胡胜
, 杨冬冬, 曹明明
Hu Sheng, Yang Dongdong, Cao Mingming
中图分类号: K903
文献标识码: A
文章编号: 1000-0690（2017）03-0455-09
通讯作者:
收稿日期: 2016-04-15
修回日期: 2016-06-20
网络出版日期: 2017-03-20
版权声明: 2017 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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作者简介:
作者简介：胡胜（1988-）,湖北枣阳人,博士研究生,主要从事水文水资源与地质灾害等方面研究。E-mail:husheng198800@126.com
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摘要
将国内外应用较广的数字滤波法和分布式水文模型SWAT相结合,在进行基流时间特征分析的基础上,通过修正基流退水系数α、模型效率评价、重新运行模型、GIS空间插值和趋势分析等方法,创新性地实现了基流空间特征的可视化表达。研究结果表明：① 2001~2012年灞河流域年均基流指数（BFI）为0.43,总体呈增加的趋势。年降水量与年径流、年基流均呈明显的正相关关系,与年基流指数呈明显的负相关关系;② 基流年内变化较为稳定,在时间上存在秋季>春季>夏季>冬季、汛期>非汛期的关系。枯水期的基流指数高达0.78,表明基流是枯水期河流的主要补给来源;③ 灞河流域基流在空间上表现为自东南向西北、自上游向下游逐渐增加的趋势,这种空间分异规律是由流域的地势和河流流向决定的。
关键词：
Abstract
Baseflow plays an important role in maintaining the health and the ecological functions of rivers. Baseflow separation is also a hot topic of hydrology all the time. The article combines the Digital Filter Method and SWAT which is a distributed hydrological model and widely used at home and abroad. It creatively realizes the visual representation of the spatial features of baseflow on the basis of analyzing the time characteristics of baseflow and by correcting baseflow alpha factor, evaluating the model efficiency, rerunning the SWAT model, GIS spatial interpolation and trend analysis etc. The results show that: 1) The annual average Baseflow Index (BFI) of the Bahe River Basin from 2001 to 2012 is 0.43, presenting an increasing trend on the whole. The annual precipitation has a positive correlation with annual runoff and annual baseflow; but it obviously shows a negative relation between annual precipitation and annual Baseflow Index (BFI); 2) The change of baseflow is relatively stable within a year, and the base flow in different seasons tends to be: Autumn> Spring> Summer>Winter, while flood season is bigger than that of the non-flood season. BFI is as high as 0.78 in dry seasons, which shows that baseflow is the main replenishment source of river in dry seasons; 3) The baseflow of the Bahe River Basin tends to be an increasing tendency from Southeast to Northwest and from upstream to downstream in spatial terms. Also, such a spatial variation law is determined by the terrain of the basin and the direction of the river.
Keywords：
目前学术界对基流还没有统一的定义[1],基流（Baseflow）通常指地下水和其他延迟的水资源补给河川径流的部分水量[2]。基流的大小与流域的地形地势、气候、土壤、植被、流域面积、下垫面情况密不可分[3]。基流是河流常年稳定的补给来源,尤其是枯水期,基流成为河流的主要补给形式。对于干旱和半干旱地区而言,年基流指数甚至超过了地表径流在河川径流中的比例[4]。基流在维系河流生态功能、工农业生产生活供水、保证河流生态需水、流域水量平衡、揭示地表水与地下水交换规律、稳定区域地质稳定等方面发挥重要的功能[1,3,5]。然而,基流不像河川径流可以通过水文站直接观测获得,而是需要通过一定的方法进行估算。因此,基流分割一直是国内外水文学研究的重、难点[6~11]。
学者们从基流定义、产生机制、影响因素、基流分割方法、国内外研究进展等方面作了较为全面的综述研究[1,10]。目前,基流分割方法有直接分割法（直线分割法、库捷林方法、退水曲线法）、水量平衡法（参数分割法、水文模拟法）、同位素法和时间序列分析法（基流指数法、数字滤波法、平滑最小值法、时间步长法）四大类十余种方法。但是,各种径流分割的理论和方法存在较大争议[10,12],各种基流分割方法也没有很好的普适性。自Nathan 和Mc Mahon[13] 1990年首次将数字滤波技术引入到基流分割中,该方法已经成为国际上使用最为广泛的基流分割方法。数字滤波法能够将高频信号（地表径流）和低频信号（基流）分离,达到快速从逐日流量过程中分割基流的目的[9]。后续研究者不断对数字滤波法进行了改进,目前普遍使用的有F1、F2、F3、F4共4种数字滤波法。由于研究区域的不同,4种滤波法也面临适用性问题[14]。国内外学者在基流方面做了大量工作,并且取得一系列重要成果。除了研究不同分割方法在基流分割方面的差异外,同时还对基流的时间序列特征[4,15,16]、基流变化原因[3,17]、基流分割方法的区域适用性[18,19]、基流指数（Baseflow Index,BFI）的回归分析[14,17]做了深入研究。然而,地理要素的时空特征研究是地理学永恒的主题。地表过程的特征不仅体现在时间序列的变化上,更要能够展示其空间分布规律。从前人[4,15,16]的工作中可以看出,研究者们大多侧重于流域基流特征的时间序列分析,鲜有人对流域基流的空间特征进行可视化表达,有也只是单纯地对个别水文站进行空间特征描述。SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型基于水量平衡原理和ArcGIS平台,具有强大的地理要素空间表达能力,研究者也能进行二次开发构建流域水文信息可视化系统[20]。分布式水文模型SWAT为地表过程要素的空间化和定量化研究带来了新的机遇。
基于这种考虑,本研究将数字滤波法和SWAT模型有机结合起来,先利用数字滤波法实现传统的基流时间特征分析,在此基础上通过模型参数率定、参数率定后模型效率评价、GIS空间插值与全局趋势分析等方法实现灞河流域年均基流的空间化表达,力求全面反映灞河流域基流的时空分布特征,为SWAT模型参数率定方法的优化、流域地下水资源的开发与保护、河流生态需水量政策的制定提供依据。
灞河,发源于秦岭北麓蓝田县灞源乡九道沟,位于八百里秦川中段、西安市东南,是渭河南岸的一级支流,也是西安重要的水源地之一（图1）。灞河全长104.1 km,流域面积2 581 km2,地理范围介于109°00′~109°47′E、33°50′~34°27′N之间,流域落差1 142 m,上游河道平均比降9‰,下游河道比降为1.58‰。流域南高北低,地势自东南向西北倾斜,上游流经秦岭石质山地,中下游流经横岭丘陵、黄土台塬和关中平原。灞河流域为暖温带大陆性季风气候,降水量由南向北逐渐递减,秦岭山区年降水量在830 mm以上,横岭丘陵、黄土台塬在710~830 mm,流域年蒸发量776 mm。
图1 研究区位置与土地利用类型
Fig.1 The location and land use classes of the Bahe River Basin
本文使用的数据及其来源如下：① 数字高程模型（DEM）：本文采用SRTM的30 m×30 m分辨率地形产品数据,进行了滤波处理和误差修正;② 土地利用图：本文使用了灞河流域县区2014年第二次全国土地调查数据库并进行土地利用重分类,得到耕地、林地、草地、水体、建设用地和未利用地6种土地利用类型（图1）;③ 土壤数据：采用了联合国粮农组织官网HWSD数据库（http://www.fao.org/home/en/）提供的1：100万土壤数据集;④ 水文数据：水文数据由西安理工大学图书馆特色馆藏《黄河流域水文资料（2001~2012）》（纸质版）整理得到,其中灞河流域涉及2个水文站和12个雨量站;⑤ 气象数据：SWAT模型需要输入逐日降水、气温、风速、相对湿度、太阳辐射等数据,本文使用的气象数据来源于中国气象数据网（http://data.cma.gov.cn/）,选取临近灞河流域的西安站来构建SWAT模型的天气发生器。
1） 数字滤波法（F1）。本文采用SWAT官网提供的数字滤波基流分割工具（SWAT Bflow）实现对北洛河流域水文站的基流分割。SWAT Bflow程序的算法参照Arnold和Allen等人[6,7]提出的单参数数字滤波方法,其滤波方程为：
式中：
2） SWAT模型效率评价方法。本文采用国内外文献中普遍使用的确定系数（R2）、纳什效率系数（NSE）和百分比偏差（PBIAS）进行SWAT模型效率的评价,3种评价方法的计算公式可以参考相关文献[21~24],本文不再一一介绍。
此外,为了量化基流在总径流量所占比重,一般用基流指数来描述,它反映了河川基流量在总径流量的分量。
SWAT模型是美国农业部（USDA）农业研究局（ARS）Jeff Arnold 博士开发的流域尺度模型,它具有很强的物理基础,能在资料缺乏的地区建模[25]。目前该模型在国外的北美、非洲、中东、欧洲等地[26~29]得到广泛应用,近些年国内研究者在诸多流域[22,30~33]开展过研究工作。SWAT Bflow是SWAT模型官网提供的一款基流滤波程序,它的分割原理采用了Arnold和Allen等人[6,7]提出的单参数数字滤波方法,能够快速地计算河川径流中的基流部分。SWAT-CUP是一款开源、免费的SWAT模型校准和不确定性分析程序,具有界面友好、参数率定灵活便捷、校验方法多样化、处理速度快、效率高等特点[22]。本文采用了SUFI2方法进行模型校准。
4.1.1 逐日变化分析
图2展示了灞河流域马渡王水文站2001~2012年逐日降雨-径流过程线和数字滤波法3个通道（Bflow Pass1、2、3）的基流分割结果,其中Bflow Pass1分割的基流最大,Bflow Pass3分割的基流最小。选取何种通道分割的基流结果,需要视研究区具体情况而定,这是因为流域内的基流变化往往受到降水类型、土地利用类型、土壤类型和暗沟排水等因素共同作用[7]。灞河流域地处秦岭山区与关中平原、湿润地区与半湿润地区的过渡地带,流域内植被类型和土壤类型多样,逐日降雨和径流的年内变化剧烈,降雨集中在夏秋季节,且暴雨和洪峰较多（图2）。为了能够显示具体的分割细节,图2中给出了2009年5~10月逐日基流分割结果的局部放大图。不难看出,数字滤波法的第二通道（Bflow Pass2）分割的结果更准确,因为Bflow Pass1分割的基流过高且变化剧烈,Bflow Pass3分割的基流过于平滑,也不能很好地表现与河川径流的对应关系。
图2 马渡王水文站逐日降雨-径流过程线与数字滤波分割
Fig.2 Daily precipitation-runoff process and baseflow separation for Maduwang hydrological station
4.1.2 逐月变化分析
图3a为灞河流域2001~2012年月均径流、基流、基流指数、降水量年内变化情况。从图中可以看出灞河在春季（3~5月）和夏秋季（6~11月）出现了2次汛期,夏秋季为主汛期。2001~2012年灞河流域月均径流在4.44~36.4 m3/s之间变化,平均值为13.01 m3/s,最高值出现在9月,最低值出现在2月。与河川径流相比,灞河流域的月均基流量变化较为平稳,基流均值为5.64 m3/s,变化范围在3.01~10.20 m3/s之间,最大值和最小值分别出现在9月和6月,8~10月的基流比其他月份高。
图3 马渡王水文站2001~2012年月均和年均基流特征
Fig.3 Monthly and yearly baseflow characteristics of Maduwang hydrological station in 2001- 2012
虽然以往不少研究者[11,17]建立了气温、降水与径流的线性拟合关系,但水文、气象过程一般具有非线性特征,简单的线性拟合很难清楚表达二者之间的关系。在处理非线性特征要素之间相互关系（周期性、相关性等）时,连续小波变换、交叉小波变换和小波相干法能够探讨径流与气候因子在时频域中的多时间尺度相关关系及周期特征[34],因而受到国内外研究者[34~37]的青睐。然而,该方法要求数据的时间序列较长。本文年月尺度的分析数据只有12个,样本数量较少,采用该方法的效果不理想。因此,我们对线性、指数、对数、多项式、幂指数5种拟合方法进行了比较,发现6次多项式拟合结果的确定系数R2最高。拟合结果表明月均径流、月均基流与多年平均月降水量呈显著的正相关关系,它们的多项式拟合方程分别为y=(-2E-05)x6 + 0.0029x5- 0.1419x4+3.1608x3-34.182x2+179.4x-338.52
（R²=0.85）、y=0.852x6-32.596x5+502.27x4-3985.7x3 +17183x2-38167x+34179（R²=0.36）。月均基流指数（BFI）与多年平均月降水量呈显著的负相关关系,拟合方程为y= -267596x6 + 950967x5-(1E+06)x4+(1E+06)x3-414694x2+85443x-6830.2（R²=0.98）,二者在图像上表现为近似轴对称图形（图3a中的红线与蓝线）。从图2中的逐日降雨-径流过程线可以发现,强降雨使得地表径流和河川径流迅速增大,但是基流的变化幅度较小,由基流指数的计算公式（BFI=基流总量/总流量）可知,基流指数反而变小,这也是多年平均月降水量与月均基流指数呈负相关的原因所在。
4.1.3 季节变化分析
在月均基流分析的基础上,统计了春夏秋冬4个季节、汛期与非汛期的基流特征。基流年内变化较为稳定,春夏冬差别很小,基流存在秋季（8.74 m3/s）>春季（4.95 m3/s）>夏季（4.60 m3/s）>冬季（4.25 m3/s）、汛期（6.24 m3/s）>非汛期（4.78 m3/s）的数量关系,基流指数的大小关系为冬季（0.83）>春季（0.51）>秋季（0.49）>夏季（0.33）、非汛期（0.78）>汛期（0.37）,说明枯水期灞河流域以地下水补给为主。
从图3b中可以看出,几组因子存在明显的对应关系：① 年径流、年基流与年降水量均呈明显的正相关关系,这说明降水是影响河川径流和基流的决定性因素,年径流与年降水量的拟合方程为y=-0.0009x6+0.0886x5-3.4175x4+67.726x3 -725.75x2 +3992.7x-8128.5（R²=0.95）,年基流与降水量的拟合方程为y=0.9443x6-35.241x5+537.89x4-4270x3+18455x2-40785x+36299（R² = 0.90）。② 年基流指数（BFI）与年降水量呈明显的负相关关系,拟合方程为y=(-1E+09)x6 + (4E+09)x5-(4E+09)x4+(2E+09)x3-(7E+08)x2 + (1E+08)x-(9E+06)（R²=0.87）,二者在图像上也表现为近似轴对称图形（图3b中的红线与蓝线）。这与陈利群[11]、牛明慧[38]等人的研究结果相一致。
图3b还表明2001~2012年灞河流域年基流呈现出线性的增加趋势,增加幅度为2.68 （m3/s）/10a,年均基流在（2.60~8.74）m3/s波动,年均值为5.64 m3/s。通过SWAT Bflow程序对灞河流域12 a的日径流分割得到年均基流指数（表1）,如前所述Bflow Pass2分割结果较为准确,中游的罗李村年均基流指数（BFI）为0.37,基流退水系数α为0.018 7,下游的马渡王年均基流指数为0.43,基流退水系数α为0.033 4。
表1 灞河流域2001~2012年年均基流分割结果
Table 1 Results of yearly baseflow separation for the Bahe River Basin in 2001-2012
| 水文站 | 基流指数 | ALPHA_BF | ||
|---|---|---|---|---|
| Bflow Pass1 | Bflow Pass2 | Bflow Pass3 | ||
| 罗李村 | 0.53 | 0.37 | 0.31 | 0.0187 |
| 马渡王 | 0.58 | 0.43 | 0.37 | 0.0334 |
水文模型的运行和校准工作必定会涉及到参数率定问题,以往研究中研究者们根据研究区的特点会选择多种（有的多达十几种）参数进行模型的校准工作。众所周知,每个流域都有不同的水文参数,如河流比降、基流退水系数、地下水迟滞系数等,如果能够通过某种方法计算出这些参数,就大大提高了参数率定的效率,然而大多数研究者却忽视了这一问题。本文将探讨通过数字滤波法计算得到的基流退水系数α对SWAT模型模拟结果的影响。
由上可知,灞河流域年均退水系数α在0.018 7~0.033 4之间。因此,在SWAT CUP 2012中对基流退水系数α作如下设置：v__ALPHA_BF.gw 0.0187 0.0334,模拟次数100,并且不再率定其他参数。图4是SWAT模型原始模拟结果和经过校准基流退水系数α后的模拟结果对比,月尺度的模拟对比表明,基流退水系数α率定对汛期洪峰模拟有很大改善作用,弥补了参数校准前洪峰模拟过低的问题。表2为基流退水系数α率定前后的SWAT模型效率评价。可以看出,基流退水系数α率定前后模拟结果差异显著,经过参数率定后的模拟精度大大提高。如马王渡水文站确定系数R2由0.83提高到0.84,纳什效率系数（NSE）由0.72提高到0.80,百分比偏差（PBIAS）由28.64%降低到15.96%。罗李村水文站的模拟结果精度也大大提高,且比马渡王水文站的模拟效果更好。
图4 基流退水系数α率定前后模拟结果对比
Fig.4 Simulation results comparison before and after calibrating baseflow α factor
表2 基流退水系数α对SWAT模型效率的影响
Table 2 Baseflow α factor impacts on the efficiency of the SWAT model
| 水文站 | ALPHA _BF率定前 | ALPHA _BF率定后 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| R2 | NSE | PBIAS | R2 | NSE | PBIAS | |
| 罗李村 | 0.85 | 0.71 | 31.84% | 0.88 | 0.88 | 5.96% |
| 马渡王 | 0.83 | 0.72 | 28.64% | 0.84 | 0.80 | 15.96% |
基于时间序列分析的基流特征研究较为普遍,然而从子流域角度进行基流的空间特征研究还很少有人涉及。究其原因,主要是中小尺度流域的水文站点数量有限,采样点不足和分布不均成为制约利用GIS空间插值方法实现基流空间特征可视化的一大难题。基于水量平衡原理的分布式水文模型SWAT能够实现水文响应单元（HRUs）和子流域尺度的水循环过程模拟。而通过数字滤波得到了灞河流域的年均基流退水系数α,经过参数率定后模型的模拟精度大大提高,能够满足流域水文预报。基于此,我们在SWAT 2012中修正灞河流域的年均基流退水系数α,再次运行模型。这样既实现了子流域的径流模拟,又保证了模型模拟的精度。然后再次利用SWAT Bflow实现灞河流域子流域的逐日基流分割。为了能够实现基流的可视化表达,我们将每个子流域的年均基流值和BFI提取到子流域中心点上,利用GIS空间分析的克里金插值法（Kriging）以及地统计分析工具的全局趋势分析得到灞河流域年均基流和BFI的空间分布与趋势变化图（图5）。
图5 灞河流域年均基流和基流指数的空间分布（a,b）与变化趋势 （c,d）图中序号为子流域编号
Fig.5 Spatial distribution(a,b) and change trend(c,d) of yearly baseflow and BFI in the Bahe River Basin
图5a显示,灞河流域子流域的年均基流在0.04~5.30 m3/s之间,马渡王水文站所在的Sub1子流域的年均基流为5.30 m3/s,与图3中计算的年均值5.64 m3/s十分吻合,说明上述基流插值方法可信度较高。GIS全局趋势分析（图5c）表明,年均基流在空间变化上呈现自东向西（绿线）、自南向北（蓝线）递增的趋势。灞河流域年均基流自东南向西北递增的趋势是由地势和河流流向决定的,灞河下游地区的基流明显高于中上游地区,二者最高的130多倍。年均基流的高值区（>2.4 m3/s）集中分布在子流域1、5、9、11、15、18,这些子流域大多属于灞河流域下游地区;低值区（<0.8 m3/s）集中分布在子流域3、4、7、8、13、14、17、21、25、26、27、28、30、31、32、33、34、35,它们均位于上游地区,中值区（0.8~2.4 m3/s）分布在中游地区的其他子流域。灞河流域90%以上子流域年均BFI小于0.5,也进一步证明了在年尺度上降水转换为地表径流的效率更高,地表径流量在灞河流域总径流量中占绝对优势,降雨是灞河流域主要的补给形式。从基流指数的全局趋势分析图（图5d）中可以看出,基流指数表现出自东向西（绿线）、自南向北（蓝线）递减的趋势。个别子流域的BFI大于0.5,BFI的高值区（0.4~0.55）主要分布在秦岭山区,这表明秦岭具有重要的水源涵养功能,枯水期能够为灞河流域提供稳定的地下水来源。
1） 数字滤波法与SWAT模型的有机结合,为研究基流、地表径流的空间分布特征提供了新的机遇,也为地表过程要素的空间化提供了一种新思路。由于受不同气候类型、补给方式的影响,湿润地区河流的基流指数一般偏低,干旱、半干旱地区则偏高,数字滤波法哪个通道的基流分割结果更合理需因河流而异。
2） 基流作为河川径流的重要组成部分,在参与河流与地下水补给交换过程中占有举足轻重的地位。虽然基流变化稳定,但仍主要受降水量变化的影响,无论是年尺度还是与尺度,河川径流、基流均与降水量呈显著的正相关关系,基流指数则与降水量呈显著的负相关关系。
3） 从时间特征来看,基流年内变化十分稳定,基流指数（BFI）在冬春季节明显高于夏秋季,表明枯水期基流对河川径流贡献更大,而丰水期地表径流对河川径流贡献更大,这主要受制于当地的气候条件。从空间特征看,年均基流的空间分布与流域地形、河流走向有密切关系,而年均基流指数分布却没有明显的规律性,总体而言,高度植被覆盖的森林地区年均基流指数比其他下垫面偏高,表明森林具有良好的水源涵养功能,枯水期能够为河流提供稳定的地下水补给。
4） SWAT模型参数众多,参数率定是一个繁复的工作。通过某种程序或方法计算能够获取的参数,可以直接输入模型,这样就大大提高了参数率定的效率,也提高了模拟的精度,从而更好地满足流域水文预报。
① 气候变化和人类活动共同影响着流域的径流过程。2001~2012年灞河流域年降水量呈逐渐增加的趋势,年径流和年基流也随之增加,在这种变化过程中气候变化和人类活动对径流、基流的贡献率是多少?谁占主导地位?由于数据序列时间较短,本文未能进行深层次的原因探讨。② 本文虽然进行了降水、径流、基流、基流指数的拟合与相关性分析,但是也只是简单的多项式拟合。然而降水、径流过程都具有非线性特征,如果处理长时间序列的降水、径流数据,最好使用连续小波变换、交叉小波变换和小波相干法,因为该方法能够探讨径流与气候因子在时频域中的多时间尺度相关关系及周期特征。③ 基流的空间分布在一定程度上反映了流域地下水的丰富度。图5a直观展示了灞河流域基流的空间分布趋势与流域地势、河流水系有密切关系,但这种分布特征与流域的气候、植被和土壤是什么样的内在关系?这些因素的分布与变化对流域产汇流有什么样的影响?这些问题都是以后研究应该关注的问题。④ SWAT Bflow程序能够实现逐日流量的基流分割,并计算出基流指数和基流退水系数α,这为SWAT模型的参数率定提供了科学参考,通过SWAT CUP率定后,能很好地提升SWAT模型的模拟效率。⑤ 本文的主要目的在于探讨灞河流域基流的时空特征,然而目前使用的基流分割方法多达十几种,且每种方法的估算结果差异较大。为了实现与SWAT水文模型的耦合研究,我们选用了SWAT官网推荐使用的数字滤波法（F1）进行基流分割,但是该分割方法不一定是最佳的方法,由于篇幅有限,本文并没有将该方法与其他分割方法进行对比性和差异性研究,这也是不足之处。当然,这是以后研究需要加强的环节。
The authors have declared that no competing interests exist.
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A continental-scale hydrology and water quality model for Europe: Calibration and uncertainty of a high-resolution large-scale SWAT model [J].https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2015.03.027 URL 摘要
A combination of driving forces are increasing pressure on local, national, and regional water supplies needed for irrigation, energy production, industrial uses, domestic purposes, and the environment. In many parts of Europe groundwater quantity, and in particular quality, have come under sever degradation and water levels have decreased resulting in negative environmental impacts. Rapid improvements in the economy of the eastern European block of countries and uncertainties with regard to freshwater availability create challenges for water managers. At the same time, climate change adds a new level of uncertainty with regard to freshwater supplies. In this research we build and calibrate an integrated hydrological model of Europe using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) program. Different components of water resources are simulated and crop yield and water quality are considered at the Hydrological Response Unit (HRU) level. The water resources are quantified at subbasin level with monthly time intervals. Leaching of nitrate into groundwater is also simulated at a finer spatial level (HRU). The use of large-scale, high-resolution water resources models enables consistent and comprehensive examination of integrated system behavior through physically-based, data-driven simulation. In this article we discuss issues with data availability, calibration of large-scale distributed models, and outline procedures for model calibration and uncertainty analysis. The calibrated model and results provide information support to the European Water Framework Directive and lay the basis for further assessment of the impact of climate change on water availability and quality. The approach and methods developed are general and can be applied to any large region around the world.
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Hydrological response to dynamical downscaling of climate model outputs:A case study for western and eastern snowmelt-dominated Canada catchments [J].https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2015.09.003 URL [本文引用: 1] 摘要
Results show that the CRCM captures the primary features of observed climate, but there are significant biases. Most noteworthy are a positive bias in precipitation and a negative bias in temperature over the BC basin. When looking at the hydrological modeling results, the benefit of using the RCM versus GCMs emerged distinctly for the mountainous BC basin where the RCM is preferred over the GCMs. The sensitivity experiments show that uncertainty in the GCM/RCM’s internal variability must be assessed to provide suitable regional hydrological responses to climate change.
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黄河流域分布式水文模型初步研究与进展 [J].https://doi.org/10.3321/j.issn:1001-6791.2004.04.017 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
结合国家重点基础研究规划项目"黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理"的研究,综述了黄河流域分布式水文模型研究的主要进展,包括分布式水文模型的特点和基本结构、分布式水文模型中的数字高程模型(DEM)和水文学基础、地理信息系统(GIS)和遥感(RS)在分布式水文模拟中的应用等方面的内容,对未来分布式水文模型的研究提出几点认识。
Advances in distributed hydrological modeling in the Yellow River basin. https://doi.org/10.3321/j.issn:1001-6791.2004.04.017 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
结合国家重点基础研究规划项目"黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理"的研究,综述了黄河流域分布式水文模型研究的主要进展,包括分布式水文模型的特点和基本结构、分布式水文模型中的数字高程模型(DEM)和水文学基础、地理信息系统(GIS)和遥感(RS)在分布式水文模拟中的应用等方面的内容,对未来分布式水文模型的研究提出几点认识。
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SWAT模型在黑河中上游流域的改进与应用 [J].https://doi.org/10.11849/zrzyxb.2013.08.013 URL Magsci 摘要
基于物理机制的分布式水文模型是定量化研究人类活动影响下流域水文过程非常有效的工具。使用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)对黑河中上游流域2000—2009年的月平均径流过程进行模拟的结果表明,SWAT模型很好地模拟了黑河上游自然状态下的径流过程,但对中游地区冬季径流模拟明显偏低。分析表明,黑河中游地形和农业生产高强度、反复的地下水抽取灌溉—渗透—地下水补给过程可能是导致模拟偏低的主要原因。基于此机制,论文提出了增加地下水下渗过程的模型修改方案,来间接模拟黑河中游的这一特定过程。对比模型修改前后的黑河中游的径流过程模拟结果表明,验证期的模型效率系数<em>ENS</em>和决定系数<em>R</em><sup>2</sup>分别从0.53、0.61提高到了0.70、0.75,取得了较好的模拟结果。结果还表明,加强对黑河中游人工灌溉过程的模拟研究对于研究黑河中游水资源管理和水循环过程至关重要。
Improvement and applications of SWAT model in the upper-middle Heihe River Basin. https://doi.org/10.11849/zrzyxb.2013.08.013 URL Magsci 摘要
基于物理机制的分布式水文模型是定量化研究人类活动影响下流域水文过程非常有效的工具。使用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)对黑河中上游流域2000—2009年的月平均径流过程进行模拟的结果表明,SWAT模型很好地模拟了黑河上游自然状态下的径流过程,但对中游地区冬季径流模拟明显偏低。分析表明,黑河中游地形和农业生产高强度、反复的地下水抽取灌溉—渗透—地下水补给过程可能是导致模拟偏低的主要原因。基于此机制,论文提出了增加地下水下渗过程的模型修改方案,来间接模拟黑河中游的这一特定过程。对比模型修改前后的黑河中游的径流过程模拟结果表明,验证期的模型效率系数<em>ENS</em>和决定系数<em>R</em><sup>2</sup>分别从0.53、0.61提高到了0.70、0.75,取得了较好的模拟结果。结果还表明,加强对黑河中游人工灌溉过程的模拟研究对于研究黑河中游水资源管理和水循环过程至关重要。
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基于SWAT模型的三江平原沼泽性河流的径流模拟 [J].https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-0852.2014.01.009 URL 摘要
三江平原位于中国东北部,是国家重要的商品粮基地,水资源的变化 影响区域农业经济的发展.应用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型模拟挠力河上游流域径流变化特征,为研究沼泽性河流水文变化特征提供有效的方法.根据水文相似性原理和参数移植法把校准的模型应用于七星河 流域,进行无资料流域的径流模拟,年径流模拟校准期和验证期的Nash-Sutcliffe效率系数、相关系数R2、相对误差PBIAS值分别为 0.84、0.94、-5.70和0.91、0.93、-6.46,表明SWAT模型可以应用到七星河流域.
Runoff simulation for marsh rivers in Sanjiang Plain based on SWAT model. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-0852.2014.01.009 URL 摘要
三江平原位于中国东北部,是国家重要的商品粮基地,水资源的变化 影响区域农业经济的发展.应用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型模拟挠力河上游流域径流变化特征,为研究沼泽性河流水文变化特征提供有效的方法.根据水文相似性原理和参数移植法把校准的模型应用于七星河 流域,进行无资料流域的径流模拟,年径流模拟校准期和验证期的Nash-Sutcliffe效率系数、相关系数R2、相对误差PBIAS值分别为 0.84、0.94、-5.70和0.91、0.93、-6.46,表明SWAT模型可以应用到七星河流域.
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水文过程的基流分割方法研究进展 [J].
基流分割研究是水文学、生态水文学研究的重点和难点之一，一直以来在其概念与方法上都缺乏统一的标准.本文详细介绍了基于不同基流组成定义的基流分割理论，并分析了各基流分割方法的发展历程.对不同分割方法进行对比发现：直接分割法简单、适用，却有任意性；水量平衡法实施起来困难，但符合水文规律；时间序列分析法和同位素法能克服手工图解分割方法的主观性和随意性，可以快速有效地得到连续基流过程.近年来，水文模拟、数字滤波、同位素法成为基流分割的主要方法.
Baseflow separation methods in hydrological process research:A review.
基流分割研究是水文学、生态水文学研究的重点和难点之一，一直以来在其概念与方法上都缺乏统一的标准.本文详细介绍了基于不同基流组成定义的基流分割理论，并分析了各基流分割方法的发展历程.对不同分割方法进行对比发现：直接分割法简单、适用，却有任意性；水量平衡法实施起来困难，但符合水文规律；时间序列分析法和同位素法能克服手工图解分割方法的主观性和随意性，可以快速有效地得到连续基流过程.近年来，水文模拟、数字滤波、同位素法成为基流分割的主要方法.
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退化山地生态系统植被恢复水文效应的SWAT模拟 [J].https://doi.org/10.3969/j.issn.1008-2786.2008.01.012 URL [本文引用: 1] 摘要
植被恢复是改善退化生态环境的重要途径。位于闽东南沿海的晋江西溪流域是我国南方典型的水土流失区。应用基于SWAT的晋江西溪流域产流产沙分布式模型,结合流域内退化生态系统重建要求设定不同植被恢复情景,模拟分析植被恢复下的水文效应。模拟结果表明:SWAT模型能较好的用于流域退化生态系统重建的水文模拟;研究区内,还林比还草更有利于流域的水土保持和生态重建,植被恢复对流域产沙量的影响大于产流量。
Simulation of hydrological effects on vegetation restoration of degraded mountain ecosystem with SWAT model. https://doi.org/10.3969/j.issn.1008-2786.2008.01.012 URL [本文引用: 1] 摘要
植被恢复是改善退化生态环境的重要途径。位于闽东南沿海的晋江西溪流域是我国南方典型的水土流失区。应用基于SWAT的晋江西溪流域产流产沙分布式模型,结合流域内退化生态系统重建要求设定不同植被恢复情景,模拟分析植被恢复下的水文效应。模拟结果表明:SWAT模型能较好的用于流域退化生态系统重建的水文模拟;研究区内,还林比还草更有利于流域的水土保持和生态重建,植被恢复对流域产沙量的影响大于产流量。
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黑河出山径流过程与气象要素多尺度交叉小波分析 [J].
运用交叉小波对黑河上游野牛沟气象站1959-2010 年和祁连气象站1957-2010 年年降水（<em>AP</em>）与年均气温（<em>AAT</em>）、北极涛动指数（<em>AOI</em>）和莺落峡站（1944-2010 年）的年均径流量（<em>AAR</em>）进行了多尺度分析。结果表明：<em>AOI</em> 存在3～5 a 尺度的显著周期，<em>AAT</em> 存在3 a 尺度的显著周期，<em>AP</em>存在3 a 和4～6 a 尺度的显著周期，<em>AAR</em> 存在3 a、2.5～4 a 和5 a 比较显著的周期；黑河上游径流的增加主要是受“暖湿”气候影响；<em>AAR</em> 与<em>AOI</em>、<em>AAT</em> 呈现出3 a 的负相关和3～4 a 的近似负相关共振周期，<em>AAR</em> 与<em>AP</em> 存在2～7 a 的显著性的共振周期，降水对径流的影响很大，为径流的主要补给来源；受<em>AOI</em> 的影响，<em>AAR</em> 在1987 年发生3 a 周期的“丰-枯”转换，受AAT 的影响，<em>AAR</em> 在1974 年和1996 年发生3 a 周期的“丰-枯”转换，受<em>AP</em> 的影响，<em>AAR</em> 在1986 年发生3 a 周期的“丰-枯”转换。降水和气温是影响径流变化的主导因素。
Multi-time scale cross-wavelet transformation between runoff and climate factors in the upstream of Heihe River.
运用交叉小波对黑河上游野牛沟气象站1959-2010 年和祁连气象站1957-2010 年年降水（<em>AP</em>）与年均气温（<em>AAT</em>）、北极涛动指数（<em>AOI</em>）和莺落峡站（1944-2010 年）的年均径流量（<em>AAR</em>）进行了多尺度分析。结果表明：<em>AOI</em> 存在3～5 a 尺度的显著周期，<em>AAT</em> 存在3 a 尺度的显著周期，<em>AP</em>存在3 a 和4～6 a 尺度的显著周期，<em>AAR</em> 存在3 a、2.5～4 a 和5 a 比较显著的周期；黑河上游径流的增加主要是受“暖湿”气候影响；<em>AAR</em> 与<em>AOI</em>、<em>AAT</em> 呈现出3 a 的负相关和3～4 a 的近似负相关共振周期，<em>AAR</em> 与<em>AP</em> 存在2～7 a 的显著性的共振周期，降水对径流的影响很大，为径流的主要补给来源；受<em>AOI</em> 的影响，<em>AAR</em> 在1987 年发生3 a 周期的“丰-枯”转换，受AAT 的影响，<em>AAR</em> 在1974 年和1996 年发生3 a 周期的“丰-枯”转换，受<em>AP</em> 的影响，<em>AAR</em> 在1986 年发生3 a 周期的“丰-枯”转换。降水和气温是影响径流变化的主导因素。
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Base-flow recessions—A review [J].https://doi.org/10.1029/WR004i005p00973 URL [本文引用: 1] 摘要
Hydrologists have studied base-flow recessions for one hundred years or more. By the early nineteen hundreds much of the basic mathematical development was completed, and some methods of hydrograph analysis were known. Recent mathematical work, although repetitive to some extent of the earlier efforts, has the advantage that it assesses more closely the effects of the simplifying assumptions used to obtain solutions. Most workers have preferred to follow graphical or statistical rather than mathematical approaches. The reasons appear to lie mainly in problems caused by the assumptions and in difficulties in interpreting the real stream hydrograph. Also, base flow can come from numerous sources besides ground water. Other complications arise from the question of whether the basin response is linear or nonlinear, because the response is a function of various geologic and hydrologic factors in addition to those considered in the mathematical derivations.
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黑河上游多年基流变化及其原因分析 [J].https://doi.org/10.11821/yj2011080008 URL Magsci [本文引用: 3] 摘要
利用递归数字滤波法分割黑河上游主要水文站点的基流量,用移动平均、曼－肯德尔(Mann-Kendall)突变检验,小波分析方法分析研究区多年基流变化特点,并对基流影响因子进行分析。结果显示:黑河上游祁连、扎马什克、莺落峡三站多年平均基流指数均大于0.4;祁连与莺落峡多年基流量呈上升趋势,二者都在1979年发生增加到显著增加的突变。扎马什克基流波动较大,总体呈下降趋势;三站基流分别存在11年、6年、15年的明显变化周期。基流量变化主要受降水的影响。人类活动对基流的影响主要表现在造成黑河上游森林面积减少,使其补给调节基流的能力下降,从而使基流量减少且更易受气候变化的影响。黑河上游基流变化特征符合西北地区对全球气候变化的响应的一致性,同时也有其受到祁连山冰雪融水补给、山区特殊地形等影响,从而体现对全球气候变化响应的差异性。
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A practical guide to wavelet analysis [J].
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Application of the cross wavelet transform and wavelet coherence to geophysical time series [J].
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Annual base flow change and its causes in the upper reaches of Heihe River. https://doi.org/10.11821/yj2011080008 URL Magsci [本文引用: 3] 摘要
利用递归数字滤波法分割黑河上游主要水文站点的基流量,用移动平均、曼－肯德尔(Mann-Kendall)突变检验,小波分析方法分析研究区多年基流变化特点,并对基流影响因子进行分析。结果显示:黑河上游祁连、扎马什克、莺落峡三站多年平均基流指数均大于0.4;祁连与莺落峡多年基流量呈上升趋势,二者都在1979年发生增加到显著增加的突变。扎马什克基流波动较大,总体呈下降趋势;三站基流分别存在11年、6年、15年的明显变化周期。基流量变化主要受降水的影响。人类活动对基流的影响主要表现在造成黑河上游森林面积减少,使其补给调节基流的能力下降,从而使基流量减少且更易受气候变化的影响。黑河上游基流变化特征符合西北地区对全球气候变化的响应的一致性,同时也有其受到祁连山冰雪融水补给、山区特殊地形等影响,从而体现对全球气候变化响应的差异性。
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黄河中游支流基流的分割及特性分析 [J]. |
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典型表层岩溶水系统降水量与泉流量的交叉小波分析 [J].
利用2002年3月至2008年12月龙怀表层岩溶水系统降水量 与2个表层岩溶泉泉流量资料，采用连续小波变换、交叉小波变换与小波相干方法，对龙怀表层岩溶水系统降水量及表层岩溶泉泉流量多时间尺度特征及相关关系进 行了分析。结果表明：龙怀表层岩溶水系统降水量主振荡周期为0．77-1．16a，布洋1号泉与龙何下泉泉流量的主振荡周期均为0．82-1．23a，而 其高频部分周期变化均不连续，其动态特征均以年际变化为主；交叉小波变换揭示COI区域外降水量与布洋1号、龙何下泉泉流量的主共振周期均为 O．77-1．23a，且涵盖全部时域，2个表层岩溶泉对降水的响应是显著和稳定的；表层岩溶泉泉流量存在稳定的落后于降水量的相位变化，布洋1号、龙何 下泉分别落后于降水量0．61d、2．63d左右，表层岩溶泉径流过程为其泉域特征所制约；小波相干谱表明降水量与布洋1号泉流量在0．17-2．45a 的全频域均显著共振，与龙何下泉在0．17-1．55a的周期上显著共振，且二者均涵盖了大部分时域，降水量与泉流量动态高度相关。
Cross wavelet analysis of relationship between precipitation and spring discharge of a typical epikarst water system.
利用2002年3月至2008年12月龙怀表层岩溶水系统降水量 与2个表层岩溶泉泉流量资料，采用连续小波变换、交叉小波变换与小波相干方法，对龙怀表层岩溶水系统降水量及表层岩溶泉泉流量多时间尺度特征及相关关系进 行了分析。结果表明：龙怀表层岩溶水系统降水量主振荡周期为0．77-1．16a，布洋1号泉与龙何下泉泉流量的主振荡周期均为0．82-1．23a，而 其高频部分周期变化均不连续，其动态特征均以年际变化为主；交叉小波变换揭示COI区域外降水量与布洋1号、龙何下泉泉流量的主共振周期均为 O．77-1．23a，且涵盖全部时域，2个表层岩溶泉对降水的响应是显著和稳定的；表层岩溶泉泉流量存在稳定的落后于降水量的相位变化，布洋1号、龙何 下泉分别落后于降水量0．61d、2．63d左右，表层岩溶泉径流过程为其泉域特征所制约；小波相干谱表明降水量与布洋1号泉流量在0．17-2．45a 的全频域均显著共振，与龙何下泉在0．17-1．55a的周期上显著共振，且二者均涵盖了大部分时域，降水量与泉流量动态高度相关。
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Baseflow separation and characteristic analysis of tributaries in the middle reaches of the Yellow River . |
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基流对流域水量平衡的影响研究[D] . |
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济南市南部山区汛期的基流量变化 [J].Base flow changes of Jinan southern mountains in flood season . |
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Study on the impact of baseflow on watershed water balance Yangling : |
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Automated methods for estimating baseflow and ground water recharge from streamflow records [J].https://doi.org/10.1111/j.1752-1688.1999.tb03599.x URL [本文引用: 3] 摘要
Abstract ABSTRACT: To quantify and model the natural ground water recharge process, six sites located in the midwest and eastern United States where previous water balance observations had been made were compared to computerized techniques to estimate: (1) base flow and (2) ground water recharge. Results from an existing automated digital filter technique for separating baseflow from daily streamflow records were compared to baseflow estimates made in the six water balance studies. Previous validation of automated baseflow separation techniques consisted only of comparisons with manual techniques. In this study, the automated digital filter technique was found to compare well with measured field estimates yielding a monthly coefficient of determination of 0.86. The recharge algorithm developed in this study is an automated derivation of the Rorabaugh hydrograph recession curve displacement method that utilizes daily streamflow. Comparison of annual recharge from field water balance measurements to those computed with the automated recession curve displacement method had coefficients of determination of 0.76 and predictive efficiencies of 71 percent. Monthly estimates showed more variation and are not advocated for use with this method. These techniques appear to be fast, reproducible methods for estimating baseflow and annual recharge and should be useful in regional modeling efforts and as a quick check on mass balance techniques for shallow water table aquifers.
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Muttiah Ret al.Automated base flow separation and recession analysis techniques [J].https://doi.org/10.1111/j.1745-6584.1995.tb00046.x URL [本文引用: 4] 摘要
Abstract An automated base flow separation technique has been developed and tested. Base flow is considered to be the ground-water contribution to stream flow. Estimates of the amount of base flow can be derived from stream flow records. Such estimates are critical in the assessment of low flow characteristics of streams for use in water supply, water management, and pollution assessment. An automated base flow separation technique using a digital filter has been tested against three other automated techniques and manual separation methods. The filter appears to be comparable to other automated techniques in its ability to reproduce the results produced from graphical separation techiques. The filter technique is easy to use and has the added advantage in that it can be adjusted by the user to take into account personnel preferences in separation of stream flow into surface flow and base flow. The slope of the base flow recession has been used to estimate the volume of water in storage in the basin above the level of the stream channel, the amount of recharge to the shallow aquifer, and as an input into water budget models. A second automated technique was developed to calculate the slope of the base flow recession curve from stream flow record. This technique is an adaptation of the Master Recession Curve procedure. The results of this method were compared to manual estimates with an efficiency of 74 percent.
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A new precipitation-based method of baseflow separation and event identification for small watersheds (< 50 km(2)) [J].https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2012.04.055 URL 摘要
Baseflow separation methods are often impractical, require expensive materials and time-consuming methods, and/or are not designed for individual events in small watersheds. To provide a simple baseflow separation method for small watersheds, we describe a new precipitation-based technique known as the Sliding Average with Rain Record (SARR). The SARR uses rainfall data to justify each separation of the hydrograph. SARR has several advantages such as: it shows better consistency with the precipitation and discharge records, it is easier and more practical to implement, and it includes a method of event identification based on precipitation and quickflow response. SARR was derived from the United Kingdom Institute of Hydrology (UKIH) method with several key modifications to adapt it for small watersheds (<50 km 2 ). We tested SARR on watersheds in the Choptank Basin on the Delmarva Peninsula (US Mid-Atlantic region) and compared the results with the UKIH method at the annual scale and the hydrochemical method at the individual event scale. Annually, SARR calculated a baseflow index that was 10% higher than the UKIH method due to the finer time step of SARR (1 d) compared to UKIH (5 d). At the watershed scale, hydric soils were an important driver of the annual baseflow index likely due to increased groundwater retention in hydric areas. At the event scale, SARR calculated less baseflow than the hydrochemical method, again because of the differences in time step (hourly for hydrochemical) and different definitions of baseflow. Both SARR and hydrochemical baseflow increased with event size, suggesting that baseflow contributions are more important during larger storms. To make SARR easy to implement, we have written a MatLab program to automate the calculations which requires only daily rainfall and daily flow data as inputs.
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9种基流分割方法在南盘江上游的应用对比 [J].Nine kinds of base flow separation methods apply and comparative in the Upper Reach of Nanpan River. |
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基流研究综述 [J].https://doi.org/10.11820/dlkxjz.2006.01.001 Magsci [本文引用: 2] 摘要
<p>水资源是人类生产、生活不可或缺的自然资源，随着水资源危机的加剧和水环境质量的恶化，水资源短缺已成为世界倍受关注的资源环境问题之一。基流在水安全、粮食安全、非点源污染评价，水资源评价和调查，水资源配置、工农业供水和降雨－径流关系模拟中有着重要的应用。本文首先对基流的定义进行了概述，系统的综述了基流产生机制及其影响因素；对于各类退水方程，从退水方程所反映的流域特性出发，阐明其优缺点、适用条件及应用情况，并对退水方程的建立进行了讨论。方程的参数多，则退水过程拟合得好，简单的线性方程拟合的效果不如多个线性方程组合的效果好，这在一定程度上说明了流域含水层出流的非线性。综合了多种基流划分方法，认为模型模拟和水量平衡法具有较强理论基础，图形法具有较大主观性，其精度依赖于操作者对于河道和地下水联系的了解情况。最后，本文对基流退水方程的建立，以及基流方程拟合中要注意的问题也进行了总结。</p>
Reviews on base flow researches. https://doi.org/10.11820/dlkxjz.2006.01.001 Magsci [本文引用: 2] 摘要
<p>水资源是人类生产、生活不可或缺的自然资源，随着水资源危机的加剧和水环境质量的恶化，水资源短缺已成为世界倍受关注的资源环境问题之一。基流在水安全、粮食安全、非点源污染评价，水资源评价和调查，水资源配置、工农业供水和降雨－径流关系模拟中有着重要的应用。本文首先对基流的定义进行了概述，系统的综述了基流产生机制及其影响因素；对于各类退水方程，从退水方程所反映的流域特性出发，阐明其优缺点、适用条件及应用情况，并对退水方程的建立进行了讨论。方程的参数多，则退水过程拟合得好，简单的线性方程拟合的效果不如多个线性方程组合的效果好，这在一定程度上说明了流域含水层出流的非线性。综合了多种基流划分方法，认为模型模拟和水量平衡法具有较强理论基础，图形法具有较大主观性，其精度依赖于操作者对于河道和地下水联系的了解情况。最后，本文对基流退水方程的建立，以及基流方程拟合中要注意的问题也进行了总结。</p>
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黄河源区基流变化及影响因子分析 [J].https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-0240.2006.02.001 URL Magsci [本文引用: 3] 摘要
利用黄河源区的4个水文站及13个气象站的日系列资料,基于改进的加里宁基流分割法,分析了1956—2000年以来黄河源区基流和以水文站为节点控制的各个子流域的基流变化及其影响因素.结果表明:黄河源区基流比例较大,多年平均基流指数为0.652;黄河沿以上流域基流指数为0.556,黄河沿-吉迈区间基流指数为0.588,吉迈-玛曲区间基流指数为0.649,玛曲-唐乃亥区间基流指数高达0.704.从绝对量来看,黄河源区多年平均基流量为132.46×10<sup>8</sup>m<sup>3</sup>;子流域中,玛多以上流域基流量最小,为3.92×10<sup>8</sup>m<sup>3</sup>,吉迈-玛曲区间基流量最大,为68.82×10<sup>8</sup>m<sup>3</sup>.对于整个研究区,年降水量决定年基流量,气温影响基流,气温升高,基流减少.不同子流域的基流对气候变化响应不同,玛曲以上各个子流域基流随气温升高而减少,而在玛曲-唐乃亥区间年气温对年基流量无明显影响.黄河源区年代尺度基流指数和降水量成反比关系.
Change of the baseflow and it's impacting factors in the source regions of Yellow River. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-0240.2006.02.001 URL Magsci [本文引用: 3] 摘要
利用黄河源区的4个水文站及13个气象站的日系列资料,基于改进的加里宁基流分割法,分析了1956—2000年以来黄河源区基流和以水文站为节点控制的各个子流域的基流变化及其影响因素.结果表明:黄河源区基流比例较大,多年平均基流指数为0.652;黄河沿以上流域基流指数为0.556,黄河沿-吉迈区间基流指数为0.588,吉迈-玛曲区间基流指数为0.649,玛曲-唐乃亥区间基流指数高达0.704.从绝对量来看,黄河源区多年平均基流量为132.46×10<sup>8</sup>m<sup>3</sup>;子流域中,玛多以上流域基流量最小,为3.92×10<sup>8</sup>m<sup>3</sup>,吉迈-玛曲区间基流量最大,为68.82×10<sup>8</sup>m<sup>3</sup>.对于整个研究区,年降水量决定年基流量,气温影响基流,气温升高,基流减少.不同子流域的基流对气候变化响应不同,玛曲以上各个子流域基流随气温升高而减少,而在玛曲-唐乃亥区间年气温对年基流量无明显影响.黄河源区年代尺度基流指数和降水量成反比关系.
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Evaluation of outputs from automated baseflow separation methods against simulated baseflow from a physically based,surface water-groundwater flow model [J].https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2012.06.029 URL [本文引用: 1] 摘要
SummaryBaseflow is often considered to be the groundwater discharge component of streamflow. It is commonly estimated using conceptual models, recursive filters or a combination of the two. However, it is difficult to validate these methods due to the current challenges of measuring baseflow in the field. In this study, simulation of a synthetic catchment's response to rainfall is carried out using a fully integrated surface water-groundwater flow model. A series of rainfall events with differing recovery periods and varied antecedent moisture conditions is considered to span a range of different streamflow generation dynamics. Baseflow is estimated for the outlet hydrograph of the synthetic catchment using a selection of commonly used automated baseflow separation methods. These estimates are compared to the baseflow signal obtained from the numerical model, which serves as the control experiment. Results from these comparisons show that depending on the method used, automated baseflow separation underestimates the simulated baseflow by as much as 28%, or overestimates it by up to 74%, during rainfall events. No separation method is found to be clearly superior to the others, as the performance of the various methods varies with different soil types, antecedent moisture conditions and rainfall events. The differences between the various approaches clearly demonstrate that the baseflow separation methods investigated are not universally applicable.
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McMahon T A. Evaluation of automated techniques for base flow and recession analyses [J]. |
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流量过程线的自动分割方法探讨 [J].https://doi.org/10.3969/j.issn.1672-3317.2007.01.020 URL [本文引用: 2] 摘要
为了确定出稳定可靠的流量过程线分割方法，以东江流域中的13个子流域为例，对现行广泛使用的滑动最小值法、HYSEP法和滤波法等自动基流分割方法进行较为深入的探讨。研究结果表明这3类方法的分割结果并不一致，有些情况下差距较大，同时也表明滤波法可以得到较为稳定的基流系数BFI，尤其是第3种滤波法可能为最优的基流分割方法。由于流域空间特征值与BFI之间的相关关系较为密切，利用逐步回归方法构建了这二者之间的相关关系，利用该关系可以由流域的空间特征值推求出无资料地区的基流系数BFI。
Base flow separation from daily flow hydrograph using automated techniques. https://doi.org/10.3969/j.issn.1672-3317.2007.01.020 URL [本文引用: 2] 摘要
为了确定出稳定可靠的流量过程线分割方法，以东江流域中的13个子流域为例，对现行广泛使用的滑动最小值法、HYSEP法和滤波法等自动基流分割方法进行较为深入的探讨。研究结果表明这3类方法的分割结果并不一致，有些情况下差距较大，同时也表明滤波法可以得到较为稳定的基流系数BFI，尤其是第3种滤波法可能为最优的基流分割方法。由于流域空间特征值与BFI之间的相关关系较为密切，利用逐步回归方法构建了这二者之间的相关关系，利用该关系可以由流域的空间特征值推求出无资料地区的基流系数BFI。
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海流兔河近50年来基流变化特征分析 [J].
基流是枯水期河流的主要补给来源,对干旱半干旱区的河流尤其重 要.在沙漠半沙漠区,河流基流还对维持脆弱的生态系统中发挥重要作用.对河流基流变化分析,可为流域水资源保护以及合理的利用和开发提供依据.本文基于半 干旱风沙滩地区海流兔河1957年到2007年的实测流量资料,采用递归数字滤波法对该站的流量过程进行了基流分割,研究了海流兔河年基流量和基流指数 (BFI)的年内、年际变化特征；用M-K非参数检验法分析了基流量和BFI的变化趋势.结果表明,海流兔流域基流占径流比重较大,年均径流、基流都呈减 少趋势,径流年内分配均匀、基流则表现为先减少后增加,BFI年际、年内变化都较均匀,没有明显的增加或减少趋势；情势变化指数法(RSI)检测出基流在 1966、1986年存在突变点,径流在1968、1989、2001年发生突变.
Analysis of base flow variation characteristic in Hailiutu River in past 50 years.
基流是枯水期河流的主要补给来源,对干旱半干旱区的河流尤其重 要.在沙漠半沙漠区,河流基流还对维持脆弱的生态系统中发挥重要作用.对河流基流变化分析,可为流域水资源保护以及合理的利用和开发提供依据.本文基于半 干旱风沙滩地区海流兔河1957年到2007年的实测流量资料,采用递归数字滤波法对该站的流量过程进行了基流分割,研究了海流兔河年基流量和基流指数 (BFI)的年内、年际变化特征；用M-K非参数检验法分析了基流量和BFI的变化趋势.结果表明,海流兔流域基流占径流比重较大,年均径流、基流都呈减 少趋势,径流年内分配均匀、基流则表现为先减少后增加,BFI年际、年内变化都较均匀,没有明显的增加或减少趋势；情势变化指数法(RSI)检测出基流在 1966、1986年存在突变点,径流在1968、1989、2001年发生突变.
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黑河上游地区基流分割及其变化特征分析 [J].
基流是枯水期河川径流的主要来源，是一种比较稳定的径流组成部分，对于干旱内流河流域水文模拟和水资源开发利用至关重要。本文基于1979年-2008年莺落峡水文站的实测流量资料，采用数字滤波法中的单参数数字滤波法和递归数字滤波法对内陆河流域黑河上游的流量过程进行了基流分割研究。探讨了黑河上游年基流量和基流指数BFI的年内与年际变化特征，以及不同水平年基流指数BFI变化规律。研究表明，黑河上游基流量年内变化为先增后减，峰值出现在8月份，基流指数则是先减后增，6月份最小。受气温升高和融雪径流影响，黑河上游基流量年际变化呈增加趋势，而基流指数呈减少趋势。在不同水平年，枯水年份的平均基流指数BFI为0.577，平水年为0.551，丰水年为0.521。
Baseflow separation and its characteristics in the upper reaches of the Heihe River Basin.
基流是枯水期河川径流的主要来源，是一种比较稳定的径流组成部分，对于干旱内流河流域水文模拟和水资源开发利用至关重要。本文基于1979年-2008年莺落峡水文站的实测流量资料，采用数字滤波法中的单参数数字滤波法和递归数字滤波法对内陆河流域黑河上游的流量过程进行了基流分割研究。探讨了黑河上游年基流量和基流指数BFI的年内与年际变化特征，以及不同水平年基流指数BFI变化规律。研究表明，黑河上游基流量年内变化为先增后减，峰值出现在8月份，基流指数则是先减后增，6月份最小。受气温升高和融雪径流影响，黑河上游基流量年际变化呈增加趋势，而基流指数呈减少趋势。在不同水平年，枯水年份的平均基流指数BFI为0.577，平水年为0.551，丰水年为0.521。
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黄土丘陵沟壑区小流域基流特点及其影响因子分析 [J].
基流是河川流量的重要组成部分,尤其在干旱的黄土丘陵沟壑区径流量中占有很高比重,为枯季的河流提供流量补给,对黄土丘陵沟壑区基流的特点和影响因子的研究有助于合理调控水量和高效使用水资源。采用数字滤波法分别对蔡家川6个嵌套小流域2006—2008年日径流量进行基流分割求算基流指数,并且分析了次降雨量、土地利用、植被类型和地形特征等对基流的影响。结果显示,该地区流域的年平均基流指数范围为0.68～0.82。随着次降雨量增加基流指数减小;土地利用类型中的农地、灌丛和人工林对基流产生负影响;基流指数与流域河网密度和河流比降等线性相关。应用多元线性回归分析得出该区域基流指数BFI与次降雨量P,河网密度D和河流比降S成线性关系,进而分析了研究区内无观测数据的流域的基流。
Features of baseflow and its influencing factors for small watersheds in Loess Hilly and Gully Region.
基流是河川流量的重要组成部分,尤其在干旱的黄土丘陵沟壑区径流量中占有很高比重,为枯季的河流提供流量补给,对黄土丘陵沟壑区基流的特点和影响因子的研究有助于合理调控水量和高效使用水资源。采用数字滤波法分别对蔡家川6个嵌套小流域2006—2008年日径流量进行基流分割求算基流指数,并且分析了次降雨量、土地利用、植被类型和地形特征等对基流的影响。结果显示,该地区流域的年平均基流指数范围为0.68～0.82。随着次降雨量增加基流指数减小;土地利用类型中的农地、灌丛和人工林对基流产生负影响;基流指数与流域河网密度和河流比降等线性相关。应用多元线性回归分析得出该区域基流指数BFI与次降雨量P,河网密度D和河流比降S成线性关系,进而分析了研究区内无观测数据的流域的基流。
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自动基流分割法在黄土高原水蚀风蚀交错区典型流域适用性分析 [J].
黄土高原水蚀风蚀交错区生态环境脆弱，河川基流量的多少及其变化对维持该区生态系统健康具有重要意义。利用黄土高原水蚀风蚀交错区窟野河流域多年实测径流资料，研究国内外常用的滑动最小值法、HYSEP法和数字滤波法3类共8种自动基流分割方法在该研究区的适用性。结果表明：1）8种方法所得年均基流指数差异较大，最大为0.6515，最小为0.3305，而滤波法中的F2（Chapman-Maxwell法）和F4（Eckhardt法）法估算的结果最为稳定可靠，均值分别为0.3868和0.3305，标准差分别为0.0428和0.0461；2）F2和F4法分割的基流过程线与实际更吻合，2种方法估算的年基流量与实际观测值的验证效果最好，Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.691和0.718，平均相对误差分别为9.83%和5.05%，F2和F4法估算的基流结果均能客观稳定地反映该研究区的基流状况，适合于该研究区进行基流分析；3）从F2和F4 2种方法估算值的平均值来看，窟野河流域基流量近50年来呈现减少趋势，其减少量占总径流减少量的41%。
Suitability analysis of automatic baseflow separation methods in typical watersheds of water-wind erosion crisscross region on the Loess Plateau.
黄土高原水蚀风蚀交错区生态环境脆弱，河川基流量的多少及其变化对维持该区生态系统健康具有重要意义。利用黄土高原水蚀风蚀交错区窟野河流域多年实测径流资料，研究国内外常用的滑动最小值法、HYSEP法和数字滤波法3类共8种自动基流分割方法在该研究区的适用性。结果表明：1）8种方法所得年均基流指数差异较大，最大为0.6515，最小为0.3305，而滤波法中的F2（Chapman-Maxwell法）和F4（Eckhardt法）法估算的结果最为稳定可靠，均值分别为0.3868和0.3305，标准差分别为0.0428和0.0461；2）F2和F4法分割的基流过程线与实际更吻合，2种方法估算的年基流量与实际观测值的验证效果最好，Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.691和0.718，平均相对误差分别为9.83%和5.05%，F2和F4法估算的基流结果均能客观稳定地反映该研究区的基流状况，适合于该研究区进行基流分析；3）从F2和F4 2种方法估算值的平均值来看，窟野河流域基流量近50年来呈现减少趋势，其减少量占总径流减少量的41%。
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自动基流分割法在北洛河流域的适宜性对比 [J].
基流是枯水季节河川径流的重要补给来源,河川基流量及其变化对流域生态健康和水资源合理利用具有重要作用。确定适宜流域生态环境特点的基流分割法,在基流研究中是十分关键的工作。以北洛河流域上游典型黄土丘陵沟壑区刘家河站的多年实测径流资料为基础,分析BFI,HYSEP、数字滤波等三类共9种基流分割法的适宜性,结果表明：BFI法和HYSEP法分割结果比较接近,所得基流指数在0.399 4~0.428 1。尤其修正BFI法估算的基流量及过程线,能够客观反映研究流域流量过程线退水段的物理规律。综合考虑变异性、稳定性、过程线吻合程度等方面,认为修正BFI法是黄土区水文研究中进行基流分割的适宜方法。
Comparison of suitability among automatic baseflow separation methods for separating baseflow in Beiluo River Basin.
基流是枯水季节河川径流的重要补给来源,河川基流量及其变化对流域生态健康和水资源合理利用具有重要作用。确定适宜流域生态环境特点的基流分割法,在基流研究中是十分关键的工作。以北洛河流域上游典型黄土丘陵沟壑区刘家河站的多年实测径流资料为基础,分析BFI,HYSEP、数字滤波等三类共9种基流分割法的适宜性,结果表明：BFI法和HYSEP法分割结果比较接近,所得基流指数在0.399 4~0.428 1。尤其修正BFI法估算的基流量及过程线,能够客观反映研究流域流量过程线退水段的物理规律。综合考虑变异性、稳定性、过程线吻合程度等方面,认为修正BFI法是黄土区水文研究中进行基流分割的适宜方法。
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基于GIServices的SWAT水文模型服务研究[D] .Research on SWAT hydrological modeling based on GIServices for web services. |
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River flow forecasting through conceptual models part I-A discussion of principles [J].https://doi.org/10.1016/0022-1694(70)90255-6 URL [本文引用: 1] 摘要
THE PRINCIPLES GOVERNING THE APPLICATION OF THE CONCEPTUAL MODEL TECHNIQUE TO RIVER FLOW FORECASTING ARE DISCUSSED. THE NECESSITY FOR A SYSTEMATIC APPROACH TO THE DEVELOPMENT AND TESTING OF THE MODEL IS EXPLAINED AND SOME PRELIMINARY IDEAS SUGGESTED. /AUTHOR/
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基于SWAT模型的北洛河流域生态水文过程模拟与预测研究[D] .Simulation and prediction research of the ecohydrological process based on SWAT model in Beiluo River Basin . |
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Status of automatic calibration for hydrologic models: Comparison with multilevel expert calibration [J].https://doi.org/10.1061/(ASCE)1084-0699(1999)4:2(135) URL 摘要
The usefulness of a hydrologic model depends on how well the model is calibrated. Therefore, the calibration procedure must be conducted carefully to maximize the reliability of the model. In general, manual procedures for calibration can be extremely time-consuming and frustrating, and this has been a major factor inhibiting the widespread use of the more sophisticated and complex hydrologic models. A global optimization algorithm entitled shuffled complex evolution recently was developed that has proved to be consistent, effective, and efficient in locating the globally optimal model parameters of a hydrologic model. In this paper, the capability of the shuffled complex evolution automatic procedure is compared with the interactive multilevel calibration multistage semiautomated method developed for calibration of the Sacramento soil moisture accounting streamflow forecasting model of the U.S. National Weather Service. The results suggest that the state-of-the-art in automatic calibration now can be expected to perform with a level of skill approaching that of a well-trained hydrologist. This enables the hydrologist to take advantage of the power of automated methods to obtain good parameter estimates that are consistent with the historical data and to then use personal judgment to refine these estimates and account for other factors and knowledge not incorporated easily into the automated procedure. The analysis also suggests that simple split-sample testing of model performance is not capable of reliably indicating the existence of model divergence and that more robust performance evaluation criteria are needed.
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Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations [J].https://doi.org/10.1111/j.1540-8175.2007.00502.x URL PMID: 17894576 [本文引用: 1] 摘要
Objectives: To compare the interobserver variability and accuracy of two different real time three-dimensional echocardiography (RT3DE) analyzing programs. Methods: Forty-one patients (mean age 56 ± 11 years, 28 men) in sinus rhythm with a cardiomyopathy and adequate 2D image quality underwent RT3DE and magnetic resonance imaging (MRI) within one day. Off-line left ventricular (LV) volume analysis was performed with QLAB V4.2 (semiautomated border detection with biplane projections) and TomTec 4D LV analysis V2.0 (primarily manual tracking with triplane projections and semiautomated border detection). Results: Excellent correlations (R2 > 0.98) were found between MRI and RT3DE. Bland-Altman analysis revealed an underestimated LV end-diastolic volume (LV-EDV) for both TomTec (619.4 ± 8.7 mL) and QLAB (6116.4 ± 13.1 ml). Also, an underestimated LV end-systolic volume (LV-ESV) for both TomTec (614.8 ± 9.9 mL) and QLAB (618.5 ± 14.2 mL) was found. LV-EDV and LV-ESV were significantly more underestimated with QLAB software. Both programs accurately calculated LV ejection fraction (LV-EF) without a bias. Interobserver variability was 6.4 ± 7.8% vs. 12.2 ± 10.1% for LV-EDV, 7.8 ± 9.7% vs. 13.6 ± 11.2% for LV-ESV, and 7.1 ± 6.9% vs. 9.7 ± 8.8% for LV-EF for TomTec vs. QLAB, respectively. The analysis time was shorter with QLAB (4 ± 2 minutes vs. 6 ± 2 minutes, P < 0.05). Conclusions: RT3DE with TomTec or QLAB software analysis provides accurate LV-EF assessment in cardiomyopathic patients with distorted LV geometry and adequate 2D image quality. However, LV volumes may be somewhat more underestimated with the current QLAB software version. (ECHOCARDIOGRAPHY, Volume 24, October 2007)
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SWAT模型的原理、结构及应用研究 [J].https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-6301.2003.01.010 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型。它能够利用GIS和RS提供的空间数据信息,模拟复杂大流域中多种不同的水文物理过程,包括水、沙、化学物质和杀虫剂的输移与转化过程。本文着重探讨SWAT模型的水文学原理和模型的基本结构与独特的分布式运行控制方式,并将其成功应用于西北寒区(黑河莺落峡以上流域)的分布式日径流过程的模拟。
The theory of SWAT model and its application in Heihe Basin. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-6301.2003.01.010 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型。它能够利用GIS和RS提供的空间数据信息,模拟复杂大流域中多种不同的水文物理过程,包括水、沙、化学物质和杀虫剂的输移与转化过程。本文着重探讨SWAT模型的水文学原理和模型的基本结构与独特的分布式运行控制方式,并将其成功应用于西北寒区(黑河莺落峡以上流域)的分布式日径流过程的模拟。
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Evaluation of CFSR climate data for hydrologic prediction in data‐scarce watersheds: An application in the Blue Nile River Basin [J].https://doi.org/10.1111/jawr.12182 URL [本文引用: 1] 摘要
Data scarcity has been a huge problem in modeling the water resources of the Upper Blue Nile basin, Ethiopia. Satellite data and different statistical methods have been used to improve the quality of conventional meteorological data. This study assesses the applicability of the National Centers for Environmental Prediction's Climate Forecast System Reanalysis (CFSR) climate data in modeling the hydrology of the region. The Soil and Water Assessment Tool was set up to compare the performance of CFSR weather with that of conventional weather in simulating observed streamflow at four river gauging stations in the Lake Tana basin — the upper part of the Upper Blue Nile basin. The conventional weather simulation performed satisfactorily (e.g., NSE02≥020.5) for three gauging stations, while the CFSR weather simulation performed satisfactorily for two. The simulations with CFSR and conventional weather yielded minor differences in the water balance components in all but one watershed, where the CFSR weather simulation gave much higher average annual rainfall, resulting in higher water balance components. Both weather simulations gave similar annual crop yields in the four administrative zones. Overall the simulation with the conventional weather performed better than the CFSR weather. However, in data‐scarce regions such as remote parts of the Upper Blue Nile basin, CFSR weather could be a valuable option for hydrological predictions where conventional gauges are not available.
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Water resources of the Black Sea Basin at high spatial and temporal resolution [J].https://doi.org/10.1002/2013WR014132 URL Magsci 摘要
The pressure on water resources, deteriorating water quality, and uncertainties associated with the climate change create an environment of conflict in large and complex river system. The Black Sea Basin (BSB), in particular, suffers from ecological unsustainability and inadequate resource management leading to severe environmental, social, and economical problems. To better tackle the future challenges, we used the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) to model the hydrology of the BSB coupling water quantity, water quality, and crop yield components. The hydrological model of the BSB was calibrated and validated considering sensitivity and uncertainty analysis. River discharges, nitrate loads, and crop yields were used to calibrate the model. Employing grid technology improved calibration computation time by more than an order of magnitude. We calculated components of water resources such as river discharge, infiltration, aquifer recharge, soil moisture, and actual and potential evapotranspiration. Furthermore, available water resources were calculated at subbasin spatial and monthly temporal levels. Within this framework, a comprehensive database of the BSB was created to fill the existing gaps in water resources data in the region. In this paper, we discuss the challenges of building a large-scale model in fine spatial and temporal detail. This study provides the basis for further research on the impacts of climate and land use change on water resources in the BSB.
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