基于MIKE的滨海城市内涝模拟及深隧工程排涝效果评估

在暴雨及风暴潮等极端气象水文条件潮位影响下,快速城市化的滨海地区内涝问题日益凸显。以粤港澳大湾区深圳市西部为研究区,耦合一维河道洪水模型及管网排水模型和二维地表漫流模型,模拟极端降水和典型风暴潮条件下城市内涝淹没过程,开展内涝风险分级,评估深隧工程排涝效果。结果表明:MIKE多模型工具相结合能够较好地模拟城市内涝形成过程及淹没特征,引入概率矩阵法能够更清晰地揭示内涝风险等级之间的变化。极端气象水文条件下的滨海城市内涝淹没呈现快涨缓退特征,设计50年和100年一遇2 h极端降水下的内涝风险区面积分别为4.24、5.04 km^(2),其中1级到4级风险区范围的相对比例分别约为0.9:37.5:28.5:33.0和4.0:33.7:26.8:35.5,考虑深隧工程排涝的淹没范围分别减少了17.0%和13.4%、内涝风险区面积分别减少了28.8%和30.2%、典型易涝点的淹没持续时间缩短了60.0%~80.8%。大部分地区的内涝风险等级显著下降,深隧工程改善排涝效果明显。

亚热带典型森林下垫面大气层结变化规律及其对潜在蒸散发估算的影响

为评估忽略大气稳定性对潜在蒸散发(Potential Evapotranspiration,PET)估算的影响,本文以亚热带森林下垫面为例,结合涡动相关观测及莫宁-奥布霍夫相似原理,探讨了冠层上方大气层结变化规律,比较了基于中性假设和考虑大气稳定性影响的PET之间的差异。结果表明:①中性、稳定和不稳定3种大气层结具有明显的日内与季节变化特征,不稳定层结在中午居多,稳定层结在早晨和傍晚居多,而中性层结在昼间均有分布;同时,春夏两季的不稳定层结高频时段较长,而秋冬两季相对较短;总体上,观测期内不稳定、中性和稳定3种层结平均占比分别为41.4%、34.7%与24.0%。②基于中性假设的空气动力学阻力估算方法在一定程度上高估了空气动力学阻力,导致PET存在低估现象(RMSE=25.82 W/m^(2)),且误差偏离随着PET增大而愈加明显。③在当地条件下当量空气动力学阻力r_(a)与风速呈显著的指数关系(r_(a)=7.83u^(-2.92)+32.66,R^(2)=0.50,P<0.05,N=394),基于该关系估算的PET相对于中性假设而言具有更高的精度(R^(2)提高了3.26%,RMSE降低了19.83%)。

极端降水影响下粤港澳大湾区城市洪涝人口暴露度预估

通过构建基于多维条件概率模型的城市洪涝人口暴露度评估方法,以粤港澳大湾区珠三角九市为研究对象,开展了2030—2100年中度温室气体排放情景(SSP2-4.5)的气候变化和不同降水强度情景下,受城市洪涝威胁的人口暴露度的预估分析。结果表明,在中等强降水情景下,未来粤港澳大湾区城市受洪涝威胁的最大人口暴露度将超过6000人/km^(2);在极端暴雨情景下,受城市洪涝威胁的最大人口暴露度可达到8000~12000人/km^(2)。此外,在极端暴雨影响下,未来广州西部、广州与佛山交界区域、深圳大部分区域和东莞与深圳交界区域将始终是粤港澳大湾区受城市洪涝威胁的人口暴露高风险地区,平均人口暴露度高达3500人/km^(2)以上。以上研究结果可为制定未来粤港澳大湾区综合防洪策略和提升城市洪涝安全韧性水平提供科学依据。

变化环境下东江流域水文干旱特征及缺水响应

在干旱事件不确定性和枯期径流变异性的双重影响下,水文干旱特征时序非一致性问题为其联合分布模拟带来困难。基于东江干流测站日径流过程数据,采用游程理论提取水文干旱事件,并结合干旱特征均值变化、时序一致性分析及边缘分布模拟,以确定干旱事件融合及剔除评判标准的合理取值。基于Rosenblatt变换Cramer-von Mises检验统计量拟合方法,构建水文干旱特征两变量联合分布Copula模型,并根据同频法设计两变量组合值。通过对比枯期径流变点分隔子序列干旱特征,分析变化环境下东江流域水文干旱特征及缺水响应。结果表明:水文干旱事件融合和剔除的评判标准值分别取0.1和0.3比较合理。干旱特征两变量之间具有较高的正相关性,但不同时间系列不同变量之间的联合分布及边缘分布最优模型并不一致。流域水库尤其是新丰江水库的径流调节作用,对于缓解东江中下游水文干旱效果明显,超阈联合重现期为2年的设计干旱持续时间、总缺水量和最大日缺水量分别减少了63%~71%、71%~84%和30%~47%,但如果要满足东江河道内最小管理流量目标,其依然分别达到了12~18 d、6 114万~9 030万m^3和715.0万~929.0万m^3。

东江径流年内分配特征及影响因素贡献分解

基于1956～2009年实测径流、天然径流和面降水的月系列,选用集中度和不均匀系数,分析东江径流年内分配特征的时空变异规律。通过对比降水和径流年内分配特征指标的阶段变化差异,量化分解气候变化、土地利用/覆被变化、水利工程水量调节和用水消耗等主要因素对东江径流年内分配特征变化的影响贡献。结果表明:东江实测径流的集中度和不均匀系数年变化过程均有显著下降趋势,且1973年为时序变点。降水及天然径流的年内集中程度阶段变化较小,但2000～2009年降水及天然径流的年内不均匀性要明显大于20世纪80年代和90年代。降水及天然径流的年内集中度和不均匀系数由上游向下游逐渐增大,显示集水面积越大降水及径流的年内集中程度和不均匀性越大。水利工程水量调节和土地利用/覆被变化降低了径流的年内集中程度和不均匀性,而用水消耗和气候变化增加了径流的年内集中程度和不均匀性。水利工程水量调节、土地利用/覆被变化、用水消耗和气候变化,对东江径流分配特征的影响贡献率分别约为-33.5%、-9.0%、4.5%和1.0%,新丰江水库、枫树坝水库和白盆珠水库的影响贡献率分别约为-21%、-10%和-2%,且近30年来土地利用/覆被变化和用水消耗的影响贡献有逐渐增加趋势。

珠江三角洲Copula径流模型及西水东调缺水风险分析

基于两变量Copula函数模拟、变点识别和均值平移时序重构方法,构建珠江三角洲西水东调工程受水区东江和水源区西江的枯水径流联合分布模型。以生态环境流量及最小流量管理目标为设计阈值,研究区域联合缺水风险特征及对变化环境的响应。结果表明:Archimedean copula的Clayton、Frank和GH模型,均能较好地模拟两区域枯水径流联合分布特征。变化环境下特别是流域内水利工程径流调节作用,东江枯水径流时序非一致性显著,均值跳跃明显,变点时间为1972年,最枯月径流量增加了65.5%。若要满足最小下泄流量管理目标,东江缺水风险率较高,为37.7%。与东江天然径流(还原系列)相比,在东江流域内水利工程影响下(还现系列),东、西江同时缺水风险率由35.8%下降到16.7%。但由于2江枯水径流的正相关性,西江有水可调保证率也由54.8%下降到21.0%。在已知东江缺水情形下,西江有水可调保证率(55.8%)仅略高于西江缺水风险率(44.2%)。因此,珠江三角洲西水东调工程运行,需要科学设计更为精细的水资源调度规则。

滨海城市雨潮遭遇联合分布模拟与设计

滨海城市河流常常遭受暴雨和潮汐顶托双重影响导致洪涝灾害,需要重视雨潮遭遇联合分布模拟与设计。以深圳市西乡河为例,采用年最大值法(AM)和超定量序列法(POT)两种选样方法,基于Copula方法模拟24 h暴雨遭遇日高潮位的联合分布特征,对比雨潮遭遇传统重现期和二次重现期差异,根据同频法和权函数法反推计算雨潮设计组合值。结果表明:雨潮边缘分布最优模型均为广义正态分布(GNO),不同选样方法雨量分布模型参数差异明显。雨潮之间呈现较弱的正相依性,Archimedean Copulas均能较好地模拟雨潮遭遇联合分布特征,最优模型为Gumbel-Hougaard Copula。同频法反推雨潮设计组合值,二次重现期雨量和潮位均大于传统联合重现期,POT选样的潮位大于AM。权函数法选出的雨潮设计组合值,偏重于较高的潮位,雨量设计值较小。当明确了选样方法、联合分布模型和重现期类型,给定联合重现期的雨潮设计组合值是个此消彼长的过程,若选择较大的雨量设计值,则潮位值变小,反之亦然。从防洪潮设计安全角度考虑,POT选样方法及二次重现期设计更为安全。

水文干旱多变量联合设计及水库影响评估

基于东江流域博罗站月径流数据,采用游程理论提取水文干旱事件.选用Meta-Gaussian Copula函数,统计模拟水文干旱指标的多变量联合分布.采用Kendall联合重现期和最大可能权函数,设计给定联合超越重现期的水文干旱指标组合值,并定量评估水库径流调节作用对水文干旱多变量联合特征的影响.结果表明:东江流域水文干旱历时、强度和峰值的统计优选分布均为韦布尔分布.干旱指标之间具有较高的正相关性,Meta-Gaussian Copula能够很好地模拟水文干旱指标两变量和三变量联合分布.基于任意两个变量联合设计和三变量联合设计,干旱指标设计组合值位于同频位置附近,且同一个干旱指标设计值在不同变量组合之间差别较小.水库径流调节作用对于缓解东江流域水文干旱效果明显,同一组干旱指标的多变量联合超越重现期在水库影响下明显变大.联合超越重现期越小,水库对联合设计值的影响程度越大.根据目前水库运行模式,若要满足河道内最小管理流量目标,联合超越重现期10 a一遇的干旱历时、强度和峰值依然达到了约3.89~4.04月、7.20~7.97亿m3和2.99~3.12亿m3.

时段长取值变化下的径流年内分配特征研究

利用东江流域控制站博罗站1954—2009年日平均流量资料,选取集中度、集中期、不均匀系数和极值比4项指标,研究了河川径流年内分配特征,在不同时段长取值下的变化规律及年际变化特征。结果表明:东江径流年内分配的集中程度及时间,基本上不会受到时段长取值大小变化的影响。集中度多年均值为0.35,集中期多年均值出现在7月上旬。径流年内分配不均匀性和变化幅度,随时段长取值缩短而增大,并与时段长的对数线性负相关。不均匀系数多年均值由基于月平均流量分配的0.62上升到基于1 d平均流量分配的0.89,极值比多年均值由基于月平均流量分配的8.63上升到基于1 d平均流量分配的39.55。径流年内分配特征在不同时段长取值下的逐年变化规律基本相似,但由于流域水资源开发等人类活动的显著影响,1973年之后的集中度、不均匀系数和极值比均明显减小,且径流年内分配的集中程度和不均匀性均要小于珠江流域的另外两大水系西江和北江。

区域河川径流量时空变异特征及成因分析——以广东省为例

运用最大似然比和西沃兹信息标准的变点识别方法,对广东省主要江河1956-1999年的年径流量、汛期径流量、枯水期径流量和最小月径流量的年序列,进行均值变点和方差变点识别,得出径流量特征值存在变点的序列类型、时间位置、空间分布及时序变点前后的特征值变化状况,结合广东省降雨量序列变点识别、水利工程设施建设等气候和人类活动影响因素的分析,以揭示广东省河川径流量时空变异特征及主要成因.结果表明:广东省河川年径流量和汛期径流量序列的一致性较好,而枯水期径流量和最小月径流量序列的特征值变点具有普遍性,年均值明显增加,年际离散程度增大.枯水期径流量序列均值变点的典型时间位置为1973年和1980-1981年,分布于西江支流贺江、东江、粤东沿海螺河,由水库等蓄水工程的径流调节作用而形成;方差变点的典型时间位置为1981年,主要分布于北江、韩江、粤西鉴江、珠江三角洲的增江及网河区顶部干流水道,与特丰年1982年的枯水期大量降水有关.最小月径流序列主要为均值变点,不同河流的变点时间位置有较大差异,但多集中在1972-1973年,分布于西江支流、东江、韩江及粤东沿海河流、珠江三角洲的增江.珠江三角洲顶部的北江干流水道的径流量变异尤其典型,四种径流量序列均存在均值变点和方差变点,典型时间位置为1980-1981年和1992-1993年,是由网河区剧烈的人类活动改变了河道分流比所导致.

基于秩统计量的枯水期径流时序变点的非参数识别

本文提出了枯期径流时序变点的识别原理和基于秩统计量的非参数识别方法,该方法能很好地解决分布函数难以确定时的时序变点识别问题。以东江流域为例,对其干流的枯期径流量年系列(1957—2000年)进行了变点识别,结果显示1974年为东江流域枯期径流的显著性时序变点。通过对比分析变点前后的统计参数,1974年后的东江流域枯期径流量年均值明显增加,年际变化的离散程度增大。

基于PPCC检验法的枯水径流概率分布选型研究

根据广东境内主要河流控制断面20个站点1956～2000年避月径流资料，采用PPCC检验法对其月枯水径流的五种理论分布模式进行对比分析。检验结果显示了P-Ⅲ分布、LP-Ⅲ或EV-Ⅰ分布对于广东主要河流的月枯水径流量均拟合较好。可以作为业务水文计算线型。

东江径流年内分配不均匀性的年际变异识别

基于变异性识别原理,采用均值变点识别的最大似然比法和方差变点的西沃兹信息准则法,以广东省东江为例,考虑流域内三大水库的影响,构建径流年内分配不均匀系数年际变化的实测序列和还原序列,研究河川径流年内分配的变化特征及其变异状况。结果显示:与还原序列相比,东江实测径流年内分配不均匀系数多年均值明显下降,介于0.47～0.63;年际变差系数却明显增大,介于0.34～0.48。不均匀系数的参数变点普遍存在,显著变点出现在1968年。与变点前相比,不均匀系数的多年均值和年际变差系数均明显下降,分别介于0.40～0.54和0.25～0.32。还原序列的不均匀系数不存在变点,但1968年仍为年序列的最大分割点。与分割点前相比,不均匀系数的多年均值变化不大,但年际变差系数均明显下降,而且下降程度大于实测序列。径流年内分配不均均匀系数的年际变异主要贡献来自于流域3大水库的径流调节,同时也存在其他因素影响着不均匀性的年际变化幅度。

基于西沃兹信息准则的水文时序方差变点识别

本文提出了基于西沃兹信息准则的水文时序方差变点的识别原理和方法,并以广东北江流域为例,对其主要河流的枯期径流量年系列(1957～2000年)进行了变点识别,结果显示1982年为该流域枯期径流时序方差的显著性变点。

水污染控制规划与GIS

在水污染控制规划中，总量控制是新手段，概率模型是新方法，ＧＩＳ是新工具。利用上述新手段、新方法和新工具，系统地介绍了水污染控制规划，初步探索了基于ＧＩＳ的水污染控制规划的实施途径。

从化市PREE协调发展的初步研究

世纪之交来临之际，人类社会的发展模式已倾向于可持续发展。区域可持续发展面临的问题是如何使PREE系统中各子系统协调发展。为了使区域可持续发展具有可操作性，量化是关键。文中从从化市区域PREE系统分析入手，借助于协调度（H）对从化市区域可持续发展进行协调判识和评估。

从化市自然地理环境二元结构的探讨

本文主要通过从化市自然地理环境调查,重点分析从化市自然地理环境的空间二元分异特征,建议该市今后在制定社会、经济发展战略时可以考虑二元结构,因地制宜发展本区两大子经济块。

基于马尔科夫链模型的鄱阳湖流域水文气象干旱研究

基于气象和水文干旱的二维变量干旱状态基础上,通过一阶马尔科夫链模型对二维变量干旱状态进行频率、重现期和历时分析,建立水文气象干旱指数,从干旱灾害形成、演变和持续3方面对干旱灾害进行研究,同时预测未来6个月非水文干旱到水文干旱的概率.结果表明:(1)修河流域在干旱形成中危害大,抚河流域和修河流域在干旱演变中危害大,赣江流域和饶河流域在干旱持续中危害大;(2)鄱阳湖流域状态4(气象、水文干旱)发生的频率最高,为0.30,连续湿润或者干旱的概率最大,湿润状态(状态2)与水文干旱(状态4、状态5(气象湿润、水文干旱))的相互转移概率最低;(3)在长期干旱预测中,鄱阳湖流域从状态2转到状态4和状态5的平均概率为0.11,属最低,而状态1(气象、水文无旱)和状态3(气象干旱、水文湿润)到达状态4的概率为0.23,发生概率最大.修河流域在非水文干旱状态下未来发生气象、水文干旱状态的平均概率为0.28,是"五河"中最高的,而赣江流域在正常或者湿润状态下未来发生气象、水文干旱的概率最低,为0.18,该研究对于鄱阳湖流域水文气象干旱的抗旱减灾具有重要理论与现实意义.

多目标系统模糊优选理论在城市饮用水源地选址中的应用

以佛山市新饮用水源地选址为例,通过综合分析,提出了城市饮用水源地选址的9个特征指标,包括水量、水质、输水距离、投资等4个定量指标和河道地形、水源保护的难易度、对经济发展的影响程度、水源污染风险、对航运的影响程度等5个定性指标。采用专家评估法将定性指标量化,并将量化后的定性指标和定量指标耦合,应用多目标系统模糊优选模型,优选出了佛山市的新饮用水源地,取得了良好的应用效果。

一个水质风险率计算的随机模型

将水质当作随机变量 ,基于随机点过程理论 ,构造了水质超阈值风险分析的成丛随机点过程复合 (CSPPC)模型 ,并应用于深圳市深圳河河口段水体DO、COD浓度超阈值的风险率估算 ,由实际资料对该河段水体DO、COD浓度超阈值点过程的分布进行了拟合优度试验 ,获得满意计算结果 .