性的主要来源，建立了参数移植误差驱动的径流模拟不确定性定量评估框架。根据拟合的参数移植误差概率分布，利用随机模拟技术建立了模型参数移植的统计样本，定量评估了参数移植误差驱动的径流模拟不确定性。. 本项目共发表学术论文7篇，其中SCI检索2篇，EI检索1篇，开展国内外学术交流活动5次，成果应用于辽宁、贵州和广西等省（自治区）中小河流洪水预报工作，在一定程度上推动了无资料地区水文模拟技术的进步。