基于时空变源分布式模型的流域洪水复盘分析方法——以海河流域北三河系“23·7”较大洪水为例

海河流域北三河系覆盖北京、天津、河北三省(直辖市),其防洪安全事关当地社会经济发展。为有效应对气候变化影响下极端暴雨频发所带来的洪水防御新挑战,提出了一种时空双维度流域性洪水复盘新思路,以“23·7”北三河系较大洪水为例,通过构建时空变源分布式水文模型结合暴雨时空统计分析对全河系洪水的发生、发展过程进行了模拟。模拟结果的确定性系数均大于0.7,洪峰相对误差均小于5%,所建模型可以较好地表征此次洪水的产流机制变化。分析发现,此次洪水过程中北运河流域产流以蓄满产流机制为主,潮白河流域产流则蓄满及混合产流两种机制均有体现,特别是靠近降雨集中区的山区平原过渡地带表现出明显的混合产流机制。建议在未来进一步完善流域防洪体系,重点提升该区域的水雨情监测能力。所提出的时空双维度下的流域性洪水复盘分析方法可为今后其他流域级洪水模拟复盘提供技术参考。

雨带北移影响下永定河泛区防洪情势

采用国产水动力学模型(integrated flood model system,IFMS),对“23·7”海河流域永定河系特大洪水中永定河泛区洪水演进及淹没范围变化进行精细化模拟复盘。将模拟结果与卫星遥感监测获取的泛区淹没范围进行对比,最大淹没面积误差仅为8.8%,验证了该模型在永定河泛区洪水模拟中的可靠度。构建的永定河泛区模型可以准确反映分洪口门启闭、蓄滞洪量变化及泛区进退洪淹没过程。基于该模型,进一步研究雨带北移对该地区未来防洪情势的影响。结果表明:同等重现期的设计洪水受雨带北移影响后,将导致泛区防洪情势愈加严峻,雨带北移影响下的20 a一遇设计洪水最大淹没范围与现状情景下50 a一遇设计洪水最大淹没范围持平。因此,为更好地应对未来防洪情势的发展,需要针对永定河泛区提出更加合理的防洪规划并科学制定工程与非工程相结合的防洪措施。

基于尺度转换的数字水系提取方法及应用

低分辨率DEM提取数字水系精度不高,不能满足水文模型建模需要。在M ark和O Callaghan提出的坡面径流模拟算法提取水系的基础上,将高分辨率栅格的流向分配至低分辨率栅格内,采用向量运算法则和栅格最大集水面积法,通过流向的聚集过程判断低分辨率栅格的流向,进而将高分辨率DEM提取的数字水系转换成低分辨率栅格水系,并在洣水等5个不同流域加以应用。研究分别采用水系密度和流域宽度分布两项指标对尺度转换后水系与提取的各种尺度水系进行比较,结果表明,该方法简单有效,对于平原区水系提取及山区水系提取都有较好的适应性,转换后水系与实际相符,满足水文模型建模要求。

无资料地区水文预报(PUB)不确定性研究

针对无资料地区的水文过程模拟采用流量历时曲线率定法实现水文模型参数区域化,避开建立模型参数与流域特征值之间的相关关系,以流量历时曲线作为水文模型的拟合目标率定无资料地区参数。通过基于GLUE法的不确定性分析发现,相对于参数相关法,流量历时曲线率定法预报的不确定性对似然临界值取值更敏感,在高似然区不确定性更小,在低似然区则相反;优化调参通常更关注高似然区,因而应用流量历时曲线率定法推求无资料地区参数效果更好。

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。

基于快速排序的数字高程模型分级填洼算法

数字高程模型(DEM)的填洼过程是水系提取中最耗费时间的过程,在Moran和Vezina提出的填洼思想(M&V填洼算法)的基础上,建立了基于快速排序的分级填洼算法,既能有效地减少填洼过程中的搜索路径,提高填洼效率,又能保证依此提取水系的完整与连贯。对于一个给定的DEM地形,传统的填洼算法的执行效率是固定的,而分级填洼的实际执行效率取决于分级数量,对于自然流域,一般200至500的分级量可使计算效率达到最高。通过在6个不同流域上的应用表明,在平均情况下,分级填洼算法的时间复杂度约为O(n1.29),其执行效率远高于M&V填洼算法及Arcgis9.2(采用改进Jenson&Domingue算法)的执行效率。

集水面积阈值确定方法的比较研究

针对坡面径流模拟算法引入集水面积阈值划分流域内的河网与坡地直接影响了生成的数字河网精度,探讨并比较了多种推求流域集水面积阈值的方法。结果表明,各种方法可互补;采用集水面积与河道平均坡降关系和采用集水面积与河网密度曲线具有较好的一致性;流域面积越大,采用宽度分布推求阈值准确,流域面积越小,采用水系分形推求阈值准确;集水面积阈值在流域内各处并非完全相同,应考虑采用多个阈值。

黔北石膏洞9.9～4.2 kaBP石笋微量元素记录及环境意义

通过对黔北石膏洞一石笋（编号SG-1）进行碳氧稳定同位素测试和XRF元素扫描分析，结果表明研究时段内Mg／Ca、Sr／Ca和Ba／Ca比值都表现了较明显的阶段性变化：Mg／Ca比值在9．9～6．6kaBP偏低，6．6～4．2kaBP期间逐渐升高，整体变化趋势与石笋δ^18O变化趋势较为一致，呈正相关关系，表明石膏洞石笋Mg／Ca比值主要受降水的影响，即降水增多（δ^18O偏负），岩溶水在母岩中滞留时间短，Mg／Ca比值降低；反之则升高。Sr／Ca和Ba／Ca比值在8．7～4．2kaBP的变化与石笋δ^13C变化趋势一致，呈反相关关系，植被和土壤微生物活动有可能是影响石膏洞石笋Sr／Ca和Ba／Ca的主要因素。但是在9．9～8．7kaBP，Sr／Ca和Ba／Ca比值与石笋δ^13C关系复杂，有可能同时受到温度、降水、地表植被和上覆土壤等众多因素的影响。因此，运用Ba／Ca和St／Ca进行古气候研究时需要慎重，要注重多指标对比研究。

基于改进区域化流量历时曲线的无资料地区径流模拟

台湾成功大学游保杉教授等人创造性地采用区域化流量历时曲线率定法,利用所推求的区域化流量历时曲线作为水文模型的拟合目标,率定无资料地区的参数,实现了无资料地区径流模拟。作为该法应用的关键,区域化流量历时曲线精度直接关系到模型率定的精度。研究通过趋势拟合对推求的流量历时曲线在形态上进行校正且利用量级调整对曲线的量级大小进一步进行调整,逐步改进区域化流量历时曲线。以此,提高了区域化流量历时曲线率定法的精度,较好地实现了无资料地区日径流过程模拟。

松散耦合型洪水预报调度系统设计与实现

基于B/S构架的Web洪水预报调度系统在运行管理、安全性、跨平台通用性等方面有着明显的优势。构建基于B/S、C/S松散耦合型洪水预报调度系统,阐述了系统实现关键技术和系统集成与业务流程,介绍了系统在汉江、丹江流域应用实例,为基于Web的B/S洪水预报调度系统提供了新思路。

海河流域中小河流洪水预报系统设计与实现

中小河流突发性洪水具有流速快、预见期短以及分布广的特点,其对预报在广度和频度上提出了新的要求;分布式模型充分考虑了气候因子和下垫面空间分布不均匀性,采用更细尺度单元描述流域内部的水循环过程,满足了这种精细化预报的要求。研究围绕分布式水文模拟技术,以数字流域水系提取、分布式水文模型、BP神经网络误差校正、网络地理信息系统等一系列新技术手段为支撑,构建了海河流域中小河流洪水预报系统,为中小河流突发性洪水的预报预警提供了一个思路。

河槽汇流曲线法在北方中小河流水文预报的应用研究

作为一种"黑箱"河道演算方法,河槽汇流曲线具有原理简单,应用灵活的特点,应用研究结果表明:1若不考虑基流,进行陡涨陡落洪水演算时,利用马斯京根法所推求的河槽汇流曲线与马斯京根法的精度是相当的;2调整河槽汇流曲线上的值,能有效地模拟河道下渗,提高模拟精度;3曲线可模拟洪水滞后现象及流量分配过程;4河槽汇流曲线时段转换中,应用三次样条插值拟合S累积曲线可有效避免转换的河槽汇流曲线出现时段值"均化"现象,同时需对拟合中出现的凸形与凹形的"特殊"情况进行修正,以保证拟合S累积曲线的合理性。

基于云关联的河系相关水文站径流预报精度预测

径流预报往往具有"事后检验"效应,即一次预报的优劣只能通过事后的洪水进行检验。为了实现河系预报作业时下游预报结果的"事前检验",即在提供下游预报结果的同时提供预报精度(优劣)的定性估算,基于云模型,将2003～2006年期间15场"历史"洪水模拟精度划分为不同等级的概念,实现定量数据到定性概念的转换,通过Apriori算法建立"历史"洪水上下游控制站模拟精度的关联规则。2000～2002年间7场"检验"洪水的验证结果表明所提取的关联规则是可靠的,因而根据河系上下游串联特点,利用上游预报结果定性估算下游预报精度是可行的。

基于WebGIS的蓄滞洪区管理系统设计与实现

通过WebGIS技术、网络编程技术与数据库技术三者的有机结合,构建了基于ArcIMS的蓄滞洪区安全建设项目管理系统。系统采用ArcSDE空间数据引擎实现了空间数据与属性数据的无缝集成,基于负载均衡的分布式ArcIMS服务部署和AJAX异步网页交互技术提高了系统的可靠性及响应效率,获得了良好的用户体验。

黔北洞穴石笋记录的末次冰消期至早全新世百年～十年际气候变化

通过黔北三星洞2支石笋(编号:SX3-a和SX14)的25个高精度230Th年龄(测年误差≤76 a)和740个氧同位素数据,重建了末次冰消期至早全新世(16.82±0.04~8.29±0.03 ka B.P.)平均分辨率达10 a的亚洲夏季风演变历史。无论在千年尺度还是百年尺度,甚至是十年际气候事件上,三星石笋δ18O记录的季风气候与北高纬气候都存在耦合关系。然而,在波令-阿勒罗德(B?lling-Aller?d)时期,与格陵兰冰芯所记录的温度逐渐回冷的趋势相反,亚洲夏季风表现出逐渐增强的过程。太阳辐射能量的增加和越赤道气流的增强有可能是引起此时期夏季风增强的主要原因。在前北方期(11.7~9 ka B.P.)时,南极温度、大气CO2浓度和CH4浓度等在新仙女木(Younger Dryas,YD)结束后均达到最大值,而石笋δ18O记录表明在YD冷事件结束后,直到9 ka B.P.左右亚洲夏季风才达到最盛期。冰消期结束后,虽然太阳辐射能量已经达到高值,但直到9 ka B.P.之前,北美大陆仍然残留较大的冰盖,有可能对夏季风的增强起到一定的限制作用。另外,早全新世南极变冷同样有可能通过加强越赤道气流来影响夏季风气候。

基于DEM的入库洪水预报模型研究及系统开发

基于数字高程模型,考虑流域空间的变异性,建立数字高程流域水系模型,在此基础上对流域空间进行离散化,划分出产汇流计算子单元并计算各子单元面积权重。将构建好的数字高程流域水系模型与集总式流域水文模型-新安江模型相耦合,建立了基于数字高程模型的数字水文模型。采用客户服务器方式将该理论模型实现为水文预报计算机软件系统,并将该系统应用于全球能量与水循环亚洲季风试验强化观测区-淮河史灌河流域,对流域内梅山水库与鲇鱼山水库进行入库洪水预报实例研究。结果表明:构建的数字水文模型可以很好地模拟水库入库洪水过程,满足实时洪水预报精度的要求。这对充分利用现有空间技术和空间数据进行降雨-径流模拟并改进水文预报方法提供了研究途径。

BTOPMC模型与新安江模型在史河上游的应用比较研究

介绍了一个由TOPMODEL发展而来的基于栅格的分布式水文模型——BTOPMC模型。选取史河流域黄泥庄水文站以上集水面积为研究区域,在空间分辨率为30秒的数字高程模型数据基础上构建数字流域水系,基于IGBP全球陆面土地覆被数据以及FAO全球数字土壤数据运用BTOPMC模型和新安江模型分别对黄泥庄站1982年到1987年的日径流过程进行模拟。采用模拟与实测洪量比和确定性系数对两个模型的模拟结果进行比较分析。结果表明两个模型都能很好地模拟日径流过程,新安江模型有更好的模拟效果。

基于逐步回归分析的雨量信息插补计算和应用

以江西遂川江流域南溪站为例,在对日雨量历史资料分析基础上,采用逐步回归构建回归方程,插补欠缺资料站点的雨量信息,并基于GTOP30DEM数据构建数字水系划分子流域,采用以新安江模型为基础的分布式水文模型模拟日径流过程。结果表明,插补计算后的日雨量输入可靠,增加了降雨径流模型的输入信息,从而减少了水文模拟的不确定性,为解决资料短缺地区或雨量站部分年份缺测等提供了新途径。

新安江模型自由水容量参数栅格化方法研究

针对新安江模型中自由水蓄水容量参数SM反映土壤重力水蓄水能力并对地面径流和地下径流的比重起决定性的作用,利用土地覆盖资料及DEM数据获取流域林地面积比与坡度信息在SM、林地面积比、坡度三变量间作回归分析,分别建立一元、二元线性回归方程,将计算获得的各栅格SM应用于栅格化新安江模型中获得了较好的模拟效果,为无资料地区参数的确定提供了可行的方法,具有一定的新意。

衡阳市土地利用的生态安全评价

土地资源是人类赖以生存的资本,土地利用生态安全问题也日益被重视。文章以衡阳市为研究区域,依据湖南省和衡阳市统计年鉴数据,采用主成分聚类分析的方法对土地利用生态安全进行评价并分类。结果表明:耒阳市、衡阳县、衡南县、祁东县、常宁市、衡东县属于第一类,生态安全状况较好;衡山县、蒸湘区、雁峰区、珠晖区、石鼓区为另一类,生态安全状况有待改善;南岳区自成一类,生态安全状况较差。据此提出相应的生态安全调控措施与建议。