伊犁河三角洲水资源条件变化对景观格局演变的影响

在分析1992—2020年伊犁河三角洲水资源条件和定量评估研究期内土地利用变化的基础上,选取景观类型水平和景观水平指数解析景观格局变化特征,采用皮尔逊相关系数分析了水资源条件变化对景观格局指数的影响。结果表明:乌斯热尔玛水文站年径流总体偏大,巴尔喀什湖年平均水位在2002年发生突变,三角洲水资源补给总体处于增加状态;湿地和稀疏植被面积增大且聚集性增强,裸地向稀疏植被转化且优势度不断下降,林地破碎程度剧烈;景观水平指数在时程上呈阶段性变化,2016年伊犁河三角洲破碎化程度最低,在空间上伊犁河沿岸连通性增强,巴尔喀什湖沿岸景观多样性增加;景观水平指数与巴尔喀什湖年平均水位相关性最高,与乌斯热尔玛水文站年径流量的相关性次之,与伊犁河三角洲年降水量的相关性最低,且景观水平指数对三角洲水资源条件变化存在迟滞响应。

粒子群优化极限学习机模型在河南省干旱预测中的应用

干旱预测是提高防旱抗旱能力的重要非工程措施。在评价不同时间尺度标准化降水蒸散指数(SSPEI)对河南省干旱识别能力的基础上,以能有效表征河南省干旱状况的SSPEI为模型输出,以基于信息变化率和条件互信息的特征变量选择方法(ICR-CMIFS)筛选得到的河南省主要致旱气候系统指数为模型输入,构建了基于粒子群算法优化极限学习机(PSO-ELM)的干旱预测模型,通过对比该模型与标准极限学习机(ELM)、差分进化算法优化极限学习机(DE-ELM)模型的干旱预测结果,验证PSO-ELM模型在河南省干旱预测中的适用性。结果表明,SSPEI-3能有效识别河南省典型干旱事件,从时间和空间上可较准确地反映河南省干旱状况;ICR-CMIFS筛选出的河南省主要致旱气候系统指数为西太平洋副高面积指数和NINO指数;PSO-ELM模型能较准确地预测河南省干旱,且预测精度优于DE-ELM模型和标准ELM模型,在河南省干旱预测中具有较好的适用性。

基于SWMM模型的南京典型易涝区暴雨内涝模拟

选取南京市易涝区—鼓楼区广州路段为研究区,构建基于SWMM的一维雨洪模型,利用南京市2011年“7·18”暴雨资料,模拟暴雨形成的内涝情况,拟合地表积水量与最大积水深度的函数关系,计算得到易涝区积水开始时间、积水持续时间、最大积水深度,并与南京市100年一遇设计暴雨形成的积水过程进行比较。结果表明:提出的快速推算最大积水深度的方法能够较高精度地实时动态计算研究区“7·18”暴雨形成的积水过程,及时有效支撑防洪除涝应急决策;相较于“7·18”暴雨,100年一遇设计暴雨形成的易涝区最大积水深度更深,积水持续时间更长。

基于系统微分响应的暴雨强度公式参数优化

暴雨强度公式参数的优化求解本质是一个高维非线性优化问题,目前常采用的优化求解方法是在以误差平方和为目标函数的基础上通过智能算法优化求解参数。为研究这类方法的合理性,通过随机抽样、参数空间网格化方法分析了常用暴雨强度公式参数求解方法的局限性,评价了常用智能算法的参数优化能力,进而提出了基于系统微分响应的暴雨强度公式参数优化方法。结果表明:以均方误差作为目标函数对非线性函数求解参数会增加额外参数解;在没有有效确定参数范围的情况下,随机抽样很难获得满足精度要求的参数样本,在有效确定参数范围后,目标函数的响应面上仍会存在无穷多个局部最优值,且很多局部最优的目标函数与全局最优近乎相同;以粒子群算法、SCE-UA算法为代表的随机搜索优化算法会因为参数初始取值范围过大、目标函数响应面局部最优参数解数量过多等问题而难以获得参数真值;提出的基于系统微分响应的暴雨强度公式参数优化方法能够快速寻找到参数真值,不仅效率高且能够避免陷入局部最优。

北京市下凹式立交桥区低影响开发效果模拟

北京市下凹式立交桥等低洼区的内涝治理是防洪减灾工作的重点与难点。以北京市北三环安华桥桥区为研究对象,构建桥区一维雨洪模型,利用反映北京市不同雨强、由暴雨强度公式与芝加哥雨型公式推求得到的不同重现期设计暴雨,模拟低影响开发(LID)措施实施前后桥区的积水情况,从积水开始时间、积水持续时间以及积水深度3个方面分析了LID措施的洪涝防控效果。结果表明:LID措施对下凹式立交桥区内涝具有一定的防控作用,但随着暴雨重现期的显著增加,LID措施的洪涝防控效果明显减弱。研究成果可为海绵城市建设提供参考。

淮河上游土地利用变化对流域蒸散发能力影响研究

土地利用变化对蒸散发的影响是水文等相关领域研究的热点问题。选取淮河上游息县流域作为研究对象,基于1995年和2000年土地利用资料分析土地利用变化,应用分布式双源蒸散发模型计算基于网格的蒸散发能力,分析土地利用变化对不同典型年不同时间尺度蒸散发能力的影响。结果表明:从1995年到2000年,30%流域面积的土地利用发生了变化,其中水田转变为旱地占比最大;发生蒸散发能力变化的大部分网格的季尺度蒸散发能力在不同典型年均呈现不同程度的减小,且夏季最为显著;发生蒸散发能力变化的大部分网格的年尺度蒸散发能力在不同典型年也均呈现不同程度的减小,且减小幅度依枯水年、平水年、丰水年递减。研究成果可为变化环境下水循环演变研究提供支撑,对水土地资源的开发利用也具有参考价值。

基于多维Copula函数的淮河上游气象干旱特征分析

针对单变量干旱特征分析不能很好地表征干旱事件特征的局限性,论文以淮河上游息县以上流域为研究区,利用42个雨量站1976-2016年逐日降水资料计算气象干旱指数SPI,采用游程理论提取干旱历时、烈度以及烈度峰值三个干旱特征变量,并基于4种对称阿基米德Copula函数构建它们的二维和三维联合分布模型,用于推求其组合重现期。结果表明:三参数伽马分布拟合干旱历时的边缘分布最优,而三参数韦伯分布则拟合干旱烈度以及烈度峰值的边缘分布最优;Frank Copula函数拟合二维和三维干旱特征变量的联合分布最优,由此推求得到组合重现期中联合重现期可作为同频率条件下单变量重现期的下限,同现重现期可作为单变量重现期的上限。研究成果可为淮河流域的防旱减灾和其他流域干旱特征分析提供参考。

基于暴雨衰减特性的上海市长历时综合暴雨公式

编制适用于不同历时的综合暴雨公式是协调城市管网排水与区域防洪治涝的重要基础。选用上海市代表雨量站徐家汇站65 a实测雨量资料,建立不同重现期暴雨强度与历时关系,解析暴雨衰减规律,编制单一重现期暴雨公式,结合雨力公式推求适用不同重现期的长历时综合暴雨公式,并推导出暴雨重现期公式。结果表明:不同重现期1~24 h历时暴雨强度均以0.74的衰减指数衰减,据此推求的长历时综合暴雨公式可计算1~24 h任意历时、2~100 a任意重现期的设计暴雨,且平均相对和平均绝对均方根误差分别为1.9%和0.009 mm/min,符合规范要求;暴雨重现期公式可估算1~24 h历时内任意场次暴雨的重现期,高效地服务于城市洪涝防治决策。成果已纳入上海市治涝地方标准,对其他城市具有参考价值。

标准化综合干旱指数在北汝河流域干旱评价中的应用

河南省北汝河流域频发的干旱灾害严重影响工农业生产和人民生活,分析评价干旱旱情对指导抗旱救灾、减轻干旱灾害损失具有重要意义。采用新安江模型模拟计算北汝河汝州站以上流域1985~2016年日尺度径流深、蒸散发、土壤含水率,对其月尺度值与月降水量进行核熵成分分析,构建综合干旱指数,在对比分析不同分布函数拟合优劣的基础上选取拟合最优的对数逻辑斯特分布函数对综合干旱指数进行标准化得到标准化综合干旱指数;基于标准化综合干旱指数分析流域1985~2016年干旱情势演变,并与标准化降水指数和降水距平百分率的评价结果进行比较。结果表明,北汝河流域1985~2016年干旱事件发生频率呈增加趋势;标准化综合干旱指数对轻度干旱事件更为敏感,能较好地反映流域干旱特性及典型干旱事件的演进过程。研究结果为北汝河流域抗旱减灾提供了科学支撑,亦对其他地区干旱评价具有借鉴意义。

基于经济新常态的长春市水资源开发利用潜力评价

以长春市为研究对象,基于未来经济处于新常态的发展态势,构建包含水资源、社会、经济、生态环境4个子系统的评价指标体系,并确定各指标的评价等级标准;基于模糊数学理论以及层次分析法构建包括目标层、准则层、指标层的3层模糊综合评价模型,以2015年为现状水平年,应用模型对长春市水资源开发利用潜力进行综合评价。结果表明:长春市水资源开发利用程度处于中等偏上水平,各辖区水资源开发利用规模不平衡,可通过产业结构调整提高全市用水效率,为经济持续增长提供保障。

镇江市降雨场次划分与暴雨特性分析

为划分镇江市降雨场次和分析暴雨特性,基于丹徒站1981—2016年汛期5—10月的逐分钟降雨资料,确定了降雨间隔时间,筛选了暴雨场次,分析了汛期各月暴雨次数和暴雨量的变化特性,解析了不同历时和不同强度暴雨的演变规律。结果表明:镇江市合理的降雨间隔时间为2 h;汛期总暴雨次数呈略微上升的趋势,总暴雨量以每10年43.4 mm的速度增加;汛期暴雨主要集中在6—8月,其暴雨次数占汛期总暴雨次数的73.0%,其暴雨量占汛期总暴雨量的73.5%;7月和8月的暴雨量及其对总降雨的贡献率呈增加趋势,其他月份呈减少趋势,暴雨集中度增强;不同历时的暴雨中,一般暴雨占比最大,特短、短暴雨次数增长趋势显著,且特短暴雨的强度呈增加趋势;不同强度的暴雨中,弱暴雨占比最大,中、强暴雨次数均有不同程度的增长。

基于遗传算法优化极限学习机模型的干旱预测——以云贵高原为例

为准确预测干旱情势,提高防旱抗旱能力,构建了遗传算法优化的极限学习机(GA-ELM)模型进行干旱预测。以近年来干旱频发的云贵高原为研究区,利用该模型以关键致旱因子为输入变量实现了云贵高原中长期干旱预测,并与自适应神经模糊推理系统(Adaptive Neural Fuzzy Inference System,ANFIS)模型、极限学习机(Extreme Learning Machine,ELM)模型的预测结果进行比较。结果表明:GA-ELM模型适用于云贵高原地区的干旱预测;与ELM模型相比,不同时间尺度下GA-ELM模型的干旱预测结果精度均有明显提升;在干旱强度和干旱历时方面,GA-ELM模型的预测精度总体上也优于ANFIS模型。

镇江市中长历时设计暴雨计算

基于丹徒站1981—2016年长系列实测降雨资料,采用Mann-Kendall检验分析了3 h、6 h、12 h、24 h共4种中长历时的年最大降水量的变化趋势,采用模糊识别法识别了4种历时暴雨的雨型特征,并基于优选得到的分布函数计算不同历时、不同重现期的设计面雨量;依据5场典型场次暴雨,分别应用同频率法和P&C(Pilgrim&Cordery)法推求相应的设计暴雨过程并进行了对比分析。结果表明:4种历时的年最大降水量虽均呈现不同程度的增加趋势,但仅6 h和12 h的年最大降水量通过了90%的显著性检验;4种历时暴雨的雨型均以雨峰偏前的单峰型为主;P-Ⅲ型分布函数在降雨频率分析中拟合最优;与P&C法相比,同频率法推求得到的设计暴雨过程峰值更大,有利于保障防洪安全。

北部太湖DO、pH时空变化及其与叶绿素a的相关性分析

基于北部太湖贡湖、梅梁湾、竺山湖2013~2018年湖泛期逐日巡查数据和2013~2018年各月监测数据,采用频率曲线等方法分析了三湖湾溶解氧(DO)和pH的时空变化特征,利用相关分析法探讨了水体富营养化对DO和pH的可能影响。研究结果表明:(1)湖泛期多年平均DO竺山湖(7.41mg/L)<梅梁湾(8.62mg/L)<贡湖(8.80mg/L),但在P≥95%时,竺山湖的DO浓度往往更高;三湖湾DO日浓度的年际变化均不明显,但P≥95%频率区间的年际变化幅度较P<95%的更大;三湖湾DO日浓度的年内变化在P≤5%与P≥95%时明显大于5%<P<95%,且竺山湖的年内变化显著大于梅梁湾与贡湖;(2)湖泛期多年平均pH竺山湖(8.34)<梅梁湾(8.52)<贡湖(8.54),pH空间差异较小;P<95%时的pH年际和年内变化幅度均随频率降低而变大,其中竺山湖的pH年际与年内变化最剧烈,而梅梁湾与贡湖差异较小;pH在P≤5%与P≥95%时年内变化显著增大;(3)叶绿素a与DO仅在蓝藻暴发期有显著的正相关关系,而与pH在全年均有显著的正相关关系;(4)夏季水温较高可能是造成湖湾夏季DO偏低的主要原因,而pH夏季偏高可能主要受蓝藻生长的影响,三湖湾中竺山湖DO和pH年均值最低可能与其湖泛程度最严重有关。研究成果可为太湖北部湖湾的水质安全保护提供依据。

基于粒子群算法的SWMM参数多目标率定研究

率定SWMM参数对于提高城市降雨径流过程模拟的准确性至关重要。文章构建了一个理想模型与一个实际模型用于比较粒子群算法与不同目标函数的组合对SWMM参数率定的影响。结果表明:对于理想模型,多目标函数率定的SWMM模型对总流量和流量峰值的模拟精度高于单目标函数率定的SWMM模型;对于实际模型,多目标函数率定的SWMM模型仍能得到可接受的模拟结果。相较于单目标函数,粒子群算法和多目标函数的组合更适用于SWMM模型参数率定。研究成果可为提高城市内涝模拟精度提供技术支撑。

基于伽马函数与核熵成分分析的短历时强对流型暴雨设计方法

利用双参数伽马函数与核熵成分分析,建立短历时强对流型暴雨设计方法,并以镇江市为例,在识别与分析研究区1981—2016年汛期短历时强对流型暴雨的基础上,推求30年一遇的短历时强对流型设计暴雨过程。结果表明:根据总雨量与最大10 min雨强比值的不同,镇江市短历时强对流型实测暴雨事件可分为3种类型;短历时强对流型与芝加哥雨型推求得到的设计暴雨过程具有较高的一致性,验证了短历时强对流型暴雨设计方法的可行性;强对流型设计暴雨的雨强和雨量均比芝加哥雨型小,表明在暴雨以对流型为主的地区,选用此方法设计暴雨标准确定排水系统的工程规模更为科学。研究成果可为完善镇江市防涝防洪系统提供参考。