基于WHMLUCC水文模型的非一致性干旱频率计算方法(Ⅱ):作物缺水干旱指标在无定河流域的应用

干旱作为一种常见的气象灾害,已经成为制约社会经济发展和农业生产的瓶颈之一。结合考虑土地利用/覆被变化的流域水文模型(WHMLUCC)和作物缺水指标(CWSI)模拟干旱的发展过程,从成因途径提出基于WHMLUCC的非一致性干旱频率计算方法,并以无定河流域为例,推求不同时期(或情景)的干旱频率分布规律,进一步结合干旱等级标准推求不同等级(无旱、轻旱、中旱、重旱、特旱)干旱事件出现的概率,为该流域干旱预测和干旱规划提供科学依据。研究结果表明:1通过作物缺水指标分析可知,过去气候条件下的情景2(过去近期)与情景1(过去远期)相比,CWSI增加了0.045;不同气候条件下情景3(现状时期)与情景2(过去近期)相比,CWSI增加了0.018。2通过干旱频率计算分析可知,同频率、同重现期下,过去远期、过去近期和现状时期的作物缺水指标呈增加趋势,中旱等级以上干旱事件的概率也有所增加,说明无定河农业干旱程度逐渐加重。3通过成因分析发现,无定河流域农业干旱与气候变化和当地水土保持工作密不可分。

径流对气候变化响应的定量分析研究

全球变暖导致的水文水资源问题越来越突出,已成为全社会关注的焦点问题之一。本文选择河南省境内5个水文站、44个气象站的气象资料,对径流对气候变化的响应运用多元回归方法作了定量分析,结果表明:年、月径流随降水量的增加而增加;随着平均气温的升高而减少。降水量越少,温度越高,则径流越少;反之降水量越多,温度越低,则径流越多。不同流域的月径流变化对各种气候变化情景的响应表现出一定的差异性,且差异相对年径流变化较小。

基于马尔可夫链的旱涝预测应用研究

在阐述马尔可夫思想和预测思想及其原理的基础上,明确了采用此方法的具体步骤和参数值,同时,分析了此方法的优缺点。根据1971 2000年辽宁省本溪市市区降水量资料,取适当的α值,采用均值—方差法对年降水量进行分级,并应用加权马尔可夫链对该地区的旱涝状态进行了预测,结果表明,预测值与实际值相吻合,说明此方法有一定的实际应用意义。

基于MISOHRM模型的非一致性洪水频率计算方法及应用II: 西江中游水文要素时空变异规律

西江中游由于缺乏湖泊对洪水的调蓄,加之防洪堤不断地加高加固引起洪水归槽,加强了洪水遭遇效应,导致洪水发生的频率和强度发生变化。为了解西江中游水文要素变异的驱动力和时空变异规律,为多输入单输出水文相关模型(MISOHRM)的建立及非一致性洪水频率计算方法提供基础依据,本文利用1958~2007年西江中游七个水文站两个区间的水文要素序列,采用水文变异诊断系统对各要素进行变异分析。结果显示西江中游干流上的武宣、大湟江口和梧州站的洪峰流量序列关系密切,变异点也较为一致;而支流上的站点间以及站点和区间之间联系程度不紧密。

缺水条件下的新郑市水资源优化配置

以河南省新郑市为研究对象,在确定城市分区的基础上,根据水资源系统的特征建立了多目标、多水源、多用户的水资源优化配置模型,应用lingo软件对各规划水平年的水资源进行优化配置,采用理想点法输出分配结果,并建立了量化评价指标对配置结果进行效果评价分析,为水资源优化配置决策提供了依据。

NAR神经网络的应用与检验——以城市居民生活需水定额为例

NAR神经网络具有反馈和记忆功能,其在时间序列的建模仿真方面具有显著优点。以城市居民生活需水定额为例,采用NAR神经网络建立了贵州省城市居民生活需水定额的时间序列模型,通过试验法、留一法交叉检验讨论了模型相关输入参数的计算与选取,通过相关系数、Nash效率系数、LBQ检验、ROC曲线方法检验了模型的性能和预测结果的精度,进而对贵州省城市居民生活需水定额变化趋势进行了预测。结果表明,(1)NAR模型性能良好并具有较高的预测精度,NAR神经网络的相关系数r、Nash效率系数分别达到0.97、0.87,LBQ检验得出预测结果误差不存在自相关性,采用预测结果绘制ROC曲线,其AUC值达到0.938(处于水平1,有较高准确性);(2)需水定额合理性评价中,预测2020年、2030年需水定额分别为137.72 L/(人·d)、132.94 L/(人·d),满足《室外给水设计规范》(GB50013—2006)的要求,具有较好的适用性。

城市水资源配置中退水问题研究初探

本文以供水分析、需水预测和供需平衡分析为基础,提出城市水资源配置的基本框架,进而对城市退水结构进行分析,针对目前城市退水问题研究的现状,初步建立城市退水机制,通过城市退水机制的研究促进城市水资源高效利用,加强城市和区域用水安全。

基于希尔伯特-黄变换的非一致性洪水频率计算方法——以西江大湟江口站为例

西江流域由于大量兴建堤防工程而导致天然河道洪水槽蓄关系发生了改变,进而使得洪水序列失去了一致性。针对西江洪水归槽问题,提出基于希尔伯特-黄变换的非一致性洪水频率计算方法,该方法假设非一致性年最大流量序列由非一致的确定性成分和相对一致的随机性成分两部分组成。将该方法应用于西江大湟江口站,结果表明:(1)1953-2008年最大流量序列经Hurst系数变异分析方法诊断为中变异,说明该序列不满足一致性的要求;(2)同频率同重现期情况下,过去、现状和未来三个时期的最大流量呈增长趋势;(3)Cv在过去(1953年)、现状(2008年)和未来(2015年)三个时期的评价结果为:0.334、0.257、0.25,呈减小趋势,说明年最大流量在多年情况下变化浮动减弱,洪峰流量趋于稳定波动。(4)浔江堤防大湟江口站现有堤坝的防洪标准在过去能达到10年一遇的防洪标准,但现状和未来达不到10 a一遇的要求;(5)典型洪水重现期呈逐年缩短的趋势;(6)相同区间范围内的洪水,过去、现状和未来条件下的洪水发生的概率呈增加趋势。

基于河链结构和LUCC的分布式流域水文模型及径流响应

为了定量评估土地利用/覆被变化的水文水资源效应,并考虑流域水文效应的空间差异,提出考虑土地利用/覆被变化的分布式流域水文模型。该模型基于Shreve河链概念对流域河网进行单元划分,基于中国科学院土地资源分类系统的一级类型,将流域划分为6种不同土地利用及覆被变化类型;在每一类土地利用及覆被变化面积上,分别考虑蒸发和下渗的差异,并利用蓄满-超渗耦合产流模型计算该面积上的地表径流量和地面以下径流量;利用地貌汇流模型和线性水库模型将每类面积上的地表径流量和地面以下径流量演算至流域出口断面,从而得到流域的水文过程。模型参数包括流域地貌特征参数、产流参数和汇流参数,前者可以根据地理信息系统技术和遥感技术获得,而后者则需要根据流域的水文资料通过最优化方法求得。利用大理河流域1981—1990年的逐日降雨、蒸发及流量资料对该模型进行了参数率定和检验,率定期1981—1987年的水量平衡系数为0.993,年径流深合格率为100.0%;检验期1988—1990年的水量平衡系数为1.230,径流深合格率为66.667%,计算结果表明该模型在大理河流域具有良好的适应性。并以2000年大理河流域的土地利用/覆被状况为基准,计算得到流域的基准径流深为30.36 mm,并对大理河流域未来土地利用情况进行情景分析,为充分发挥小流域(或单元)水土保持措施带来的各种效益提供参考依据。

雷达在水文预报应用中的研究进展

雷达可随时跟踪雨区范围、暴雨走向和降雨量的变化,而降雨是水文预报最重要的输入信息,对于水文预报、水库蓄放及江河流域水量的短时洪水预报都是很重要的。本文在介绍雷达测雨及国内外雷达测雨业务系统的基础上,重点总结了国内雷达测雨在水文预报中的研究进展,并提出了雷达在水文预报中的应用思路,探讨了雷达测雨在我国水文应用中的前景及其发展方向。数字化雷达测雨、地理信息系统以及数字高程图等系列新信息,将进一步推动新一代分布式降雨—径流模型的开发,并将极大地拓宽水文预报研究的思路和方法,从而提高预报精度。

基于典型解集模型的非一致性年径流过程设计方法

由于受人类活动和气候变化的影响,水文序列失去了一致性。为了适应变化环境对灌溉、供水工程设计的要求,提出了基于典型解集模型的非一致性年径流过程设计方法:首先,采用水文变异诊断系统对径流序列进行年际和年内分配情势变异分析;其次,根据年际变异和年内分配情势变异的时间点,将径流序列分段;再次,基于径流年际变异诊断结果,采用变化环境下非一致性水文频率计算方法计算年径流变异前后过去、现状或未来水平年不同保证率下的设计年径流值;最后,基于径流年内分配变异诊断结果,在径流年内分配变异前后利用典型解集模型进行年径流过程设计。以东江河源站为例,进行了非一致性年径流过程设计,并与未考虑"非一致性"影响的年径流过程设计结果进行比较,发现河源站设计年径流过程受"非一致性"影响显著。

基于WHMLUCC水文模型的非一致性干旱频率计算方法(Ⅰ):原理与方法

由于全球气候变暖、大规模人类活动等变化环境的影响,改变了干旱的成因和统计分布规律,造成干旱频率增加、重现期缩小,使得干旱序列失去了一致性。本文针对变化环境下形成的非一致性干旱问题,结合考虑土地利用/覆被变化的流域水文模型WHMLUCC,提出基于WHMLUCC模型的非一致性干旱频率计算方法,并从成因途径推求不同情景变化环境下的干旱频率分布规律,为流域干旱预测和干旱规划提供理论方法和科学依据。

蓄满—超渗兼容水文模型的改进及应用

在介绍蓄满—超渗兼容模型理论和自由水箱模型理论的基础上,针对其各自的结构特点和产流机理,对二水源蓄满—超渗兼容水文模型进行改进,模型能反映地表径流、壤中流和地下径流的动态变化,可应用于洪水预报、水情模拟、水资源开发和利用等。并将模型应用于伊河流域栾川站,采用单纯形法、罗森布瑞克法及基因法联合自动优选法对模型参数进行了率定,并与原模型进行了比较分析,结果表明,改进模型模拟精度高,且能反映不同径流成分的变化过程。

城市水循环对城市供水量的影响分析

水是生命之源,是人类赖以生存和发展的物质基础。城市是自然界与人类活动相互作用、相互影响的复杂系统。城市水循环对城市水源的开发和利用具有重要意义。描述了城市水循环的基本框架,并根据其框架确定城市可供水量,以新郑市为例,针对新郑市现状,以城市水循环框架为基础,有效利用当地水源、外调客水水源,合理开发当地可利用水源。结果证明,良好的城市水循环框架有利于城市水源的开发和利用,对城市发展具有重要意义。

河南省径流对IPCC-AR4三种情景的响应

运用多元回归方法建立了气候—径流数学模型,分析了气候变化对河南省黄河、淮河、海河、长江水系径流的影响,并根据IPCC-AR4,在不同情景下预估了21世纪的气候、径流变化趋势。结果表明:①四大水系降水量和温度均呈增加趋势,不同排放情景下增长率不同;②长江、淮河、海河受温度的影响较降水量大,未来径流呈减少趋势,黄河径流受降水量的影响较大,未来径流呈增加趋势;③在不同情景模式下,径流的变化率有所不同,表明人类活动对未来径流的影响不同。

基于MISOHRM模型的非一致性洪水频率计算方法及应用III:模型构建与非一致性洪水频率计算

西江流域由于上游干、支流和区间洪水遭遇和洪水归槽问题,导致上游量级不大的洪水到了下游则演变成大洪水或特大洪水,给流域防洪工作以及两岸人民生产生活造成了巨大威胁。针对干支流和区间遭遇作用的西江洪水问题,本文利用西江中游7个水文站1958~2007年的年最大洪峰流量序列和两个区间(武江区间和江梧区间)1958~2007年的年最大一日降雨序列,分别建立了西江中游两区间多输入单输出水文相关模型(MISOHRM);从成因的角度探讨了西江中游干流控制站点大湟江口和梧州站洪水的组成和影响因子;并应用该模型对西江梧州站年最大洪峰流量序列进行频率计算,以得到过去、现状和未来条件(三种情景)下年最大洪峰流量序列的频率分布,为防洪规划和洪水灾害风险评估提供设计依据。

基于MISOHRM模型的非一致性洪水频率计算方法及应用IV:西江中游堤防防洪能力影响评价

为了抵御洪水的堤防工程被不断加高,改变了原天然河道的洪水槽蓄关系,促使洪峰流量序列发生变异,使得洪水序列失去了一致性,导致防洪堤的防洪能力一再受到挑战和质疑。本文在梧州站基于MISOHRM模型的非一致性洪水频率计算结果的基础上,对其堤防防洪能力进行了分析。结果显示:梧州站堤防的防洪能力有显著降低的趋势,在安全超高2.0~2.5 m的条件下,其右堤可以抵御的洪水标准从过去条件下的77.13~145.90年一遇,降低到现状条件下的6.20~10.93年一遇和未来条件下的3.33~4.95年一遇。左堤可以抵御的洪水标准从过去条件下的24.53~39.72年一遇,降低到现状条件下的3.13~4.25年一遇和未来条件下的1.85~2.32年一遇。

基于犹豫模糊集、前景理论和粗糙集的水库生态友好型调度方案评价

多目标调度方案的评价决策一直是水库调度领域研究重点之一。现有的生态友好型水库调度方案评价中存在诸如生态指标偏少、评价者认知的主观性难以精确表达等问题,影响到生态友好型水库调度方案的合理评价与决策。以贵州省夹岩水利枢纽为研究实例,从城镇供水、灌溉、发电、生态4个维度(即准则)角度,构建生态友好型调度方案评价指标体系,采用基于月(旬)流量数据的年内月(旬)均流量大小改变度、年径流不均匀程度改变度、年内峰、谷流量改变度、年内峰、谷流量出现时间改变度等水文改变度指标量化水库调度的生态影响。考虑到准则属性权重难以确定和属性值不精确,提出了耦合犹豫模糊集、前景理论和粗糙集理论的多属性评价方法(HPR-MAEM)。采用二元对比法、变差系数法、熵值法和CRITIC法等四种赋权方法,对每一个准则下指标进行赋权,获得的准则属性值构成一个犹豫模糊数,然后采用前景理论的价值函数计算每个方案的准则属性值偏离正负理想属性值的损失和收益及综合前景值,并通过粗糙集属性约减计算准则属性的权重,最后计算各方案的加权综合前景值,对方案进行排序。为进一步验证方法的合理性与有效性,将HPR-MAEM排序结果与传统TOPSIS方法和变差系数法、熵值法和CRITIC法排序结果进行比较。对夹岩水利枢纽10个长期调度方案的评价结果表明:基于月(旬)流量数据的水文改变度指标能够较全面反映水库调度的生态效应,HPR-MAEM方法能合理地考虑不同赋权方法和决策者有限理性对评价结果的影响,推荐的调度方案的城镇供水、灌溉、发电、生态四个维度更为均衡。

基于组合客观权重法的区域社会经济环境评价研究——以贵州省思南县为例

随着国家层面的高质量发展,区域协调发展的综合评价是人们关注的热点,区域协调发展评价也从单一评价发展到综合评价。区域社会、经济和环境间存在复杂的耦合关系,为实现区域可持续协调发展,构建由社会、经济和环境3个维度展开的9个二级评价指标22个三级评价指标的综合评价体系,根据贵州省思南县2014-2018年数据,使用变差系数法、熵权法等方法计算社会-经济-环境系统各指标综合权重,再进行耦合协调度计算,为该县可持续发展提供科学依据。结果表明2014-2018年:(1)环境改善的效果相对落后另2个系统,整体可归属于环境相对滞后型;(2)社会子系统的发展先下降后升高再降到初始水平,而经济和环境子系统呈稳定升高趋势;(3)系统耦合度和协调发展度呈逐年上升趋势,现处于高水平耦合及濒临失调发展阶段。

变化环境下昭通市干旱演变规律分析

由于受到气候变化和人类活动的影响,干旱灾害表现出频次增高、持续时间延长和灾害损失加重等非一致性特点。本文基于非一致性水文频率计算原理,提出基于跳跃分析的干旱频率计算方法,并分析变化环境下的干旱演变规律。以云南省昭通市为例,其干旱演变规律表明:昭通现状条件与过去条件相比,干旱发生的等级、频率均发生了显著的变化:特旱在过去条件下发生的概率为0.5%,而现状条件下发生的概率为5%;现状条件下重旱发生的概率是过去条件下的7倍左右。结果表明昭通市的气候向着不利于水资源开发利用和农作物生长的情形发展,也使得昭通市未来的抗旱形势变得更加严峻。