城镇化地区水文过程实验观测与模拟——以太湖西苕溪流域安吉实验小区为例

城镇化的发展使不透水面积不断增加,往往导致地区的水文过程发生较为明显的改变。以太湖上游西苕溪流域内的安吉城镇化实验小区为例,在对研究流域50多a长系列水文气象资料和区域城镇化特征作较详细分析的基础上,结合2005~2008年短时间尺度降雨径流观测实验,通过雨量、水位以及下垫面等数据分析,选用Storm Water Management Model这一暴雨洪水管理模型对该地区的典型洪水过程进行了模拟,对其降雨径流规律进行了分析。结果表明：该模型对该区域的模拟效果较好,误差较小,可以用于该城镇化地区的降雨径流过程模拟和洪水规律定量分析;分析该实验小区降雨径流过程可知,城镇化使该地区洪水上涨过程明显加快,6场典型洪水的峰型系数均值为305,洪峰流量增大而滞时缩短,较快的汇流速度使该地区的防洪压力较大。实验观测方法及模拟分析成果将有助于对太湖地区小流域城镇洪水过程特征与规律的认识,对我国东部城镇地区的防洪、规划与管理也具有重要的借鉴意义     

长江中下游夏季极端降水事件频次的统计降尺度模拟与预估

利用CMIP5三个耦合模式的历史模拟及不同情景预测结果、NCEP/NCAR再分析资料和长江中下游观测降水资料,采用统计降尺度方法对长江中下游夏季极端降水频次进行模拟和预估。首先,通过计算相关的方法,获取建立统计降尺度预测模型所需的预测因子。提取的预测因子同时满足既是观测环流要素场影响极端降水的关键区域,又是模式要素场预报的高技巧区域两个条件;然后,结合挑选出的预测因子,利用多元线性回归方法建立长江中下游极端降水的统计降尺度预测模型,并对模型性能进行检验。交叉检验结果表明,此种统计降尺度方法能对过去长江中下游极端降水变化有较好的再现能力,且多个降尺度模型结果的集合能进一步提高降尺度方法的模拟技巧;最后,将建立的统计降尺度模型应用于CMIP5未来3种不同的排放情景来对极端降水进行未来预估,并对多模式结果进行集合。结果显示,统计降尺度模型预估未来几个年代际长江中下游夏季极端降水频次相对于1986~2005年呈增加趋势,21世纪中、后期高排放情景下极端降水频次增加幅度高于低排放情景。     

基于流域地形地貌特征的分布式汇流方法

以长江三峡区间沿渡河流域为例,采用HEC-HMS水文模型系统为模拟工具,基于流域下垫面特征和水动力条件提出了一种分布式单位线方法,并应用于降雨径流过程模拟。以自然分水线划分子流域,基于DEM数据和GIS工具提取河网水系特征。采用7种模型评估指标,分别从总量平衡,过程拟合,高水流量和低水流量4个角度评判模型的模拟效果及精度,并给出了模型模拟结果的量化统计指标。模拟结果表明:25场洪水中,洪峰流量相对误差小于20%的有80%,径流深相对误差小于20%的有96%,Nash-Sutcliffe效率系数大于0.8的有84%。由此可知,提出的分布式汇流方法可有效利用流域下垫面特征和GIS工具提取模型参数信息,适应于无资料流域的降雨径流过程模拟应用。     

气候变化对西苕溪流域未来洪水影响研究——Ⅰ.VIC模型评估

可变下渗能力模型VIC是基于单元网格的分布式水文模型,易于与气候模式进行耦合,从而揭示气候变化对水循环的复杂影响,为分析气候变化情景下流域洪水的响应特征提供技术支撑。作为研究工作的第一步,构建了基于5 km×5 km网格分辨率的西苕溪流域VIC径流模拟模型。利用流域出口横塘村水文观测站1990~2000年日流量观测数据并结合西苕溪流域的汇流特点,采用Dag Lohmann汇流模型进行参数率定和验证。模拟结果表明：VIC模型对西苕溪流域日、年径流量的模拟值与观测值吻合良好,率定期和验证期的多年平均年径流相对误差Er分别为077%和343%,模拟日或月流量的确定性系数和Nash Suttcliffe系数都大于075,特别是对洪水年汛期流量过程的模拟,确定性系数均大于080,模型对洪水的模拟可信性较高     

基于Copula函数的汉江中上游流域极端降雨洪水联合分布特征

选取汉江中上游流域作为研究对象,根据流域九个气象站点1969~2008年逐日降雨资料以及丹江口水库同时期日入库流量资料,采用年最大值法(AM)和百分位法两种选样方式选取1 d、3 d降雨和1 d、3 d洪量极值样本,分别运用广义极值分布(GEV)、广义帕累托分布(GPD)、伽玛分布(Gamma)3种极值统计模型对样本进行单变量边缘分布拟合,运用Gumbel、Clayton以及Frank Copula函数模型对样本进行多变量联合分布拟合,遴选出描述流域降雨和洪水联合分布规律的最优概率模型。结果显示:对于AM选样样本,边缘分布为GEV时降雨洪量的二维和三维联合分布Frank Copula函数拟合效果最优;对于百分位选样样本,边缘分布为GPD时降雨洪量的二维联合分布Gumbel Copula函数拟合效果最优,三维联合分布则是Frank Copula函数拟合效果最优;比较二维和三维Copula函数模拟结果,三维联合Copula函数推求的设计值更大,说明三维联合分布考虑了更多的变量和极值信息,能更全面地反映极端降雨洪水事件的真实特征,对工程设计更显安全。     

基于降雨和地形特征的输出系数模型改进及精度分析

降雨是非点源污染产生的主要驱动条件,地形是非点源污染输移的重要影响因素,两者均与非点源污染紧密相关。输出系数模型是大尺度流域非点源污染模拟的常用模型,从降雨和地形对非点源污染产生、迁移的影响出发,对现有输出系数模型进行了改进,并给出了改进模型中降雨影响因子和地形影响因子的确定方法,以提高模型在大尺度流域的模拟精度。最后,以长江上游1990和2000年TN负荷估算为例,分析了模型改进前后的精度变化。精度对比表明,通过模型改进,流域综合相对误差从4502%和4249%减小到2393%和1838%,直门达站、沱江大桥站和罗渡溪站控制流域的相对误差有明显减小。改进后的输出系数模型结构更合理,模拟更符合实际。     

降雨过程中红壤团聚体粒径变化对溅蚀的影响

为揭示团聚体粒径动态变化对溅蚀的影响,通过室内人工模拟降雨试验,以第四纪粘土、泥质页岩发育红壤为研究对象,研究了酒精预湿润后的2~5 mm团聚体在降雨过程中粒径动态变化及溅蚀率的变化。试验结果表明：在60 mm/h雨强下,团聚体受雨滴机械打击破碎主要发生在降雨的最初阶段,团聚体＞0.25 mm百分含量（P＞0.25）及平均重量直径（M）均随降雨时间（T）增加呈幂函数减小,溅蚀率（Dr）随降雨时间（T）增加呈幂函数增加,而溅蚀率（Dr）随团聚体平均重量直径（M）减小呈幂函数增大。为揭示不同土样在降雨溅蚀过程中溅蚀率的变化规律,利用团聚体稳定性特征参数-机械破碎指数（R）及降雨时间（T）,建立了不同团聚体稳定性土样溅蚀率随降雨时间变化的经验方程,且方程可决系数较高（R2=0.82）,揭示出团聚体稳定性越好,其破碎过程越缓慢,溅蚀率越小。研究结果为红壤区土壤侵蚀的防治及侵蚀机理研究提供了新思路     

安康水库分级超蓄的洪水资源化方法及其风险

汛限水位动态控制是水库洪水资源化的一种重要策略,其核心是在合理权衡风险和效益这一对矛盾的基础上确定可行的水库超汛限水位调度方案。为实现相对较大效益的同时降低水库防洪风险,考虑利用流域降雨预报信息,采用预泄能力约束法,以不同的降雨预报量级为依据,提出分级超蓄的洪水资源化方法,并结合安康水库实例,求得其基于 24 h 小雨和无雨预报的分级超蓄上限分别为326 m和 328 m。通过风险分析得知：在不考虑降雨预报信息的情况下,水库超蓄上限不宜超过 327.5 m;而依据 24 h 降雨预报信息的水库超蓄风险小到可以忽略。最后,应用该超蓄方案对实际洪水进行调度,实现了在减少弃水量069亿m3的同时,增加发电收入约361万元人民币.     

三峡山地沟谷不同坡位土壤水分特征及对降雨过程的响应

土壤水分是影响地表植被生长发育及分布格局的重要因子，也是岩石圈-水圈-生物圈-大气圈水分循环的重要环节，其动态变化能够反映土壤水文过程的信息。基于高分辨率时域反射水分探针和小型气象站连续定位监测，获取2018~2019年三峡大老岭地区典型沟谷内坡上、坡中、坡下部位0~80 cm范围内各土层含水量及大气降水数据，分析了不同坡位土壤水分在月尺度，日尺度和小时尺度的变化特征及其对降雨过程的响应。结果表明：（1）月尺度上，土壤水分含量季节性差异明显，春夏季节（5~7月）是土壤水分储蓄期，土壤平均含水率为38.40%，夏秋季节（8~10月）是水分消耗期，剖面土壤平均含水率仅为35.04%。（2）日尺度和小时尺度，不同层次土壤水分含量对降水响应存在差异。0~40 cm深度土壤对降雨响应较快（响应时间<0.5 h），土壤水分与降雨量变化趋势相似；60~80 cm深度土壤对降雨响应存在明显的滞后现象（响应时间滞后0.5~3.0 h），且随深度加深，滞后时间呈阶梯式延长。（3）不同降雨条件下，土壤水分对降水的响应差异明显。随降雨量级由中雨增至大暴雨，土壤水分对降雨的响应加快，含水量变化曲线与降雨过程同步性增强，响应深度也逐层增加，土壤水分增量变大。（4）不同坡位对土壤水分的影响存在差异，上坡位对中雨、大雨响应平稳，中、下坡位对降水响应强烈，土壤水分增加迅速。产生不同坡位间响应差异的原因是各点微地形差异导致集水面积不同。     

气候工程对中国不同等级降雨结构的可能影响

气候工程作为人类快速有效给地球降温的手段,在应对气候变化的国际谈判中越来成为各界讨论的焦点话题之一。为诊断当前GeoMIP设定的当量下,气候工程不同实施阶段是否对中国降雨结构产生影响。依据中国气象局中央气象台的日降雨强度划分标准,基于BNU~ESM模式的太阳辐射管理气候工程G4实验和RCP4.5情景下非气候工程的0.5°×0.5°空间分辨率日值降水数据,对比分析气候工程实施的3个不同时段,即2010~2099、2020~2069和2070~2099年,中国不同等级降雨雨量和雨日贡献率空间差异特征。结果表明：(1)在气候态上,3个时段两种情景下的中国不同等级降雨结构的气候态高低分异特征具有较好的一致性。气候工程并未改变中国降雨结构的空间高低分异特征。(2)在气候工程与非气候工程差异上,气候工程实施的不同阶段确实可以对中国不同区域的降雨结构产生影响,且不同时段差异性有所不同。(3)在气候工程实施前后差异上,气候工程实施中相比实施后促进了中雨、大雨和总暴雨事件,而抑制了小雨事件。在当前GeoMIP模式设定的当量下,气候工程实施会对中国降雨结构会产生不同层面的影响。     

基于自适应网络模糊推理方法在河道洪水预报中的应用

对于易受洪灾的地区而言,快速而准确的洪水预报非常重要,能够为洪水预警消息的发布提供更长的先导时间,从而为可能受灾地区的人们提供更充足的时间以采取相应的防洪措施或安全转移。 常用的预报模型包括基于物理性模型和基于系统技术模型。尽管物理性模型能对洪水形成的物理过程提供很好的解释, 水文学家并不愿意使用它们,因为模型中参数的率定是比较复杂的。因此,一种基于纯数据集的黑箱技术已被广泛采纳。常用的黑箱模型包括线性模型(LR)、自回归移动平均模型(ARMA)和人工神经网络模型（ANN）等。 在当前的研究中,一个相对新颖的黑箱模型--基于自适应网络的模糊推理系统（ANFIS）被用来对长江某河段的洪水进行预报。与此同时,一个线性回归模型（LR）用来作为ANFIS模型的对照。在构建ANFIS中,混合学习算法 (即误差反衍（BP）耦合最小二乘法（LSE）) 用来训练模型的参数。此外,为避免出现过度训练现象,原始数据集基于统计特征值划分成3个子集：训练集、测试集和校正集。当对ANFIS模型训练时,测试集用来帮助控制训练代数。结果表明,ANFIS的预报效果优于LR模型。分析认为ANFIS能够提供预报精度是因为其采用了局部拟合技术,通常它会优于LR模型所采用的全局拟合技术。最后,对本研究而言,最适合的ANFIS模型是输入量为梯形的成员度函数。     

基于不同卫星降雨产品的澴水花园流域径流模拟比较研究

卫星降雨产品作为缺资料或无资料地区估算流域降雨径流的一种途径,适用性尚需大量实验研究。以澴水花园流域为研究区,综合评估了TRMM(3B42V7)、TRMM_RT(3B42V7)、PERSIANN CDR和CMORPH 4个卫星降雨产品在流域平均雨量计算与径流模拟中的精度,设置多方案与多种水文模拟情景全面检验各降雨产品的可靠性与适用性。研究表明：(1)在研究期2002~2013年,没有一个卫星降雨产品对所有精度评价指标均表现最优,PERSIANN始终表现为最差;(2)各卫星降雨产品对于不同年代和不同统计时段的精度差异明显,且一般汛期精度高于全年精度。各年代精度最高的卫星降雨产品在年与汛期尺度上与实测雨量相关系数均超过0.9;(3)各卫星降雨产品对有雨日降雨探测能力较强,但空报率较高,所有卫星降雨产品对于年最大1 d、3 d和7 d降雨估算误差较大,无法达到可利用精度;(4)采用卫星降雨产品进行径流模拟时,以相应的卫星降雨进行水文模型参数率定可获得更高的模拟精度。TRMM_RT与CMORPH日径流模拟精度较好,CMORPH月径流模拟精度较好。总体而言,CMORPH更适用于径流模拟。对于典型的3场大洪水模拟结果表明,TRMM_RT和CMORPH对洪峰与洪量（径流深）的模拟精度相对较高。     

一种新的汛期降水集中期划分方法

汛期降水集中期是近期气象学者提出的表征汛期气候的一种新的特征量,它在气候研究中体现了较好的灵活性、客观性,通过对其分析,可为汛期气候的诊断和预测提供依据。但现在普遍使用的降水集中期在计算方法和时间长度上存在缺陷,特别是运用到时间跨度较长时段的气候分析时,特征量表征作用就有所缺失,而且计算方法较为复杂。为更好地使用降水集中期这一特征量,提出了以15天作为时长,用滑动统计来划定汛期降水集中期的新方法,并运用统计方法、天气气候学方法进行了论证,同时在长江下游主雨季降水集中期分析和金华地区汛期分析两个实例中进行了应用检验。结果表明,汛期降水集中期新方法划定的特征量与汛期降水总量存在时间上的相对独立性和总趋势上的显著相关性,且在汛期气候极端灾害事件上有较强的描述能力。因此认为,15天滑动统计新方法划定的汛期降水集中期使用便捷,天气气候意义明确,在实际应用中更为客观有效。     

基于双指标的安康水库防洪预报调度规则研究

随着水文预报水平的提高,考虑预报信息的防洪预报调度方式日益受到重视。对安康水库实施防洪预报调度的可行性进行了分析,采用“逐级调节法”反复试算修正,确定了以“预报累积净雨量”为主判断指标、“库水位”为辅助指标的安康水库双指标防洪预报调度规则,并对设计洪水及实际洪水进行了调节,调节结果与常规调度比较,水库水位提前降低至汛限水位以下,增加了防洪库容,减小了洪峰段下泄流量,降低了水库最高水位,提高了防洪能力。同时选择不同起调水位,对设计洪水及实际洪水进行调节, 确定合适起调水位,并分析了预报调度和常规调度的风险。结果显示：起调水位抬升,防洪预报调度的风险有所增加,但仍小于常规调度风险,为更好的实现洪水资源的有效利用,建议预报调度起调水位定为3260 m     

近51年川滇地区气候暖干化与旱涝灾害趋势判断

为揭示川滇地区气候特征与旱涝灾害趋势,以川滇地区70个气象站点1961～2011年的逐月气温、降水资料为基础,采用线性回归、五年滑动平均、M K突变检验、反距离加权空间插值、Z指数法、Morlet小波变换等方法,对川滇地区气候变化特征与旱涝灾害进行了分析。结果表明：近51 a川滇地区气温以021℃/10 a的速率增加;降水量以1076 mm/10 a的速率减少;尤其是20世纪90年代末期以来正经历着以增温和变干为趋势的气候变化特征,气候暖干化趋势明显。近51 a川滇地区年旱涝灾害总的趋势是向干旱发展,以2000年为转折点,2000年以前该区多涝灾,2000年后多旱灾,这与该区的气温与降水变化一致,气候暖干化的结果直接导致了旱灾加剧。川滇地区春、冬两季旱涝年际周期变化规律强,Z指数呈上升趋势,降水量增加;夏季旱涝周期变化十分显著,旱涝灾害程度加剧,干旱化趋势明显;秋季旱涝变化周期性不强,呈弱干旱化趋势发展     

河南省汛期极端降水事件分析

利用河南1961～2006年50个气象站台站汛期（6～8月份）逐日降水量资料,定义95%降水分位数为极端降水事件的阈值,建立不同站近46年汛期极端降水事件发生频次的时间序列。在此基础上采用趋势分析、最大熵谱分析等统计技术方法,对河南降水事件发生频次的空间分布及年际变化特点进行了分析。结果表明：空间变化上总体具有北多南少的特点,而且汛期降水量的比重与极端降水事件发生频次的高低存在着很好的一致性;空间分布上主要有全省一致型、西北 东南型、南阳盆地型和中部分布型等4种类型,其中全省一致分布型为最主要的空间模态;年际变化趋势各地有所不同,豫西、豫南区为减少趋势,而豫中、豫北、豫东和豫西南区表现为增加趋势,而且在振荡形态上各有同异,以2~8年和10年左右的年代际变化最为普遍。     

基于GIS技术的洪水淹没计算分析系统建立与应用

洪水淹没范围的计算分析是防汛救灾管理和灾害损失评估的核心任务,而利用高新技术对洪水进行监测管理、计算分析和灾害损失评估,一直是防汛应急管理工作的薄弱环节。为此,探讨防洪流域洪水淹没计算分析系统的解决方案和实现方法,对应用系统的软硬件环境、体系结构、系统内容、系统功能和技术特点等进行详细说明,采用较为成熟的模型技术和计算机手段,研究建立基于GIS技术的洪水淹没计算分析系统,实现多源数据管理、洪水演进模拟、淹没范围计算和灾害损失评估等功能,并在海子水库防汛救灾管理工作中运行良好。应用结果表明：所采用的技术方法和分析模型能准确地计算模拟洪水淹没范围;洪水淹没面积的计算精度以及灾害评估和预测分析的准确性主要取决于空间数据精度的优劣和相关统计数据的完备程度。