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基于SWAT的积雪消融对高寒区农田土壤水分影响模拟

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农业机械学报 2022年第1期53卷 271-278页

作者：王斌郭帅帅冯杰黄金柏宫兴龙东北农业大学水利与土木工程学院哈尔滨150030 淮安市水利勘测设计研究院有限公司淮安223001 扬州大学水利科学与工程学院扬州225009

为明确我国高寒区积雪消融对春季农田土壤水分的作用,针对气象站点监测数据、遥感及陆面模式同化数据在时空分辨率方面存在的不足,以地处黑龙江省中部的呼兰河流域为例,利用SWAT(Soil and water assessment tool)模拟流域降雪、积雪、... 详细信息

为明确我国高寒区积雪消融对春季农田土壤水分的作用,针对气象站点监测数据、遥感及陆面模式同化数据在时空分辨率方面存在的不足,以地处黑龙江省中部的呼兰河流域为例,利用SWAT(Soil and water assessment tool)模拟流域降雪、积雪、融雪等过程,研究流域内降雪、积雪、融雪的时空变化特征及其对春季农田土壤水分的影响。结果表明:呼兰河流域的平均降雪量、最大日积雪量、融雪量空间分布呈现自西向东逐渐增加的相近特征;积雪量、降雪量、融雪量变化率的空间分布特征相近,这些变化率在流域内大部分区域呈现增长趋势;降雪量、积雪量、融雪量的年时间序列关系密切,与土壤水分的年际变化趋势相近,农田土壤水分的年际变化受降水量影响较大;上年11月至当年3月的各月积雪量、上年11月降雪量、当年4月融雪量与当年春季4、5月农田土壤水分含量的相关性较显著;融雪水在3月下旬至4月上旬补给土壤水分,能够促使农田土壤水分短期上升,积雪量决定了融雪水对农田土壤水分的补给作用;农田土壤水分在融雪前下降趋势平缓,但在融雪后急剧下降。

关键词：高寒区积雪消融农田土壤水分 SWAT

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基于格子玻尔兹曼方法的流域汇流数值模型

水力发电学报 2014年第2期33卷 19-25页

作者：宫兴龙芮孝芳付强李衡王斌东北农业大学水利与建筑学院哈尔滨150030 东北农业大学博士后科研流动站哈尔滨150030 河海大学水文水资源学院南京210098

本文利用Lattice Boltzmann Method方法分析了坡面水流和河道水流运动方程圣维南方程的特点,提出了流域汇流过程的LBM数值模型,此模型在汇流过程中将地貌因素与水动力扩散相结合以描述坡面水流运动,很好解决了坡面水流的流量分配问题。... 详细信息

本文利用Lattice Boltzmann Method方法分析了坡面水流和河道水流运动方程圣维南方程的特点,提出了流域汇流过程的LBM数值模型,此模型在汇流过程中将地貌因素与水动力扩散相结合以描述坡面水流运动,很好解决了坡面水流的流量分配问题。利用此模型生成的单位线对抚河南城流域14场洪水进行了汇流计算,结果表明所提出的汇流模型用于流域汇流计算具有较好的精度。本研究对于分析坡面水流运动、汇流机制、土壤侵蚀、泥沙输移等诸多领域,具有重要的理论意义。

关键词：格子玻尔兹曼方法地貌过程流域汇流数值模型

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丘陵-平原-湿地复合区降雨径流数值模型

农业机械学报 2016年第11期47卷 142-149页

作者：宫兴龙付强王斌邢贞相王敏东北农业大学水利与建筑学院哈尔滨150030

针对丘陵-平原-湿地复合地区降雨径流数值模型较少、而已构建的模型对水文要素空间分布和湿地区水流运动又反映不足,采用格子玻尔兹曼法和有限元法构建丘陵-平原-湿地复合区降雨径流数值模型。在模型构建过程中将复合区分为地势起伏较... 详细信息

针对丘陵-平原-湿地复合地区降雨径流数值模型较少、而已构建的模型对水文要素空间分布和湿地区水流运动又反映不足,采用格子玻尔兹曼法和有限元法构建丘陵-平原-湿地复合区降雨径流数值模型。在模型构建过程中将复合区分为地势起伏较大的上游丘陵区和下游地势变化较小的平原湿地区。上游丘陵区降雨采用距离平方倒数法计算降雨空间分布、采用格子玻尔兹曼法建立非饱和区土壤水运动模型、利用达西公式建立饱和区水流运动模型、利用格子玻尔兹曼法构建汇流数值模型,进而构建了上游区的降雨径流数值模型。平原湿地区采用基于有限元四边形单元构建了水流运动数值模型。平原湿地区入口边界采用上游区降雨径流数值输出的流量过程,平原湿地区出口边界采用基于格子玻尔兹曼法的汇流模型计算的水位过程。四边形单元有限元求解水流运动方程实现了上、下游区的无缝连接,模型使用比较方便。以挠力河流域为研究对象进行了降雨径流和平坦区水流运动模拟研究,模拟结果良好,说明模型较为可靠。

关键词：丘陵-平原-湿地复合区降雨径流数值模型格子玻尔兹曼法有限元法

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流域产流分析及计算

水力发电学报 2009年第6期28卷 146-150页

作者：芮孝芳宫兴龙张超刘万贵河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室南京210098 河海大学水文资源学院南京210098 广西大学土木建筑工程学院南宁530004

根据Horton和Dunne提出的产流条件,探讨了流域产流机理,发展了"蓄满产流"和"超渗产流"两种流域产流模式的科学内涵。论述了影响流域产流量的因子。指出这两种流域产流模式在自然界具有较好的普适性,已成为构建流域水文模型中产流量计算... 详细信息

根据Horton和Dunne提出的产流条件,探讨了流域产流机理,发展了"蓄满产流"和"超渗产流"两种流域产流模式的科学内涵。论述了影响流域产流量的因子。指出这两种流域产流模式在自然界具有较好的普适性,已成为构建流域水文模型中产流量计算模块的重要依据。流域蓄水容量曲线和下渗能力面积分配曲线只能考虑降雨空间分布均匀时下垫面因子空间分布不均匀对流域产流量的影响。随着雷达测雨、卫星遥感测雨技术的日趋成熟和GIS技术的应用,可以期望网格法成为考虑降雨和下垫面因子空间分布不均匀对流域产流量影响的更直接、更合理的方法。

关键词：水文学流域产流机理流域蓄水容量曲线下渗能力面积分配曲线网格法

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挠力河流域径流变化特征与影响因素分析

农业机械学报 2015年第9期46卷 178-187页

作者：邢贞相刘美鑫付强宫兴龙葛宇生东北农业大学水利与建筑学院哈尔滨150030 黑龙江省高校节水农业重点实验室哈尔滨150030

挠力河作为三江平原最大的流域,其径流变化过程对三江平原的社会经济发展、生态环境变化起着至关重要的作用。为获取该流域的径流量变化特征,首先采用线性趋势分析法和Mann-Kendall趋势检验法对流域4个代表性水文站径流序列进行趋势分析... 详细信息

挠力河作为三江平原最大的流域,其径流变化过程对三江平原的社会经济发展、生态环境变化起着至关重要的作用。为获取该流域的径流量变化特征,首先采用线性趋势分析法和Mann-Kendall趋势检验法对流域4个代表性水文站径流序列进行趋势分析,然后采用滑动移除近似熵法(MC-Ap En法)和Mann-Kendall突变检验法分别对径流进行突变检验,并对径流发生变化的原因进行了探讨。结果表明:挠力河流域上、中、下游径流量分布不均匀,且同一水文站径流年际变化较大,不利于挠力河流域水资源的开发利用;挠力河流域近50 a来径流量呈明显的减少趋势,其中宝清站、保安站、菜咀子站径流下降趋势明显;挠力河径流量在1966年发生突变,突变后径流呈明显的减少趋势,发生突变的主要原因是降雨量减少、农业开垦的扩张以及水利工程建设的日益增多;滑动移除近似熵法在进行径流突变分析的过程中,表现出精确度高、抗干扰能力强等特点,是一种适于径流序列突变检测的方法。

关键词：挠力河流域径流变化特征 MC—ApEn法Mann—Kendall法

基于格子玻尔兹曼法的TOPMODEL建模与应用

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农业机械学报 2015年第7期46卷 181-186页

作者：宫兴龙付强邢贞相王斌李衡郭佳东北农业大学水利与建筑学院哈尔滨150030

依据Freeze和Harlan的水文模型蓝图思想改进TOPMODEL,在模型构建过程中利用格子玻尔兹曼法（LBM）建立汇流过程的数值模型,采用达西公式数值模型求解饱和区土壤水运动方程,运用LBM法五速模型求解非饱和区理查兹运动方程,进而构建基于栅... 详细信息

依据Freeze和Harlan的水文模型蓝图思想改进TOPMODEL,在模型构建过程中利用格子玻尔兹曼法（LBM）建立汇流过程的数值模型,采用达西公式数值模型求解饱和区土壤水运动方程,运用LBM法五速模型求解非饱和区理查兹运动方程,进而构建基于栅格的分布式LBMGTOPMODEL。模型的产流方法融合了蓄满产流理论和超渗产流理论,考虑了土壤水分剖面、土壤各向异性和地形坡度等对流域产流的影响;模型的汇流方法利用地貌水文学理论,寻求水文过程与流域地形地貌的相互作用及定量关系,此模型在汇流过程中将地貌因素与水动力扩散相结合以描述坡面水流运动,解决了坡面水流的流量分配问题。以中汤流域为对象进行水文模拟应用研究,验证得到确定性系数在0.547-0.883之间,平均值为0.725,结果良好,说明模型较为可靠。

关键词： TOPMODEL模型格子玻尔兹曼方法数值模型

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土地结构改变对水土资源平衡的影响分析

农业机械学报 2018年第4期49卷 319-329页

作者：宫兴龙付强关英红邢贞相王斌张盟东北农业大学水利与土木工程学院哈尔滨150030

依据FH69蓝图模型思想和基于微观理论的格子波尔兹曼法(LBM)改进了TOPMODEL,进而构建了基于LBM的栅格型(Grid)TOPMODEL(LBMGTOPMODEL)。在利用LBMGTOPMODEL描述流域水循环的基础上,采用GIS等技术,以栅格为单元,定量计算了挠力河流域199... 详细信息

依据FH69蓝图模型思想和基于微观理论的格子波尔兹曼法(LBM)改进了TOPMODEL,进而构建了基于LBM的栅格型(Grid)TOPMODEL(LBMGTOPMODEL)。在利用LBMGTOPMODEL描述流域水循环的基础上,采用GIS等技术,以栅格为单元,定量计算了挠力河流域1990年不考虑水田的土地分布和2013年考虑水田的土地分布等两类土地利用背景下的帕默尔干旱指数(PDSI),评价了土地结构变化对水土资源平衡的影响。研究结果表明:从1990—2013年期间挠力河流域草地、林地与建筑用地面积变化不大,耕地面积变化主要是未利用地和旱田转化为水田,耕地类型主要是旱地;水稻生育期内的5—8月上旬期间,旱改水田和水田下游坡面处其蒸散发量增加,补水量减小,失水量增加,适宜降雨量增加,使得挠力河流域蒸散常数增大,补水常数减小,径流常数增大,失水常数增大,气候特征常数增大;种植水田处和坡面上水田水流影响处适宜降雨量增加明显,使挠力河流域由轻微湿润地区变为不干不湿地区;在水田生育期的5—7月间随着时间延续,两种情况计算的干旱指数差值在变大;而8—10月间种植水田对干旱指数的影响在逐渐降低。该研究结果可为水田开发对区域水土资源平衡的影响和区域干旱评估提供借鉴和参考。

关键词：水土资源平衡土地结构改变格子波尔兹曼法帕默尔干旱指数水文常数

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土地利用方式变化对水循环过程响应机制研究

农业机械学报 2018年第2期49卷 252-259页

作者：宫兴龙付强王斌关英红邢贞相李衡东北农业大学水利与土木工程学院哈尔滨150030

以挠力河流域为研究区,利用1990年和2013年土地利用类型,结合基于格子玻尔兹曼方法(LBM)的TOPMODEL模型定量评价了土地利用方式变化对水循环时空变化过程的影响。结果表明:基于LBM法的TOPMODEL模型可以很好模拟挠力河流域降雨径流水循... 详细信息

以挠力河流域为研究区,利用1990年和2013年土地利用类型,结合基于格子玻尔兹曼方法(LBM)的TOPMODEL模型定量评价了土地利用方式变化对水循环时空变化过程的影响。结果表明:基于LBM法的TOPMODEL模型可以很好模拟挠力河流域降雨径流水循环过程,对研究区具有较高的适用性;研究区林地、草地和建设用地面积变化不大,对于土地结构变化贡献比较小,而未利用地和旱田部分转为水田对土地结构变化贡献大;由于种植水田,导致5月到10月间的流域总蒸散发量增加、根系区缺水量减少、非饱和带缺水量减少、地表水量减少、地下水量增加;蒸散发增幅达8.9%,根系区缺水量降幅达10.5%,地表水量减少达43%;水田对水文情势影响的差异主要体现在水稻生育期的差异上,分蘖期对蒸散发量、根系区缺水量和非饱和带缺水量影响较大;水田灌溉对水循环过程的影响按变化幅度从大到小的顺序为非饱和带缺水量、根系缺水量、蒸散发量、入根系区水量、出根系区水量和地下径流量,其中入根系区水量差值和出根系区水量差值接近。

关键词：土地利用方式变化农业结构改变格子波尔兹曼法 TOPMODEL 挠力河流域水循环过程

土地利用方式对平原-丘陵-湿地交融区水资源的影响

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农业机械学报 2018年第6期49卷 254-262页

作者：宫兴龙付强邢贞相关英红王斌李茉东北农业大学水利与土木工程学院哈尔滨150030

近年来三江平原的平原-丘陵-湿地交融区土地利用方式变化显著,造成地下水水位下降、水资源紧缺等问题,然而揭示该区土地利用方式变化对水资源影响的报道较少,且难于精准描述地表、地下、湿地和绿水等水资源量时空变化。本文联合基于格... 详细信息

近年来三江平原的平原-丘陵-湿地交融区土地利用方式变化显著,造成地下水水位下降、水资源紧缺等问题,然而揭示该区土地利用方式变化对水资源影响的报道较少,且难于精准描述地表、地下、湿地和绿水等水资源量时空变化。本文联合基于格子波尔兹曼法的分布式TOPMODEL和湿地水流运动模型构建平原-丘陵-湿地交融区水文模型,利用GIS和RS技术,结合地学信息图谱与空间自相关方法,分析了挠力河流域土地利用方式变化及其对水资源量影响。结果表明:根据耕地面积变化和动态度分布得1990—2013年间挠力河流域草地和林地面积变化不大,旱地面积轻微下降;挠力河流域中部与北部区域生产条件优越的未利用地和旱地转为水田;土地利用方式变化对水资源影响由强到弱的顺序为灌溉水田抽取地下水量、绿水储量、径流深、绿水流量、补给地下水量;水稻田不同生育期蒸发量不同,造成了挠力河流域5—6月期间绿水流量增加、绿水储量减少、径流深减少、补给地下水量增加和灌溉水田抽取地下水量增加等趋势,7—8月期间这一增加趋势逐渐减弱,8月后这一趋势结束;水田密集区域绿水流量大,绿水储量和径流深减少,而补给地下水量和灌溉水田抽取地下水量增加。

关键词：水资源平原-丘陵-湿地交融区土地利用方式绿水