径流序列相空间重构的水文学含义及应用

为确定径流序列相空间重构后的水文学含义并提高径流中长期预测精度,基于混沌理论进行径流序列相空间重构,并对径流影响因素与重构后相空间列向量进行相关性分析。在此基础上建立了混沌理论与人工神经网络耦合(Chaos-BPNN)的径流预测模型,并应用于黑河上游莺落峡水文站和正义峡水文站。结果表明:径流序列重构后相空间列向量具有明确的水文学含义;Chaos-BPNN径流预测模型仅需径流序列数据就可进行建模和预测,规避了径流预测过程中主控因素难以确定和不易量化的问题;黑河上游降水量、输沙量、水位和气温分别与重构后相空间的第1、3、6、7列具有较高的相关性,风速与任何一列都不相关,推测雪线高程、植被覆盖率以及土地利用类型等因素与第2、4、5列存在相关性;构建的Chaos-BPNN径流预测模型在黑河上游莺落峡水文站和正义峡水文站的径流预测精度均在86%以上。

黄土高原径流侵蚀功率输沙模型的改进

水土流失对流域生态危害严重,输沙量模拟和预测可以为流域水土流失防治提供依据,因此精确的输沙模型是流域水土流失治理的重要工具。为了精确模拟变化环境下黄土高原年输沙量,该研究基于黄土高原19个水文站的径流和输沙数据,通过随机森林变量重要性度量方法评估年径流侵蚀功率、淤地坝指数、淤地坝相对指数、归一化植被指数、不透水地面积等因子对流域年输沙量的影响,使用非线性最小二乘法估算年输沙模型参数,对比分析不同因子组合的年输沙模型精度,提出适用性较强的黄土高原年输沙模型,据此开展年输沙量变化贡献率分析。结果表明:1)以幂函数形式构建的仅含径流侵蚀功率单因子输沙模型精度与流域面积有显著的负相关关系,相关系数为-0.505(P<0.05),模型精度随着流域面积增大而下降,在面积大于7000 km^(2)的流域适用性较差;2)年径流侵蚀功率、淤地坝指数及不透水地面积因子组合建立的多因子年输沙模型在黄土高原适用性最佳,模型在率定期纳什效率系数平均值为0.84,均方根误差平均值为0.21亿t,在验证期纳什系数平均值为0.79,均方根误差平均值为0.27亿t。3)影响研究流域年输沙量变化的因素依次是:年径流侵蚀功率、不透水地面积和淤地坝指数。研究可以为黄土高原不同区域水土流失防治和生态治理工作提供理论支撑。

森林结构差异对大兴安岭森林小流域径流情势和退水特征的影响

径流情势和流域退水是反映水文过程至关重要的指标,除气候因素外,主要受到下垫面和流域水文地质特征的影响。利用准配对流域法,对比大兴安岭地区森林结构不同的2个小流域(老爷岭流域、圣诞村流域),排除气候和地形地貌的干扰,探究森林结构变化对流域径流情势及退水过程的影响。结果表明:老爷岭流域的全年洪峰历时比圣诞村流域延长5 h、平均洪峰滞时推迟2 h,洪峰径流量、变异系数均无显著差异。随着森林平均蓄积量、树种组成、郁闭度等森林结构指标的提高,老爷岭流域(森林结构综合指数较高)较圣诞村流域(森林结构综合指数低)的枯水径流时间低4 h,平均枯水径流深提高0.65 mm(是圣诞村流域3倍),平均枯水径流变异系数低33%,且流域间差异均达到了极显著水平(P<0.01)。通过退水分析,结果表明:老爷岭流域和圣诞村流域退水系数(k)的均值分别为16.9、8.5 d,退水常数(α)均值分别为0.909 4、0.862 6,老爷岭流域的平均退水时间比圣诞村流域延缓了8.4 d。该地区流域水文特征受森林植被变化的影响明显,森林结构复杂、森林质量高的老爷岭流域枯水径流量高并且稳定,退水过程更慢,水源涵养功能更好。

海绵型建筑与小区年径流污染控制率计算方法探讨

【目的】年径流污染控制率是海绵城市建设中的核心控制指标,对指导海绵设施设计具有重要意义。但其设计计算过程中的计算方法与公式存在不统一或不合理的问题,须探究更适用于实际工程的计算公式。【方法】梳理了国内外对于海绵设施污染物去除率的取值来源与计算方法,分析了目前工程设计中单一海绵设施对污染物去除率的取值和地块污染平均去除率计算方法存在的问题,并对比不同地区雨水管理径流控制指标,从定义出发推导更适用于建筑与小区小尺度流域的计算方法。【结果】在建筑与小区等小尺度流域的设计中,与其他三种地块海绵设施对悬浮物的平均去除率的算法相比,采用海绵设施的有效汇水面积进行加权平均计算会更加合理;而在年径流污染控制率的计算中,引入累积污染物负荷率与累积径流体积率比例,将其转化为年平均径流污染量控制率与污染物平均去除率的乘积进行计算会更加合理。【结论】对于年径流污染控制率的计算应该积极开展试验或数值模拟,并形成适合国内实际情形的数据库。应该提高设计人员对源头海绵设施污染物去除过程的认知,避免在建筑与小区等小尺度流域的设计计算中采用不合适的公式而引起的误差。

岩溶地下水多层次径流模型应用——以丽江河间地块地下水径流分析为例

丽江河间地块上岩溶水系统十分发育,查明其径流规律有利于“玉龙-古城”城区科学高效开发利用地下水资源,对地区经济发展和生态环境建设十分重要。作者采用岩溶地下水多层次径流模型对研究区岩溶水径流规律进行分析,查明丽江河间地块岩溶水径流在表层径流、浅径流、深径流不同层次的规律。综合地下水流量分析、水化学反演、同位素测试、示踪试验的结果,对结论进行验证,表明作者提出的径流模型有较好的应用效果。

城市不同下垫面降雨径流水质监测及特征研究

城市面源污染是仅次于农业面源污染的第二大非点源污染,也是影响城市水生态系统健康的重要原因。随着城市化的快速发展,下垫面改变导致城市河流洪峰增大,河流污染加剧。基于沥青屋面、砖砌路面、油毡屋面和绿地四种典型城市下垫面的5场降雨径流监测试验资料,分析了不同下垫面条件下的降雨径流污染水平、径流水质变化特征和初始冲刷效应。结果表明:(1)4种下垫面的降雨径流总氮质量浓度均属于劣Ⅴ类水;四种下垫面的总磷污染程度相对较轻,沥青屋面、砖砌路面、油毡屋面和绿地的降雨径流总磷质量浓度优于Ⅳ类水的频率分别为80%、16%、88.46%和5.56%;沥青屋面、砖砌路面、油毡屋面和绿地的降雨径流总悬浮物质量浓度分布范围分别是7~798、15~569、10~871和44~378 mg/L。(2)总氮和总磷的径流污染水平排序为:砖砌路面>绿地>沥青屋面>油毡屋面;总悬浮物的径流污染水平排序为:绿地>砖砌路面>油毡屋面>沥青屋面。(3)中雨情景下各下垫面不同污染指标变化趋势差异较大,而小雨情景下受人为活动影响较大的下垫面的各污染指标浓度较高。(4)各下垫面污染物的初始冲刷强度排序均为:总悬浮物>总磷>总氮;各下垫面的初始冲刷强度排序为:沥青屋面>油毡屋面>砖砌路面>绿地。(5)沥青屋面和油毡屋面降雨径流中的总悬浮物和总磷具有较好的同源性,而砖砌路面降雨径流中的总磷与总氮和总悬浮物都具有较好的同源性。综合而言,各下垫面总氮和总悬浮物的场次降雨径流平均浓度远超于地表水Ⅴ类水质标准,会对城市水体造成污染,可根据不同下垫面的特点采取相应措施来降低污染物浓度。

建筑小区雨水径流控制设计取值问题的探讨

建筑小区的雨水径流控制工程是海绵城市建设的上游工程,包含了源头减排的微排水系统和排水管渠的小排水系统,需要控制径流总量和径流峰值等指标;需控制的雨水年径流总量根据年径流总量控制率,采用“容积法”和硬化指标匹配法计算出对应的汇水面积及调蓄量;而雨水径流峰值在全国各地出现或算法各异或条件参数不详的情况,影响到海绵城市建设工程管控指标的合理性与可达性,故通过对比解读相关国标、地标,范例,探讨建筑小区雨水径流峰值的计算方法并提出建议,旨在为同类工程的设计提供参考。

基于数值试验的降雨径流过程对不透水面空间分布的响应分析

为解析降雨径流过程对不透水面空间分布的响应关系,构造了一个3 km×3 km的假想试验区域,面向试验区域构建了包含6个不透水率的36种不透水面空间分布,并建立相应的数值试验模型,模拟了重现期分别为2、5、10、20、50、100 a共6种不同重现期短历时设计降雨下的降雨径流过程,基于模拟结果对不同不透水面空间分布情景下的降雨径流过程进行了分析。结果表明:在同一不透水率下,不同不透水面空间分布的径流系数差异相对较小,不透水面空间分布对径流特征的影响主要体现在径流峰值和峰现时间上;在同一降雨条件下,不透水率变化是径流过程变化的主导因素,径流系数与不透水率呈线性相关关系,随着不透水率的增加,径流过程线逐渐由“矮胖”变得“尖瘦”。

尾巨桉萌芽林与混交改造林径流水质变化特征

【目的】探讨桉树纯林及桉树混交林坡面径流水质变化特征,揭示水质变化的客观规律,为正确回答和解决桉树人工林水质问题,实现桉树人工林可持续发展提供重要科学依据。【方法】以桉树纯林、桉树×灰木莲混交林(带状混交、行间混交、株间混交)、灰木莲纯林为研究对象,选取对森林水质有关键影响作用的因子,采用连续监测与实验室分析相结合的方法,对比不同栽培模式条件下径流水质变化差异。【结果】1)试验样地坡面径流水pH值、COD、BOD5均达到我国农田灌溉水质标准(GB 5084—2021)对pH值(5.5~8.5)、COD(<150.00 mg·L^(-1))、BOD5(<60.00 mg·L^(-1))浓度的要求;2)桉树纯林坡面径流水中单宁含量(7.77 mg·L^(-1))显著高于其他样地,达到空白对照样地(1.22 mg·L^(-1))的6.4倍,桉树×灰木莲混交后可以有效降低坡面径流水中单宁含量,其中桉树×灰木莲行间混交模式效果最明显;3)桉树和灰木莲纯林坡面径流水中腐殖酸含量均高于混交林,其中桉树×灰木莲带状混交模式更有利于其坡面径流水中腐殖酸含量的降低。【结论】桉树混交模式的营建在保证坡面径流水质主要指标达标的同时能有效降低坡面径流水中单宁及腐殖酸含量,桉树混交栽培模式进一步缓解了桉树纯林对土壤酸碱性及微生物的影响。

疏勒河流域径流量和输沙量变化规律

[目的]探索疏勒河流域水沙变化特性,可为国家实施西部生态安全战略提供科学支撑。[方法]基于疏勒河流域昌马堡、潘家庄、党城湾3个水文站的实测径流量和输沙量序列资料,运用滑动平均、Mann-Kendall突变趋势检验和小波分析法等方法,分析了疏勒河流域径流量和输沙量变化规律。[结果]疏勒河流域年径流量和年输沙量均呈递增趋势,且输沙量增大趋势大于径流量,昌马堡、潘家庄、党城湾3个水文站径流量分别在1999年、2016年、1982年发生突变,昌马堡和潘家庄年输沙量突变均发生在1998年,党城湾输沙量没有突变;疏勒河流域3个代表站的径流量和输沙量都呈现出多时间尺度的演化特征,昌马堡径流量主周期为58 a,31 a,14 a,9 a和5 a,输沙量主周期为48 a,23 a,14 a,7 a和5 a,潘家庄径流量主周期为59 a,32 a,14 a,输沙量主周期为37 a,14 a,8 a和5 a,党城湾径流量主周期为42 a和5 a,输沙量主周期为16 a和8 a。[结论]疏勒河流域水沙总体呈递增趋势,且存在明显的周期变化,除党城湾的输沙量没有突变发生以外,其余站点水沙均有突变发生,同一水文站输沙量的突变的发生滞后于径流量的突变。

不同配置乡村植被缓冲带阻控径流污染特征研究

植被缓冲带是河湖的重要生态空间屏障,对于减缓人类活动对河湖的直接干扰、阻隔农业面源污染等具有重要意义。为系统研究不同类型缓冲带对农田氮磷等污染物的拦截功效,本研究在定远张山设计8个缓冲带小区,结合自然降雨方式,持续两年观测不同缓冲带对地表径流及其主要污染物(TN、TP、COD)的削减效果。结果表明:林地和3°、8°横垄耕地缓冲带对径流的拦截效率较高,减流率分别达到了62.4%、52.0%和60.6%,径流量随雨强增大先升高后下降。与8°坡耕地缓冲带相比,降坡(3°)处理竖垄、横垄缓冲带泥沙流失量分别降低53.3%、50.9%。降雨产流的养分流失以氮素和有机质为主,林地缓冲带对径流NH4+-N的拦截率平均高达95.2%,此外降坡和横垄耕作措施也能有效减少径流冲刷的氮素流失。不同处理缓冲带对径流TP均有较好的拦蓄效果。3°、8°横垄耕地缓冲带CODMn流失量较低,拦截率达到53.0%、58.6%。林地缓冲带中高覆盖度的植被和发达的根系能够有效减缓降雨对地表的冲刷,减少径流和养分流失。在南方丘陵山地的乡村地区实施横坡垄作是拦蓄径流、降低面源污染风险的有效措施。

修正SWAT模型在喀斯特小流域的径流模拟研究——以羊鸡冲小流域为例

在贵州喀斯特地区,地表径流通过土壤裂隙、岩溶管道等途径流失,限制了地表径流的形成。文章以龙里羊鸡冲小流域为研究区,基于2013-2019年的实测数据,修正SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型的裂隙流模块,修改了裂缝入渗的表示方法,对修正前后的日径流模拟进行对比分析。结果表明:率定期内纳什系数由0.32提升到0.60,决定系数由提高0.37提升到0.58。在验证期内,纳什系数由0.52提高到0.55,决定系数由0.56提高到0.60,修正后的模型与原模型相比具有更好的适用性。修正后模型的径流时间序列与实测数据更吻合,能合理估算研究区的入渗水量,为喀斯特小流域的水资源管理提供参考依据。

表层岩溶带土岩结构对降雨-径流响应特征的影响

碳酸盐岩在溶蚀作用下形成的表层岩溶带,其上层土壤特性和厚度以及下覆裂隙大小和分布控制降雨入渗、蒸散发和地下径流过程。而不同土岩结构对水文过程的影响尚不明晰。文章构建3种典型土岩结构(薄层石灰土-石灰岩块型、薄层石灰土-白云岩碎石型、厚层土壤-石灰岩碎石型)土柱试验装置并进行观测,通过对比分析,揭示不同土岩结构的产流能力和径流响应特征的差异。结果表明:土岩结构对水平衡有显著影响。厚层土壤(85 cm)极大增加了蒸发量,其产流能力较小,表现为形成地下径流所需的降雨阈值大和形成的径流总量小。相比之下,薄层土壤(20 cm)具有较大的产流能力。当薄层土壤下覆为白云岩碎石时,相比于下覆为石灰岩岩块,碎石表面滞留水分能力较强,导致蒸发损失增加和径流量减少。此外,土岩结构还显著影响降雨-径流响应特征:对于厚层土壤,其对径流的调蓄能力强,洪峰流量显著减小,初始径流和洪峰流量的响应时间延长,但这种延长的幅度随着降雨事件的雨量和强度的增加而减小;对于薄层土壤,其对径流的调蓄能力较弱,其中对于下覆石灰岩岩块结构,裂隙率低、导水性强,在小降雨下容易入渗并形成较大的洪峰;而下覆白云岩碎石结构储水能力较大,在大降雨下,有利于入渗水积蓄,从而形成较大的洪峰。

基于陆气耦合模式的降雨径流模拟研究进展

基于陆气耦合模式的降雨径流模拟是变化环境下水文循环过程研究的重要内容之一。围绕陆气耦合降雨径流模拟,分析基于陆气耦合模式的降雨径流模拟框架,对比基础输入资料、天气模式和陆面水文模型各方面的优缺点,回顾基于该框架的发展历程,从集合预报、数据驱动、陆面水文模型与天气模式3个方面介绍了陆气耦合降雨径流模拟技术的发展,提出多尺度转换、双向耦合、不确定性问题及误差修正4个热点关键技术问题,并对未来研究进行展望,以期为推进基于陆气耦合模式的降雨径流模拟研究提供参考。

我国主要河川径流演变规律与归因及其区域特征

从径流演变规律主要分析方法和主要河川径流演变规律、径流主要归因方法和主要河川径流归因分析、案例分析、我国主要河川径流演变规律与径流归因分析区域分布特征4个方面系统总结和梳理了我国近年来在主要河川径流演变规律与归因及其区域特征研究方面取得的主要研究成果。结果表明:Mann-Kendall非参数趋势检验方法是较为常用的径流演变规律分析方法,水文模型法、统计分析方法和Budyko假设的流域水热耦合平衡方法是进行径流变化归因分析的常用方法,其中Budyko假设的流域水热耦合平衡方法应用较为广泛;我国主要河川径流量除西北诸河和西南河流源区部分河流呈增加趋势外,其他区域河川径流大多呈减少趋势;人类活动是引起我国主要河川径流变化的主要原因。

长江流域丘陵与平原城镇降雨径流污染特征对比分析

随着城市化进程的加速,长江流域降雨径流导致的城镇面源污染问题日益凸显。在长江流域丘陵城镇重庆永川区和平原城镇常州金坛区分别选取部分老城区和部分新城区作为研究区域,监测4个研究区域降雨径流的水质和水量,采用场次降雨径流平均浓度(EMC)和综合径流系数法计算各下垫面降雨径流污染物平均浓度和污染负荷,采用b(初期冲刷系数)参数法分析降雨径流初期冲刷效应。结果表明:1)SS、COD、TP、NH3-N和TN的EMC主要受地形、降雨特征及前期干旱天数影响,丘陵城镇中交通道路SS和COD的EMC分别是其他下垫面的1.10~7.05和0.86~8.98倍,平原城镇中交通道路SS和COD的EMC分别是其他下垫面的1.01~3.70和1.07~6.70倍;2)丘陵城镇降雨径流初期冲刷效应强于平原城镇,且SS和COD的初期冲刷强度较高,b的范围分别为0.25~1.20和0.50~1.28;3)丘陵城镇各下垫面污染负荷平均输出系数大于平原城镇,丘陵城镇老城区各指标污染负荷平均输出系数为平原城镇的0.37~16.13倍,丘陵城镇新城区各指标污染负荷平均输出系数为平原城镇新城区的0.38~7.11倍。研究揭示了长江流域丘陵和平原城镇降雨径流污染特征,可为这两类城镇降雨径流污染控制提供参考。

ESMD在关中西部径流周期、突变分析中的应用

研究河川径流的演变规律,可为水利工程的调度运行提供科学依据,对区域防洪抗旱具有重要意义。文章利用极点对称模态分解法(ESMD),结合小波变换及T检验对关中西部的渭河、千河、漆水河、石头河年径流的周期、突变特征进行了分析,并与已有研究成果进行了对比分析。结果表明:渭河、千河、漆水河、石头河年径流分别存在19.8、14、22.7、23.3a的大周期,漆水河存在11.3a的小周期,其他3条河流均存在7~8a的小周期;渭河在1986年出现突变,另外3条河流在1990—1991年出现突变;ESMD可用于关中西部非线性非平稳年径流的周期、突变分析。分析结果可为研究区4个水库的兴利调度提供依据。

基于改进SCS-CN模型的降水径流预测

本文利用淮北平原五道沟实验站1972—2021年降水径流106场实测资料,以径流曲线模型(SCS-CN)为基础,确定了该地区的径流曲线数(CN值),对模型参数进行了敏感性分析,引入降水量与前期影响雨量优化模型主要参数(CN值),验证期(2010—2021年)借助模型效率系数E、R^(2)及RE对传统SCS-CN模型及改进后模型进行可靠性检验。结果表明:(1)降水量P和初损率λ为定值时,CN值越大,对径流预测结果的影响越大;计算径流量Q随初损率λ的增大呈减小趋势;随着CN值增大,计算径流量Q及初损率λ对CN值的变化敏感性越低;当降水量越大时,初损率λ对降水量的敏感性越低,初损率λ的取值对计算径流结果的影响可以忽视。(2)参数优化后的SCS模型中的R^(2)=0.864,E=0.780,模型总体平均相对误差为26.67%,标准SCS-CN模型的R^(2)=0.782,E=0.230,模型总体平均相对误差为366.67%,改进后模型评价指标均高于标准SCS-CN模型,对研究区的径流预测更具有适用性。

龙羊峡水库后汛期入库径流特征及可蓄水量分析

以1956—2022年唐乃亥水文站实测水文数据为基础,采用数理统计方法,重点分析黄河源区后汛期径流特征,并结合龙羊峡水库满负荷发电流量,对龙羊峡水库在后汛期可蓄水量进行不同情景的分析讨论。研究表明:1)唐乃亥水文站后汛期径流量年际变化较大,丰枯不均,以正常偏枯为主,多年平均后汛期径流量占汛期径流量的29.1%;2)唐乃亥水文站后汛期日平均流量在1000 m^(3)/s以上的径流量平均为8.96亿m^(3),年际变化极大,以1000 m^(3)/s发电流量运用,龙羊峡水库蓄至正常蓄水位的保证率仅为10%,多数年份汛期结束后水位无法达到正常蓄水位2600 m。建议根据后期来水,适时调整进入后汛期的时机,优化和调整龙羊峡水库年度调度方案,为高效合理利用黄河源区后汛期水资源奠定基础。

北京典型汇水区域雨水径流温度特征及影响因素分析

城市化发展导致不透水地表面积率大幅攀升,由此带来的一系列问题逐渐受到人们关注,夏季城市汇水区域地表产生高温径流后汇入下游受纳水体所造成的雨水径流热污染,对水生态、水环境造成不良影响的风险尤为突出。选取北京市典型汇水区域,对2021—2022年多场降雨径流出流温度进行监测与分析,并对气象因素、下垫面温度及管道内径流热量等数据进行同步采集,运用皮尔逊相关系数法分析其影响因素。结果表明:研究区域夏季降雨常出现雨水径流温度升高现象,降水量小于12.5mm、降雨历时短于250 min的降雨场次更易于升温,升温幅度最高可达4.1℃;径流温度升高往往出现在径流过程初期,温度达峰平均时间为38 min;径流是否升温与降雨强度峰值位置之间没有明显关系;气温、不透水地表初始时刻温度、降雨历时及降水量是雨水径流温度的极显著影响因素(P<0.01);降雨期间气温、降雨历时、不透水地表初始时刻温度和管道内壁温度4个指标,可以基本解释研究区域96.7%的径流温度输出情况。