汾河上游流域分布式水文模型的构建

根据汾河上游流域的水文特性,采用以坡度、坡向为主要因素,按照集水区自然分水线划分子流域的流域离散方法,将SCS产、汇流模型与马斯京根法结合用于计算该地区的径流过程,建立了适于该地区,基于流域尺度的次降雨-径流分布式水文模型.选用该地区的典型流域--岚河流域与分布式模型耦合,进行模拟.经实测资料与模拟结果的分析比较,结果表明,该模型具有一定的精度,径流量合格率及汇流合格率分别达到70%和80%,且计算流量过程与实测流量过程吻合较好,所建模型基本适用于该地区的降雨一径流计算.     

汇流宽度随集水面积变化的分布式水文模型

传统的分布式水文模型在进行汇流计算时,把计算单元沿水流方向的宽度作为汇流宽度,据此得到的水流流速与实际流速有较大差异,造成模型无法输出较为准确的分布式结果,在进行分布式土壤侵蚀模拟或其它与流域产汇流密切相关的研究时,极大地影响相关模拟计算结果。建立了以霍顿下渗公式和简化的圣维南方程为基础的分布式水文模型,在汇流计算中引入汇流宽度曲线,考虑了流域栅格汇流宽度随集水面积的变化。经东湾流域实测资料验证,该模型在分布式结果输出方面具有一定的优势。     

四川紫色土地区典型小流域分布式产汇流模型研究

针对日益加剧的四川紫色土地区水土流失情况，为定量分析紫色土地区小流域水土流失程度，选取四川省南部县鹤鸣观小流域为研究区，在蓄满产流模型的基础上，构建了适合紫色土地区小流域分布式产汇流模型。该模型以地块为计算单元，在每个地块上输入参数，然后依据流域产汇流机制计算每个地块的产汇流量，并用递归算法将计算结果推算到流域出口，得到流域径流总量。该模型能评价流域下垫面各因子空间分布不均匀性和人类活动的影响，模拟每个地块次降雨产汇流过程。在鹤鸣观小流域进行了模型的检验与应用，模拟过程与实测结果符合较好。该研究为四川紫色土地区水土保持治理提供了科学依据。     

基于混合产流模式的黄土高原流域水沙过程耦合模拟

为深入理解黄土高原干旱半干旱地区复杂地貌条件下流域水沙运移规律。基于垂向混合产流机理和运动波方程，构建分布式流域水文模型，耦合流域土壤侵蚀和泥沙输移过程模拟模块，并考虑梯田对水沙过程的影响，建立适用于黄土高原的分布式流域水沙过程模型。选取黄土高原延河支流西川河流域多年实测场次洪水过程的径流泥沙资料，对模型进行率定和验证。径流模拟的纳什效率系数在0.56以上，平均值超过0.70,模拟次洪过程的峰形、峰值、峰现时间与实测过程具有较好的一致性；侵蚀产输沙模拟精度较低，其纳什效率系数均值率定期为0.79,但验证期仅为0.45,模拟结果整体趋势与实测值较一致，但输沙量模拟峰值比实测值偏低。模型可以较精确地模拟黄土高原流域洪水产汇流过程，但输沙量模拟值偏低，一方面由于产汇流模块的误差传递；另一方面，对重力侵蚀考虑不足。因此，未来模型将考虑滑坡、崩塌等重力侵蚀过程，提升模拟精度和效率，为流域水沙过程模拟与流域综合治理提供有效工具。     

面向地表过程模拟的降雨径流模型开发与应用

降雨径流是流域地表过程的主要驱动力,是众多地表模型的基础。该文在充分考虑流域气象及下垫面等要素空间异质性的基础上,提出了一个面向地表过程模拟的、基于DEM的分布式次降雨径流模型。模型将流域离散为栅格计算单元,并按水流特性将栅格划分为坡面单元和河网单元;模型考虑了降雨、植被截流和入渗等产流过程,利用运动波分级汇流的方式进行汇流演算。模型在江西躁口水流域进行了检验和应用。结果表明：该模型模拟的流量过程精度较高;模拟的径流深度及径流搬运力的空间分布符合水文规律。模型结构简洁、参数较少,具有较好的实用价值;为土壤侵蚀及非点源污染等以流路为基础的复杂地表过程研究奠定了基础。     

基于HEC-HMS的青狮潭水库入库洪水预报研究

[目的]构建青狮潭水库入库洪水预报模型,为实际预报业务提供参考,也可以为桂林市上游地区无资料地区水文气象规律研究提供支撑。[方法]HEC-HMS是一个包含多个产汇流模型的水文模型系统,适用于不同地区的水文问题分析和计算,广泛运用于洪水预报、防灾减灾等方面。利用该模型对桂林市青狮潭水库上游流域进行水文建模,模拟流域发生暴雨时青狮潭水库的入库洪水过程,以此作为研究洪水预报依据。[结果]通过研究发现HEC-HMS模型模拟的结果平均确定性系数达到0.88,洪峰流量和峰现时间误差均达到乙级预报标准。[结论]HEC-HMS模型在青狮潭流域适用性较好,可以用于青狮潭水库入库洪水预报。     

基于能量转换的地貌单位线计算方法及应用

该研究基于能量转换原理构建汇流模型,针对中小河流汇流参数确定困难、汇流计算准确度低的问题,分析流域内水质点能量的空间分布,采用将重力势能转化为动能的方式估计地表水流速度,计算空间流速场并提取地貌单位线。采用分辨率30 m×30 m的数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）数据,将湖南省竹溪坡流域划分为57个计算单元,分别采用能量转换法和坡度雨强法提取了地貌单位线。构建了研究区的分布式模型,其中产流计算采用新安江模型,坡面汇流采用地貌单位线模型,河网汇流采用马斯京根法,对竹溪坡流域36场降雨径流过程进行模拟。采用统计方法分析汇流参数,对参数的取值范围进行了评估。结果表明,与坡度雨强法相比,基于能量转换方式的洪水模拟结果中,峰现时间误差不超过1 h的场次比例由30.5%提高到83.3%,确定性系数不低于0.9的场次由9场提升至17场,平均确定性系数达到0.89,显著提高了模拟精度。通过对断面流速进行统计分析,评估竹溪坡流域汇流参数取值范围为[0.008, 0.014],当参数在此区间浮动时,确定性系数不低于0.9的场次比例为44%～50%,与率定得到的结果接近。该方法物理意义明确,参数可以通过率定或者测量方式确定,为无资料地区汇流规律研究提供了一种可靠思路。     

基于水文模型的流域蒸散发规律

基于双源蒸散发模型与栅格产汇流模型,该文构建了分布式流域水文模型,在老哈河上游的甸子流域模拟了蒸散量的时空变化过程。研究结果表明：相比蒸发皿观测数据计算的蒸散发能力,双源模型计算实际蒸散量作为水文模型的驱动因子更具优势,其能够有效地模拟流域尺度实际蒸散量的变化过程;不同植被类型的截留蒸发、植物蒸腾、蒸散量过程都呈单峰形式,夏季达到最大值,高大植被的植被蒸腾量和生产性蒸发比例显著高于低矮植被;不同植被条件下的土壤散发变化规律不一致,高大植被在5月达到峰值,低矮植被则在6月或7月达到峰值。     

秦淮河流域径流过程对土地利用变化的响应

土地利用变化影响了流域产汇流机制,进而改变了流域洪水响应过程,成为流域径流演变的主要驱动因素,特别是城市化流域最为明显。为深入探究快速城市化背景下土地利用变化对流域径流的影响,该研究以南京市秦淮河流域为例,利用2005、2010、2015和2020年4期土地利用数据和2003—2020年18场小时尺度洪水过程,基于HEC-HMS(hydrologic engineering center-hydrologic modeling system)平台构建秦淮河流域水文模型系统,量化变化环境下降雨径流过程对土地利用变化的响应。结果表明:1)流域不透水面积增加了99.53%,而农田面积减少了6.57%,且增加的不透水面积主要来自农田转入,占比约96.42%;2)秦淮河流域洪水过程模拟结果显示HEC-HMS模型在秦淮河适用性较好,率定期洪峰流量相对误差、洪量相对误差、Nash-Sutcliffe系数和均方根误差RMSE分别为-1.63%、-11.79%、0.854和159.73 m³/s,验证期洪峰流量相对误差、洪量相对误差、Nash-Sutcliffe系数和均方根误差RM...     

森林流域分布式水文模型研究

 构建了森林流域基于物理过程的分布式水文模型。该模型界面明晰,参数较少、容易获取,具有明确的物理意义,而且能模拟降雨、气温、植被、冻土和地形等因素对系统水文过程的影响。通过改变模型中降雨输入和森林植被组成等参数的方法可以探讨森林生态系统水文过程对降雨输入和森林植被变化的响应。     

基于垂向混合产流模型的北京山区山洪预警模型构建

[目的]构建基于垂向混合产流模型的北京山区山洪预警模型,为临界雨量的计算提供理论基础。[方法]结合北京市的气候条件,选用垂向混合产流模型进行产流模拟,用单位线法和线性水库法进行坡面汇流模拟,用马斯京根法进行河道汇流模拟。安全流量则用淹没出流量代表。北京山区山洪预警模型中的参数可通过外业实验测定和历史数据率定获得。[结果]通过对降雨和流量历史资料的验证,确定性系数、洪峰流量、峰现时间、时效等级均符合洪水预报的要求和规定,是否发生山洪的预测结果也与实际情况一致,证明了该模型的准确性。[结论]该模型可以应用于北京山区的山洪预警,降低由山洪导致的人员伤亡与财产损失的可能性。同时,该模型还可为北京山区山洪灾害临界雨量的推求奠定基础。     

新安江模型和人工神经网络的耦合应用

提出了一种集成人工神经网络的概念性水文模型,该模型是一种半分布式概念性水文模型,考虑了降雨的空间变异性,流域特征的不均匀性等因素对径流过程的影响。采用遗传算法进行概念性模型参数优选,同时考虑雨量站的空间分布,利用GIS和DEM数据进行流域单元划分;对于每个子流域,考虑模型输入参数和降雨资料的空间分布特性,进行产流计算;在径流演算过程中,利用人工神经网络的非线性映射方法代替传统概念模型中线性叠加方法计算整个流域的出口流量过程。以半湿润的淮河上游支流的大坡岭流域为例,对模型的可行性进行验证,并与单一的新安江模型的结果进行了比较。验证结果表明,集成人工神经网络技术和新安江模型的耦合模型有较好的模拟和预报结果。     

基于小流域产流特征的磷流失关键源区识别

以密云区石匣小流域为研究区,根据不同降雨类型,采用超渗产流机制的径流曲线模型(SCS-CN)和蓄满产流机制的变源曲线模型(CN-VSA)进行产流特征分析,并利用磷指数模型识别不同产流机制下石匣小流域的磷流失关键源区。结果表明:1)中雨量、高雨强的降雨类型导致的超渗产流机制,使流域的东部、南部土壤较为湿润的区域以及流域的东北部和西部的易产流的耕地区域产流量较高,产流量介于15~30 mm,产流面积约占整个流域面积的14.2%;北部林地区域产流量较低,产流量低于15 mm,产流面积约占整个流域面积的85.8%;2)低雨量、低雨强的降雨类型导致的蓄满产流机制,使流域几乎所有区域不出现产流,产流量低于15 mm的区域面积占比达99.9%;高雨量、中雨强降雨类型导致的蓄满产流机制,使水库及流域水系周围产流量最高,产流量高于30 mm,其区域面积占14.6%、产流量介于15~30 mm之间的区域面积占17.7%、产流量低于15 mm的区域面积占67.7%;3)该研究区土壤侵蚀程度较弱,部分地区产流量较高,存在较高产流风险;4)超渗产流机制下,石匣小流域南部有磷流失风险,约占1.4%的面积;蓄满产流机制下,石匣小流域南部及北部有磷流失风险,约占2.3%的面积,蓄满产流机制下的磷流失风险较大。总体来说,石匣小流域磷流失风险较低,研究区域的南部靠近密云水库附近的区域为磷流失关键源区,需重点治理。     

水土保持措施对秃尾河径流的影响

在黄土高原地区,水土保持措施是影响流域产汇流的重要因素之一。本文采用双累积曲线、时间序列分析等方法,分析秃尾河流域降水及河川径流、暴雨洪水特征变化及其对流域水土流失治理的响应。结果表明:流域多年平均降水量406.4mm,河道多年平均径流量3.4亿m3,1977年后年径流量呈显著性减小趋势。与1977年之前相比,在水土保持措施影响下,汛期径流量占年径流量比例下降,枯水期径流量比例上升,季节分配趋于均匀。相似降水条件下,场次洪水总量、洪峰流量减少,洪水过程均化。     

动态参数SCS-RF模型在黄土丘陵区小流域产流模拟中的应用

降雨特征对产流过程有重要影响,而SCS(Soil Conservation Service)模型作为产流模拟的工具并未考虑该影响。SCS模型参数的选取直接影响产流过程的模拟精度,而目前在黄土丘陵沟壑区鲜有在率定该模型参数时考虑降雨特征的相关研究。该研究基于王家沟流域及其子流域汛期共计307场降雨-径流数据,通过RF(RandomForest)算法,将降雨特征作为决策树的分裂属性,以此确定模型参数径流曲线数(Curve Number,CN)和初损率,提出动态参数SCS-RF模型,并与未进行参数改进的SCS模型进行对比。结果表明:SCS-RF模型与SCS模型验证集均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)分别为1.06和6.64,纳什效率系数NSE(Nash-SutcliffeEfficiency)分别为0.84和-8.65,且SCS-RF模型在各流域模拟效果均达到良好级别,SCS-RF模型模拟效果明显优于SCS模型。SCS-RF模型在率定参数时考虑了降雨特征对产流的影响,简化了参数率定过程的同时具有良好的地区适用性。流域不同治理措施使得参数分布取值存在明显差异,流域经过水土流失治理后初损率取值均小于标准值0.2。各流域CN与降雨量呈明显的负相关关系,参数与降雨特征(降雨量、30 min降雨强度)的数据分布均有相对明显的集中区域。     

北京市土壤侵蚀监测方法探讨

 为了科学定量评价北京市土壤侵蚀状况,通过北京市地面水土流失监测网络,开展水土流失定点观测,研究北京市土壤侵蚀监测的评价方法。结果表明：利用大量实测资料,基于美国通用土壤流失方程建立的北京土壤流失方程,可以作为北京市土壤侵蚀调查的模型工具;基T GIS和降雨侵蚀力模型的年度土壤侵蚀量推算方法,可作为从小区尺度转换到区域尺度的一种方法;由于网格法没有考虑水土保持措施因子,调查得到的土壤侵蚀量结果比采用抽样调查法得到的结果偏大。北京市土壤侵蚀监测方法的研究可为区域水土流失定量评价和动态监测提供借鉴作用。     

Uncertainty of factors determining runoff and erosion processes as quantified by rainfall simulations

Rainfall simulations at different scales have been used for understanding the influence of different factors on runoff generation and erosion. They are an accepted method for calibrating and validating physically based rainfall and erosion models. Nevertheless, it is proven that not only the patterns of rainfall are highly variable over space and time. Soil parameters responsible for runoff generation and erosion – e.g. infiltration capacity, soil moisture, aggregate stability – are highly variable, too. The results of more than 100 plot scale rainfall simulations on abandoned fields in different areas of Spain are analysed for identifying and quantifying factors affecting runoff and erosion processes. The variability of superficial runoff and suspended sediment yield is very high within most of the test areas, reaching values up to a runoff coefficient of 1 and yielding 130 g per experiment. Only within the semi-arid areas we can find a significant and high correlation between vegetation cover and sediment yield (and sediment concentration), whereas most of the other investigated surface parameters show no influence on runoff and erosion.     

基于暴雨洪水管理模型的铁路车站片区雨洪模拟及低影响开发效果评价

[目的]减轻西北地区高速铁路车站片区建设过程引起的水资源矛盾问题,实现铁路车站片区雨水的积存、渗透和净化,促进雨水资源的利用和生态环境保护,实现高速铁路绿色施工。[方法]以甘肃省兰州市西客站为研究对象,采用暴雨洪水管理模型(SWMM)研究了传统开发下的雨水径流效应,并对采用生物滞留池、透水铺装、绿色屋顶及生物滞留池+透水铺装+绿色屋顶组合措施方案3种低影响开发(LID)方案进行了模拟。[结果]不同LID措施均能有效削减径流总量、洪峰流量、溢水量及延后峰现时间,其中组合LID方案的控制效果最佳,对洪峰流量和径流总量削减率高达75.9%和41.6%;透水铺装和生物滞留池对洪峰流量和径流总量的削减效果较显著;绿色屋顶单独铺设时,雨洪控制效果较差。[结论]合理采用LID措施可以有效地实现雨水的可持续管理,减小铁路车站片区的洪涝灾害。     

坡面尺度林地植被对地表径流与土壤水分的影响初步研究

通过定位观测以及对两个天然坡面有林地径流场和无林地径流场进行对比,以2003年、2004年实测的降雨、径流数据分析研究区域内降雨特性、地表径流产生的过程和机制,并结合1996～1998年相关数据,初步研究了林地植被对地表径流的影响.结果表明:无论是有林地还是无林地,地表径流系数随降雨量增大而增大.有林地径流系数小于对应的无林地径流系数.植被对地表径流有不同程度的削减作用,径流削减率与降雨量大小并不是单一的线性(递增、递减)关系:当降雨量小于73.04mm时,植被对地表径流系数的削减率随降雨量增加而增加,当降雨量大于73.04mm时,植被对地表径流系数削减率随降雨量增加降低.植被能够削弱地表径流的峰值,延缓峰值出现的时间,使得径流历时加长.植被对地表径流削减率的大小和降雨量大小关系不是单一的线性(递增、递减)关系:当降雨量小于73.04mm时,植被对洪峰的削减率随降雨量增加而增加,当降雨量大于73.04mm时,植被对洪峰的削减率随降雨量增加而呈总体下降趋势.以2004年为例,比较有林地与无林地在三种相同坡位情况下的土壤含水量大小关系,结果:坡上位土壤水分有林地大于无林地,而坡下、坡中无林地土壤水分大于有林地.说明林地植被能够拦蓄、调节径流,起到涵养水源、在空间和时间上合理配置土壤水分、提高生态效益的作用.     

DEM分辨率对产流产沙模拟影响研究

地形状况决定流域基本特征,因此在进行流域水文过程模拟时,DEM分辨率会影响流域特征参数的提取,进而影响模拟结果。在研究流域模拟过程中DEM分辨率对流域参数提取及产流产沙模拟的影响,选择黄河下游支流洛河卢氏水文站以上流域为研究区,采用Resizecell技术对1:25万DEM图进行单元栅格处理,分别生成100m×100m、200m×200m、300m×300m和400m×400m四种不同分辨率的DEM图;分别模拟四种情况下1997～1999年流域的产流量与产沙量,进而分析DEM分辨率对模拟结果的影响。研究表明:DEM分辨率对亚流域的面积或个数的提取影响不大,但对坡度值的提取影响较大。其中,400m×400m的DEM与100m×100m的DEM相比,1997～1999年产流模拟结果分别相差9.12%、9.71%、19.52%,产沙量模拟结果分别相差42.25%、43.56%、49.70%。因此,在进行流域产流、产沙模拟时,应进行坡度订正。