基于流域储水量精细化模拟的干旱指数构建及应用

为构建一种客观反映河道槽蓄量、水库蓄水量和土壤含水量联合亏缺的干旱指数,以秦淮河流域为研究区,基于500 m×500 m分辨率的VIC-FLASH模型,通过精细化模拟流域河道、水库和土壤中存储水量的变化过程,构建了标准化流域储水指数(SWSI),并应用SWSI对1980—2019年秦淮河流域历史干旱事件和干旱特征进行分析,验证了其可靠性和应用优势。结果表明:高分辨率VIC-FLASH模型可以较好地模拟流域储水量时空分布,流量过程模拟结果平均相对误差为10.6%,流域内6座水库实测与模拟蓄水量相关系数为0.53~0.86;SWSI可以准确识别干旱事件和反映区域干旱严重程度,干旱烈度与实际受旱面积的相关系数为0.88;1980—2019年逐日SWSI与标准化径流指数和土壤含水量距平指数的相关系数分别为0.89和0.98;SWSI不仅可以定量反映流域储水量的亏缺状态,而且可以更加客观地反映旱情时空演变过程。

基于通用模型平台的秦淮河流域水文预报技术探讨

秦淮河流域位于长江下游,其上游为山区、中游为平原、下游为感潮河网,流域内干支水系叶脉相连,水库、圩区、闸坝等水利工程众多,快速在线滚动洪水预报富有挑战。基于江苏省防汛抗旱预警调度智慧决策系统平台,研究了降雨径流、河段洪水演进、水库调洪等各类通用模型及其算法,考虑流域上游大中型水库及其调度影响,划分了适用于秦淮河水系特点的分布式预报单元,构建了秦淮河流域洪水预报模型,以2024年7月暴雨洪水前垾村控制断面为例进行验证。结果表明,利用在线通用模型算法能够实现快速洪水预报方案构建及其模拟计算,并且具备较好的准确度,可为秦淮河流域洪水预报与调度决策提供有力的技术支撑。

秦淮河流域降水汛期分配不均匀性分析

为探究秦淮河流域汛期降水不均匀性,本文以秦淮河流域内16个气象站点1978—2019年汛期逐日降水资料,利用反距离权重插值、气候倾向率、SPSS相关分析等方法对秦淮河流域汛期降水集中度P_(CD)和集中期P_(CP)进行分析。结果表明,1978—2019年,秦淮河流域汛期P_(CD)为0.09~0.57,呈不显著增加趋势,总的分布特征是中游高上下游低;P_(CP)波动范围为18.5~21.5旬,呈不显著延迟趋势,地域差异较小;汛期降水量与P_(CD)在流域内表现出一致正相关,而与P_(CP)基本呈负相关。多水年和少水年P_(CD)和P_(CP)空间分布差异较大。研究结果可为秦淮河流域洪涝灾害防治提供依据。

基于MIKE 11的秦淮河流域控制断面水质达标模拟

选取外秦淮河控制断面作为研究对象,构建秦淮河一维水环境数学模型(MIKE 11),模拟不同水文气象条件下多种引水工况和污染削减方案对水质改善的影响。结果表明:当上游来水为Ⅲ类水时,汛期污染量削减≥50%,非汛期污染量削减≥50%或秦淮新河调水量≥15 m^(3)/s可保证断面水质达标;在90%降雨保证率情景下,区域污染量削减≥50%或秦淮新河引水≥30 m^(3)/s,以及引水量≥15 m3/s和污染量削减≥25%的组合方案可保证断面水质达标。当上游来水维持现状时,非汛期需要增加区域污染削减率或秦淮新河引水量来保证断面水质达标。

基于DSR模型的秦淮河流域防洪能力变化及成因分析

为深入探讨流域防洪能力变化及其原因,基于驱动力-状态-响应(DSR)模型构建流域防洪能力变化分析模型,从驱动力、状态和响应3个方面对秦淮河流域社会经济发展、防洪能力变化和水利工程建设投资进行评价和分析。结果表明:秦淮河流域城市化建设在2010年之前发展迅速,2010年后发展速度放缓;人类经济建设的不断发展对流域防洪能力造成了一定破坏,但水利工程建设的不断投入使流域防洪能力得以提升并得到基本保障;河网调蓄能力仍持续下降,中小河道建设和管理维护工作仍需着重加强。

水文水力学结合的秦淮河流域洪水模拟与实时校正

针对以栅格新安江模型为代表的分布式水文模型在秦淮河流域洪水模拟预报中下游感潮河段应用精度受限的问题,以前垾村(秦)站为节点,上游采用栅格新安江模型计算产流,下游采用水动力学模型对受闸泵调度影响的感潮河段水位进行模拟,并采用K最近邻(K NN)法和反馈法对模拟结果进行实时校正。结果表明,采用K NN法校正后确定性系数为0.718~0.975,达到了乙等预报精度要求,可用于秦淮河流域洪水模拟预报。

城市化背景下年最大日径流演变及影响因素研究——以长江下游秦淮河流域为例

随着气候变化和人类活动的加剧,城市化地区水文过程受到较大影响,极端水文事件发生频率显著加大,探究城市化地区洪水演变和驱动机理对于防洪减灾具有重大意义。本文以长江下游快速城市化地区的秦淮河流域为例,分析了1987—2018年期间该流域年最大日径流的演变特征,构建多元线性回归模型和广义可加GAMLSS模型识别了关键驱动因子并量化其贡献作用。结果表明:(1)城市化背景下秦淮河流域年最大日径流呈现显著上升趋势,平均增长速率为14.77 m^(3)/(s·a),并于2001年发生显著突变。(2)汛期降水量和不透水面率是年最大日径流变化的关键驱动因素,最优模型显示前者贡献率超过了70%,表明了降水改变的决定性作用,而不透水面率贡献率超过20%则表明了下垫面的改变对年最大日径流演变存在显著影响。(3)不透水面的增加对年最大日径流和汛期降水量响应关系的影响程度从突变前的6.7%增加到突变后的10.4%,快速城市化已显著改变了流域降水-径流响应过程。研究表明,随着城市发展秦淮河流域的年最大日径流受到人类活动显著影响,洪涝威胁日趋增大,研究结果可为城市化地区防洪减灾提供一定参考。

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 m^(3)/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RMSE分别为-1.30%、1.58、0.856和133.91 m^(3)/s;3)流域土地利用变化导致不透水面积增加,流域平均CN值由2005年79.6增长至2020年80.2,而洪峰滞时则显著减少,由2005年的1 188.2 min降至2020年的835.04 min,造成洪水过程线由“矮胖”变“尖瘦”的趋势,峰现时间整体提前;4)城市化背景下流域不透水率增加,洪水洪量及洪峰流量都随不透水率的增加而增加,其中不透水率增加对小规模洪水的影响最显著。研究可为复杂条件下水文过程模拟、土地利用变化的水文过程响应及流域防洪减灾与综合管理提供理论参考与技术支撑。

秦淮河流域气象水文要素变化特征及径流变化归因分析

研究秦淮河流域气象水文要素变化特征及径流变化归因对该流域水旱灾害防御工作具有重要指导意义。利用秦淮河流域气象水文观测数据和遥感资料,采用β-z-h三参数综合指示法、联合突变检测法等分析该流域气象水文序列时空变化趋势、变异点和变异度,采用弹性系数法定量评估气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。结果表明:(1)秦淮河流域年平均气温和年径流深呈显著增加趋势,且未来仍将保持显著增长趋势;年降水量和参考作物蒸散量呈不显著增加趋势,且未来仍将维持微弱上升;年平均相对湿度呈显著减少趋势,且未来仍将维持显著减少。年降水量未发生变异,年平均相对湿度在2004年发生巨变异,年平均气温在1994年发生强变异,年参考作物蒸散量在2003年发生中变异,年径流深在2002年发生弱变异。(2)基准期(1981—2002年)和变化期(2003—2019年)秦淮河流域径流深与降水量呈显著正相关,与参考作物蒸散量、下垫面指数呈负相关;变化期较基准期参考作物蒸散量和下垫面指数弹性系数增大,而降水量弹性系数减小,下垫面指数的变化对径流增加贡献量较大(91.20%),表明人类活动引起的下垫面变化是径流增加的主要因素,起正贡献作用。秦淮河流域城市发展应充分考虑土地利用和覆被变化的水文效应,一方面保护滞蓄能力较强的耕地和林地,另一方面关注气候变化带来的防洪压力。

基于电路理论模拟秦淮河流域水域连通性

引入景观生态学中的电路理论方法,基于不同时期土地利用数据,模拟1995-2018年秦淮河流域的水域连通性;采用Landsat7,8影像数据,利用改进水体指数(MNDWI)提取流域水淹区域,分析水域连通性对洪涝灾害风险的可能影响。结果表明,2000年以来流域水域连通性破碎程度明显增加,甚至出现大范围空值区域;连通度密集出现低值碎斑的区域与卫星监测频繁出现水淹的区域相吻合;其中,南京主城区2000-2005年期间,水域连通性下降2.7%,同时水淹面积有一定涨幅,2005年之后南京主城区水域连通性有所改善;江宁区水域连通性在2010-2018年期间下降3.4%,水淹面积则增长近136.4%。研究表明,运用电路理论模拟流域水域连通性具有一定的实用性。

基于改进图论与水文模拟方法的河网水系连通性评价模型

为弥补图论法无法考虑水量动态传输能力的缺陷,在运用图论连通度理论评价河网水系连通状况的基础上,通过建立HEC_HMS水文模型模拟河道流量,构造表征河网水量交换能力的连通因子,构建了基于改进图论与水文模拟方法的河网水系连通性评价模型。秦淮河流域河网水系连通状况实例评价结果表明,秦淮河流域水系连通度由2000年的0.0044下降至2010年的0. 0029,且2010年水系连通度水平不高,符合实际情况,模型评价结果合理可靠。

高度城镇化地区河网水系生态调控方案

为探究长三角高度城镇化地区河网水系生态调控方案,以秦淮河流域下游地区水系为例,采用生态功能设定法,计算了各河段生态水位和生态流量。通过构建一维水量水质模型,在枯水年非汛期水量调控及截污措施协同驱动下,对水位、流量及污染物浓度的时空分布特征进行多情景数值模拟,并对生态水量保障率及水质改善效果进行评估。结果表明,水位调控措施对水质改善作用非常有限,无法保障河道生态基流需求;引水措施的调控效果较为明显,但水质改善率增幅随引水流量增加而下降;截污措施的水质改善效果优于水量调控方案,但存在显著的空间异质性,且无法提高生态基流保障率;将截污措施与引水措施结合,是满足城市水系生态水量及水质要求的最佳选择。

数字流域信息共享模式构建

数字流域建设涉及的数据包括流域空间数据、各种水专题数据以及与之相应的社会经济统计数据.这些数据的生产、存放散落在不同的管理部门,具有海量、异构、多尺度特性,原有的通过数据拷贝整合来进行大一统的数字流域建设的模式,在我国目前条块分割的行政体制下难以取得实质性进展.为此,通过对数字流域信息共享模式的研究,探讨了在目前技术条件下进行流域信息共享的可操作性,结合流域实际情况提出了一种利用Web API的新的流域信息共享模式,并以秦淮河流域为例对该流域信息共享模式进行应用试验,验证了该流域信息共享模式的正确性及有效性.

基于LUCC的秦淮河流域暴雨洪水响应分析

利用CA-Markov模型预测流域2028年土地利用情况,设置3种土地利用情景(自然发展情景、林地限制情景、水田限制情景),建立研究区HEC-HMS水文模型,研究秦淮河流域高速城市化背景下土地利用变化的暴雨洪水响应机制。结果表明:(1)HEC-HMS模型适用于研究区洪水模拟及不同土地利用情景下的洪水响应研究;(2)洪水规模越小,对土地利用变化的洪水响应越强;(3)随着流域城市化的演进,土地利用对暴雨洪水的影响程度呈增大趋势,其中自然发展情景下的增加程度最大,水田限制情景次之,林地限制情景最低。研究成果为秦淮河流域LUCC的暴雨洪水响应分析提供了新的思路,也对流域防洪规划与建设有一定的指导意义。

秦淮河流域城镇用地增长格局及其演化机制——秦淮河流域江宁段实证

利用四期遥感TM数据和GIS技术,通过分析20年秦淮河流域城镇用地增长格局及其演化机制,为流域综合管理和模拟提供重要参数,研究结果表明:①城镇用地增长显示阶段性和空间的不均匀性,增长拐点发生在1994年和2000年,空间上表现出增长“热极”与“热带”;②城镇用地增长阶段性是经济社会过程及驱动因子演化阶段的反映,回归分析显示城镇用地增长与城镇人口、经济总量及开发区发展相关系数高,这归于1992年开发区创建、投资增加与2000年撤县设区驱动的结果;③城镇用地增长格局变化是社会经济物质载体演化的体现,1992年后开发区成为城镇用地增长首要来源,2000年后东山新市区与大学城成为其增长核心和新形式,机场与高速公路网强化对城镇用地的空间导向。研究结果较客观地刻画了城市化格局与过程的演化规律,参数应用与数据精度的提高是今后研究的重点。

基于CA-Markov模型的秦淮河流域土地覆盖格局模拟预测

以秦淮河流域为研究区,以2006和2009年ETM+图像土地覆盖分类结果为输入数据,采用CA-Markov模型,模拟预测研究区未来的土地覆盖格局。在模型建立过程中,通过Markov模型求出转移概率矩阵和转移面积矩阵,确定CA模型转换规则,限制CA模型迭代次数。利用CA-Markov模型模拟预测研究区2012和2018年土地覆盖格局,并采用2012年实际土地覆盖分类结果验证预测精度,得到2012年各土地覆盖类型栅格数预测误差均小于等于6.5%,空间位置预测精度达到76.5%。预测结果表明,2018年研究区水田比例将降为33.3%,不透水面比例将达31.1%,其中多数水田转变成为不透水面,南京城区、禄口镇、句容市、溧水县等城镇地区的不透水面明显扩张。该方法可以对秦淮河流域的土地覆盖动态监测以及可持续发展提供依据。

基于HEC_HMS水文模型的秦淮河流域圩垸式防洪模式洪水模拟

圩垸式防洪是我国东部平原水网区和一些中等流域的普遍防洪模式.构建秦淮河流域考虑圩垸的HEC_HMS水文模型,对流域进行降雨径流模拟.比较分析了有圩垸及无圩垸防洪模式对流域洪水的影响.结果表明,HEC_HMS模型应用方便,对秦淮河流域具有良好的适用性,可用于对流域的洪水过程进行模拟预报.秦淮河流域圩垸式防洪较无圩垸式防洪洪量削减均值超过10%、洪峰削减均值超过10%,有效地削减单次洪水的洪量及洪峰.洪水规模越小,圩垸对洪量的影响越显著.本文考虑的圩垸分布情况,圩垸式防洪模式对于流域防洪起到了积极作用.

参数变化对HEC-HMS模型流域洪水模拟结果的影响

为分析圩院式防洪模式对流域防洪的影响,以秦淮河流域为研究区,构建HEC-HMS水文模拟模型,分析不透水率、允许水深、排涝模数的变化对流域洪峰和洪量模拟结果的影响。研究结果表明:随着流域不透水率从20%增大至70%时,圩垸式防洪模式下流域洪量和洪峰均呈现增大趋势;当圩垸允许水深增大时,圩垸式防洪模式下流域洪量呈递减趋势,而流域洪峰呈递增趋势;随着排涝模数的降低,流域的洪峰和洪量呈递减趋势。研究成果对秦淮河流域及相似流域的HEC-HMS模型洪水模拟及参数设置具有借鉴和指导意义。

秦淮河流域汛期气候变化及其对径流的潜在影响

采用小波分析法和Mann-Kendall非参数检验方法,分析了1961~2013年秦淮河流域汛期气温和降水序列的趋势和周期变化特征以及2000~2013年流域汛期气温、降水及径流的变化趋势。结果表明,近50多年来秦淮河流域汛期气温和降水都呈上升趋势;但只有气温的M-K检测结果通过了显著性检验,表明汛期气温变化显著,而降水变化不显著。汛期气温存在5、9和15 a的变化周期,汛期降水存在10、14、24 a的变化周期。2000~2013年流域汛期气温、降水和径流呈上升趋势;但其M-K检验结果均未通过显著性检验,表明近10 a来汛期气候变化不显著,且汛期径流变化也不明显。

秦淮河流域水系结构及连通度变化分析

为定量分析城镇化所导致的河网结构及水系连通变化,通过计算1990年、2000年、2010年和2015年4个时期秦淮河流域的河网密度、水面率、河网复杂度、河网稳定度、河网连通度、水文连通度,得出秦淮河流域水系结构演变过程及连通度变化规律,并运用统计学方法得到水系结构指标与水系连通度之间的联系。结果表明:近25年来,秦淮河流域河网密度、水面率均呈不断减小趋势,河道呈现主干化特征,流域河网整体规模呈萎缩趋势,水系连通变化与河网结构变化总体趋势一致,均呈降低趋势,且其变化与水面率、河网密度和河网复杂度具有显著相关性。