高分辨率融合降水驱动下的WRF/WRF-Hydro耦合模拟研究

为了满足陆面水文模式和数值大气模式耦合构建降雨径流模拟系统的需求,构建了基于天气雷达与雨量站观测降水的3种高分辨率降水数据(雷达估测降水、雨量站插值降水和基于雷达与雨量站观测数据的融合降水),采用雨量站插值降水和融合降水数据对陆面水文模式WRF-Hydro的关键产汇流参数进行率定,探讨了不同降水驱动WRF-Hydro开展径流模拟在我国北方山区中小尺度流域的适用性。结果表明:融合降水的误差指标相比传统插值降水有不同程度的改善,融合降水的时空准确性也更为突出;采用雨量站插值降水和融合降水均可有效改善WRF-Hydro的关键产汇流参数,其中融合降水率定参数组的洪水模拟效果要优于雨量站插值降水;以高分辨率融合降水数据为驱动,可获得更准确的WRF-Hydro关键产汇流参数,有效提高WRF/WRF-Hydro陆气耦合系统在研究流域的适用性。

降水临近预报及其在水文预报中的应用研究进展

随着全球气候变化、自然变迁及陆表生境改变,极端天气频发且呈现出多尺度时空变异特征,对其进行预报和预警一直是气象水文领域关注的焦点。临近预报可较准确地预报未来短时间天气显著变化,是当前预报强降水等极端事件的主要手段。从基于天气雷达0~3 h外推临近预报、融合数值模式0~6 h临近预报的发展历程梳理了临近预报的研究进展,阐述了雷达外推算法的发展进程、雷达外推预报与数值模式预报融合技术进展,指出"取长补短"的0~6 h融合预报在提高降水预报精度、延长降水预见期等多方面有较大的发展潜力,进一步探寻及提升融合技术是未来融合预报发展的核心。将临近预报以气象水文耦合的方式引入水文预报是从源头提高水文预报精度、保障水文预报效果的主要途径,总结了现阶段主流耦合方式、空间尺度匹配技术、水文模型不确定等陆气耦合中的关键问题,阐述了外推临近预报、融合临近预报作为水文预报输入的研究进展,明确了融合临近预报在延长洪水预见期、提高洪水预报精度中存在优势,并讨论了未来的研究重点及发展方向。

基于可变集的区域水资源全要素配置方案评价

传统的区域水资源配置以水量配置为主,存在的指标单一、评价重量轻质、忽视水质潜在效应及缺乏水质调控方案等问题;以统筹水资源、社会经济、生态环境三大系统的水资源全要素配置为指导,通过水量水质联合配置得出配置方案集;将可变模糊清晰集应用于方案集评价,构建了基于指标区间优选法的评价模型,该模型包括水资源配置中指标级别区间的构建及评价。经山东省邹城市2030年水资源配置方案实证分析表明:山东省邹城市2030年水资源配置方案集级别特征值区间为[2.5,3.5],水资源可持续利用程度处于良好与及格之间,评价模型实用性成果显著。

南水北调通水对梁济运河流域地下水化学成分影响

以南水北调梁济运河通水前后的浅层地下水水化学要素为依据,采用派珀三线图解法、离子比例系数等方法,分析通水对浅层地下水化学成分的影响。结果表明:1通水前,滨湖区浅层地下水化学类型以Ca^(2+)-Mg^(2+)-HCO_3^-型为主,黄泛平原区以Na^++K^+-Cl^--SO_4^(2-)型和Ca^(2+)-Mg^(2+)-Cl^--SO_4^(2-)型为主。2与未通水期(2012年12月)相比,通水期(2013年12月)黄泛平原区浅层地下水流动速度加快,易溶盐的累积过程发生改变,由在90号-97号-99号方向上的递增改为递减。矿化度方面,通水期滨湖区地下水矿化度高于未通水期,通水期黄泛平原区地下水矿化度低于未通水期。3从地下水化学成分的年际变化来看:通水对滨湖区地下水化学成分的影响较小;通水期黄泛平原区浅层地下水中汇入矿化度低、含有大量CO_2的水,促进石灰岩组分分解并降低了地下水矿化度,致使Na++K+、Ca^(2+)、HCO_3^-浓度明显增加。

一种非饱和土相对渗透系数的试验数值联合估计法

由于非饱和土相对渗透系数对饱和度的变化十分敏感,因此通过试验测定非饱和土相对渗透系数并不容易。以广义达西定律和van Genuchten模型为理论依据,可通过简单的蒸发试验和数值分析,获得非饱和状态下土壤的相对渗透系数。模拟结果和试验数据的对比分析表明,该方法得到的非饱和土相对渗透系数具有一定的可靠性,在有限元反分析模型参数方面具有一定的创新性,但其实际精度还有待通过试验对比来进一步验证。

土石坝带裂缝黏土心墙破坏机理试验研究

针对土石坝黏土心墙破坏机理的实际特点和物理机制,根据实际工程中黏土心墙所处的应力状态和应力路径的变化,设计了带裂缝黏土心墙的破坏机理试验,探究了裂缝宽度、水压力及反滤层对黏土心墙水力劈裂破坏的影响。结果表明,宽度较小的裂缝在浸水后会闭合,而宽度较大的裂缝则有可能成为土样水力劈裂破坏的通道;一定大小的水压力和加载速率是水力劈裂发生的必要条件;反滤层对于预防水力劈裂破坏的发生具有积极的作用。试验结果对黏土心墙坝体设计有一定的参考价值。

基于时效匹配法的融合降雨临近预报研究

基于天气雷达外推的降雨临近预报其有效预报期通常不超过3h,而数值天气预报的预热问题“Spin-up”往往导致短期内的预报能力较差。鉴于此,本研究通过“取长补短”设计了一种依据临界成功率指标(CSI)和均方根误差(RMSE)的时效匹配方法,对两者的降雨预报进行融合,并选取了位于大清河水系的阜平、紫荆关流域的4场时空分布均匀程度各异的典型降雨过程进行试验应用。研究基于像素追踪的PBN外推临近预报和数据同化的WRF模式预报,通过时效匹配法实现两者的融合,融合方案为:1 h以内(不含1 h)采用PBN外推预报,1~3 h采用PBN与WRF的融合预报结果,3 h以上(不含3 h)则全部使用数值天气预报。通过对4场典型降雨过程预报效果对比发现:(1)随预见期延长,PBN外推预报权重逐渐下降,WRF模式预报权重逐渐增加;(2)融合权重在降雨初期、末期的变化并不显著,但在降雨发展过程中融合交叉点出现明显变化;(3)融合预报的效果优于两种单独预报,时效匹配法在时空分布均匀的降雨场次表现最好,其次为时间不均匀空间均匀场次,在时空不均匀场次表现较差。

考虑非均匀暴雨中心空间分布的洪水预报方法

在洪水预报实践中,降雨在流域空间分布的不均匀性一直是影响预报精度的主要问题之一,这一问题在我国半湿润、半干旱及干旱地区尤为突出。本文提出了一种针对非均匀暴雨空间的洪水预报方法,按照非均匀暴雨中心的空间分布,可以将流域划分为“暴雨核心区”和“非暴雨核心区”,分别采用不同的水文模型参数进行产汇流计算。该预报方法可充分利用流域内各雨量站在暴雨期间的雨量分布信息,考虑降雨开始时土壤含水量在流域上的差异,方法简单,易于操作。方法中提出的降雨不均匀系数能定量有效地判断流域内发生不均匀降雨的临界点,有助于准确判断该预报方法在实际预报中的使用时机。实践证明,该方法可以减少在降雨不均匀情况下选择模型参数的不确定性,与传统方法相比能有效提高洪水预报精度。

基于可变模糊集理论的平原水库健康评价及实例研究

平原地区的种植业在我国占据着重要地位,但是频繁发生的旱涝灾害严重影响着我国农业生产,平原水库是解决这一问题的有效措施。对平原水库进行健康评价,保证其正常运营,进而保障农业生产已逐步成为人们关注的焦点。但是与山区水库相比,平原水库健康评价的理论和方法都非常缺乏。针对此问题,首先综合考虑了影响平原水库健康的各方面因素,进而提出了健康平原水库的定义;然后在此基础上建立了包括结构安全、功能效益、生态环境和健康稳定性4个一级指标以及14个二级指标的平原水库健康评价体系,按照健康、亚健康、不健康、病态4个级别进行划分;最后,针对平原水库健康评价的模糊特性,选用可变模糊方法对其进行评价。丁东水库的实例证明,本文构建的平原水库健康评价指标体系合理、概括性强,基于可变模糊的平原水库健康评价方法易于理解、操作方便、结果可信度高。

基于数据同化的降雨数值空间分布模拟研究

降雨数值模拟是延长水文预报预见期的重要方法,但由于降雨数值模拟中驱动数据所提供的初始场和边界场条件和大气的实际状态并不是完全吻合,导致模拟结果存在误差。减小降雨数值模拟的误差是提高水文预报精度的关键问题,特别是在大气数值模式和分布式水文模型耦合模拟过程中,高精度的降雨信息是准确模拟的关键。本文基于WRF模式和三维变分数据同化方法,选取雷达反射率和GTS(Global Telecommunication System)数据作为同化资料,开展基于数据同化的降雨数值空间分布模拟研究,从降雨的空间展布和指标评价两方面对同化前后的模拟结果进行对比。结果表明:同化后的模拟数据在CSI指标和RMSE指标上都优于同化前的模拟数据,说明同化后模拟数据的误差小于同化前的误差;将同化前后的数据展布在网格图中,发现同化后的数据可以更加准确地刻画降雨的空间分布规律,说明通过数据同化方法提高了模拟降雨和实际降雨空间分布的一致性,改善了WRF模式模拟降雨空间分布的能力。

潍坊北部超采区地下水位预测与恢复

鉴于潍坊北部地下水超采严重的现状,在分析其水文地质条件的基础上,利用Visual MODFLOW软件建立地下水数值模拟模型,通过水位拟合、水均衡等分析模型合理性,并预测不同开采条件下未来五年(2016~2020年)的地下水流场,揭示其在自然、人为影响条件下的变化趋势。结果表明,研究区在地下水压采、回灌补源的条件下,相比初始流场,水位最大回升幅度为11m,地下水位回升明显,可作为水位最佳恢复方案。研究成果可为地下水超采治理和水位恢复提供依据。

基于网格追踪算法的雷达外推降雨临近预报在大清河流域的应用

为了评价基于网格追踪算法PBN在大清河流域的应用效果,研究选取了位于大清河南北两支的阜平和紫荆关流域的8场典型降雨过程,开展0~3h的雷达外推降雨临近预报。为获得高质量的雷达测雨数据,研究采用外部漂移克里金法(KED),依据地面雨量在外推前对雷达定量降雨估测进行了修订。针对PBN算法的外推预报结果,分别采用临界成功指数(CSI)、均方根误差(RMSE)、以及定性与定量指标相结合的CSI/RMSE 3种评价指标在时间和空间尺度上进行验证。结果显示:KED算法可以有效提高雷达定量降水估测的准确度,基于KED修订后的雷达估测降雨的PBN算法对时间空间连续性较好、相对稳定的降雨过程预报效果最好,但随预见期的延长外推效果显著下降,有效预见期不超过2 h;而对空间分布不均匀的降雨类型预报效果最差。

雷达测雨及临近预报在中小流域水文视角下的应用评估

地面雨量站是中小流域降雨监测的主要手段,但雨量站稳定性相对较差、运维成本高、监测留有盲区,而天气雷达能够快速获得覆盖范围内的高分辨率面雨量监测数据,一定程度上能够弥补雨量站监测的不足。选取了2012年“苏拉”、 2014年“海贝思”、2016年“尼伯特”三场台风在梅溪流域引发的三场不同类型降雨过程,探究了雷达测雨及临近预报在中小流域水文预报中的应用前景。采用24 h累积雨量相对误差RE、时空两个维度均方根误差与相应维度均值的比值m-RMSE、平均绝对误差RMAE和平均偏差RMB等指标,开展基于地面雨量站的观测值评估雷达测雨以及1、2、3 h预见期的集合临近预报。结果表明:雷达测雨总体上与地面雨量站观测值较为接近,不同类型降雨的RE值均在3%左右;时空分布均匀的降雨,临近预报效果优于短历时降雨和强降雨的临近预报效果,且随着预见期的延长,时空分布均匀的降雨预报效果更稳定,短历时降雨和强降雨的预报精度下降明显。因此,高时空分辨率的雷达测雨及临近预报在中小流域水文预报中有较好的应用前景,但短历时降雨和强降雨还需进一步研究。

区间多目标规划模型在邯郸市主城区水资源优化配置中的应用

以往对邯郸市水资源配置研究中多水源优化配置方面提出具体方案的研究比较少,故针对邯郸市主城区涉及的多水源、多用途、多用户的特点,建立了不确定条件下的区间多目标规划模型。该模型将系统里难以确定的参数或者变量用区间的形式表示,实现系统不确定性地有效表征,在求解过程中应用模糊理论引入隶属函数并基于两步式交互算法将转为两个确定的单目标模型进行求解。结果表明规划年2020年总供水量为[63175.25,76330.06]×10~4m^3。所建模型可以在同时追求经济效益、社会效益和环境效益前提下求出最优解,方便决策者在未来水资源管理中制定相关政策。

泰安市行道树生长对道路两侧带的影响研究

行道树是城市绿化的主要组成部分,其生长往往产生一系列的问题,这迫使城市市政部门每年投入相当多的工作时间,完成行道树的栽种、修剪以及人行道维护等工作。通过对泰安市行道树对道路破坏情况进行实地调查及情势分析,对泰安市当地的泡桐、悬铃木、杨树等树种对道路两侧带产生的影响展开实地测量与数据分析归纳,结果表明:各种树木对道路两侧带均有不同程度的破坏,其破坏趋势具有一定的规律性,并结合破坏规律及实际需求提出了针对性的建议和措施。本研究为泰安市未来基于不同类型道路定位下行道树树种的选择提供了科学依据,并为行道树和周边道路的后期维护管理提供指导意见。