基于ADCP的水文站断面平均流速AI计算模型研究

本研究旨在探讨如何利用走航式ADCP流速数据和人工智能技术,提高岭下水文站的断面平均流速计算精度,以解决复杂的流量监测难题。通过比较指标流速法和基于AI的计算模型,评估了它们在不同水深条件下的性能和适用性。结果表明,在多数情况下,AI算法表现出更高的计算合格率和较低的不确定度,尤其在高水期和中水期。然而,在低水期测流时,数据质量仍然存在挑战,需要进一步改进和扩大样本容量。这项研究为提供更准确、实时的水文信息,支持水资源管理、防汛减灾和生态保护提供了重要依据。

基于水热平衡的分布式水文模型研究与应用

分布式水文模型在水利部“四预”建设中发挥了至关重要的作用,但无径流资料区(简称无资料区)分布式水文模拟技术仍需进一步完善。从水热循环产汇流理论、模型构建与求解、模型参数率定三个方面入手,改进传统分布式水文模型。提出了耦合热量平衡的流域产汇流理论,揭示了水量热量动力学过程耦合机理和水热循环通量量化关系。构建了系统完整的物理机制水热平衡分布式水文模型及其数值求解方法,实现了流域地表温度和水位的分布式数值模拟。明确了模型结构和参数的物理意义,降低了需要率定的参数个数。将参数率定目标由径流量转换为地表温度和水位,综合利用遥感反演和台站观测资料率定模型参数。将研发的模型在江西赣江流域进行应用,结果表明,构建的模型具有较强的物理机制,数值求解方法精度高、稳定性好,实现了无资料区参数率定和水文模拟,为无资料区分布式水文模型研发与应用提供了新思路。

以WEP为基础的寒区田间水循环模拟分析——以青冈县为例

水循环系统是自然界最重要的物质循环之一,构建区域水循环系统是合理调配水资源的重要方法。黑龙江省是我国重要的粮食生产地区,随着我国新一轮振兴东北计划的实行,对于地区水资源的保障提出了更高的要求。文中使用WEP模型软件对黑龙江省青冈县进行自然水循环的模拟分析,使用2018-2022年的逐月统计数据建立模型,对建立后的模型进行验证分析,结果显示水资源总量5年内增加了8.83%,农田土壤的最大冻结深度降低了29%;土壤的含水量同比增加了6.8%,地下水总量保持稳定,2021和2022年的地下水受降雨的影响减小。综上,该地区水资源总量相对稳定,土壤冻结深度对于土壤含水量影响较大,随着冻结层厚度的减少,土壤含水量随之增加,土壤含水层厚度增加,导致地表水受降水量的影响效果降低,使地下水含量变得稳定。

水文模型在洪水预警与管理中的应用与改进

本文旨在探讨水文模型在洪水预警与管理中的应用与改进,通过介绍洪水预警与管理的重要性,以及当前水文模型在该领域的应用情况,提出模型应用过程中数据精度及可靠性问题,并提供相应的解决方案,可以为水文模型在洪水预警与管理中的应用提供一些借鉴和参考。

天山南坡阿克苏流域冰川物质平衡及其融水径流对气候变化的响应研究

冰川融水是西北干旱区水资源重要组成部分,定量评估其变化对中、下游生态环境保护和工农业经济可持续发展具有重要意义。本文基于国家气象台站日降水和气温资料、数字高程模型(DEM)以及第一次冰川编目数据,利用度日模型模拟了天山南坡阿克苏流域1957—2017年冰川物质平衡及其融水径流变化,分析了融水径流组成及其对气候变化的响应。结果表明:1957—2017年流域年平均物质平衡为-94.6 mm w.e.,61年累积物质平衡为-5.8 m w.e.。流域冰川物质平衡线呈显著上升趋势,年均上升速率为1.6 m/a。研究区年均融水径流量为53.1×10^(8)m^(3),融水增加速率为0.24×10^(8)m^(3)/a,融水径流及其组成分量均呈显著增加趋势。在气候暖湿化背景下,流域降水的增加使得冰川区积累量增加,在剧烈的升温作用下,冰川消融加剧,气温对融水径流的作用增大,因此冰川物质平衡亏损产生的水文效应增强。研究结果可提升区域冰川水资源效应变化及其影响的认识。

WRF-Hydro大气-陆面-水文耦合模式应用研究综述

在人类活动加重气候变暖的背景下,极端水文气象事件发生概率增加。数值模式作为研究水循环和极端水文事件的有效工具,已在全球范围内得到广泛应用。为深入理解气候变化背景下全球陆地水循环时空演变规律,揭示大气-陆面-水文互馈机制,大气-陆面-水文耦合过程模拟研究已成为国际大气、水文等学科研究的热点之一。本文首先回顾和梳理了大气-陆面-水文耦合模式的发展历程,阐明了大气-陆面-水文耦合模式WRF-Hydro(Weather Research and Forecasting Model Hydrological modeling system)的优势,并系统总结了WRF-Hydro模式的主要敏感性参数分析及模式在对地表径流、土壤湿度、能量水分循环以及相关大气和水文过程等方面的应用。最后探讨WRF-Hydro大气-陆面-水文耦合模式未来发展趋势,提出应着眼于发展有效的尺度转换方案、完善参数化方案以及开展流域内大气、水文变量时空分布高分辨率模拟等方面,以期系统提升耦合模式对大气、陆面过程及水文过程的刻画能力。

黑龙江省山洪灾害动态预警指标分析与应用

本次研究旨在通过构建和应用山洪灾害动态预警指标,提高黑龙江省山洪灾害的预警效率和准确性。通过综合分析实时水文数据、土壤含水量、气象预报和历史山洪事件,本研究建立了一套山洪灾害风险评估和实时动态预警模型。研究方法和结论可以为山洪灾害的多阶段动态预警提供科学决策支持,提升综合防御能力,减少人员伤亡和财产损失。

岩溶分布式水文模型构建与应用

为了使分布式水文模型能够更好地应用于岩溶地区,针对岩溶地区的水文特性,对分布式模型加以改进,建立了一套可用于岩溶地区的分布式水文模型,并讨论了改进后的模型汇流时计算时间步长与最优计算次序对汇流的影响。模型构建时考虑到了岩溶地区的地下水中裂隙水与管道水对流域汇流的影响,从而对模型加以改进,使模型在物理意义上与汇流实际情况更加接近。以广西凤山县乔音河流域为例,对改进后的模型进行了应用研究,结果表明改进后的模型可以较好地模拟岩溶地区的降雨径流过程。

融雪洪水作用下寒区公路水文计算及防治措施

在高原公路等基础设施不断建设完善的过程中,融雪型洪水灾害愈发引起重视。相较于降雨型洪水,融雪型洪水具有历时长、洪量大的特点,若防治不当,将会对寒区工程建设带来严重侵害。文章结合寒区公路水文研究成果,归纳总结了新疆高原寒区水文计算方法、河流调治及公路防水毁措施,以期为高原基础性工程从业者提供参考。

基于水文要素过程的流域地下水与地表水交换径流成分定量分析

流域地表水-地下水相互作用中包括枯水季节深层地下水向河流稳定补给的基流,降雨入渗后形成的快速与慢速壤中流和洪水时期河道水位抬升引起的地表水补给地下水。目前对于地下水-地表水交换量的组成并没有清晰的定义,已有的水文实验和模拟方法不能准确辨析地下水-地表水交换组分。利用水文要素过程线,提出了综合新安江水文模型、改进马斯京根-康格(Muskingum-Cunge, MC)法和基流分割方法的技术框架,研究地下水-地表水交换量的组成情况,并以婺源江小流域出口断面为例进行了方法应用。研究结果表明:婺源江小流域的地下水-地表水交换量占出口断面总径流的43.54%~54.66%。饱和带中的浅层地下水占出口流量的8.41%~10.57%;降雨下渗进入浅层土壤补给河道的水流占6.81%~20.59%;深层地下水的稳定补给量占河道总径流的23.34%~26.54%。本研究提出了可以精细化辨析地下水-地表水交换分量的技术框架,结果可为类似流域水资源保护与管理提供理论依据。

导流片对排沙漏斗水力特性影响试验研究

为减少排沙漏斗的漏斗室淤沙量,提出一种在漏斗室底板布置环形导片的改进方案,探究环形导片布置位置及数量对排沙漏斗的排沙耗水率、漏斗室淤沙量以及泥沙截除率的影响。试验结果表明:在排沙漏斗锥底板布置一定数量的导流片可增大锥底板处的旋转流速,经过对G1、G2、G3(不同导流片布置下的排沙耗水率相较于传统排沙漏斗的变化率G1、不同导片布置下的底板泥沙淤积量相较于传统排沙漏斗的变化率G2、不同导片布置下的泥沙截除率相较于传统排沙漏斗的变化率G3)三个指标的评价比选,得出在锥底板最外环位置处布置三层导片可使得漏斗式内的淤积量最小。该方案与传统排沙漏斗相比排沙耗水率降低了4.56%、锥底板泥沙淤积量降低了10.24%、泥沙截除率提高了0.65%。研究结果可为导片在排沙漏斗工程中的导片优化设计提供依据。

基于CMIP6多模式的和田河流域未来气候变化预估

气候系统模式是对历史和未来气候模拟最广泛有效的工具,但存在一定的不足和局限性,使其无法直接用以预估未来气候变化。本文采用基于分位数映射的日偏差校正(DBC)、多模式集合(MME)平均和基于皮尔逊r相关系数的加权集合(r-MME)平均方法,以1971—2000年为基准期,评估6种气候模式在和田河流域的适用性;运用r-MME方法对未来SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下各模式的偏差校正结果进行集合,分析未来近期(2021—2050年)、远期(2061—2090年)日最高、最低气温以及降水的时空演变特征。结果表明:基于DBC的r-MME融合方法能够综合考虑各模式的优势,可大幅提高气候模式模拟的精度,年均最高气温、最低气温和降水量与实测序列的相关系数分别达到0.918、0.821和0.878;3种情景下的气温和降水均呈现增加趋势,其中低强迫SSP1-2.6情景下的增幅最小,远期年最高气温、最低气温和降水的平均增量分别为2.830、2.523℃和46.412 mm,高强迫SSP5-8.5情景下的增幅最大,远期年最高气温、最低气温和降水的平均增量为5.697、6.452℃和93.206 mm;同时,未来温差的逐渐减少使得流域“暖湿化”现象更加明显。该研究结果可为未来气候变化下和田河流域经济发展和生态文明建设,以及水资源预测提供重要的理论依据。

大清河淀西平原地下水数值模型研究

分析了大清河淀西平原水文地质条件、含水组划分以及地下水开发利用状况,结合地下水数值模型技术,利用优化的MODFLOW对研究区地下水建立地下水概念模型、数学模型以及长序列数值模型,通过模型的拟合验证确定了模型的准确性。在此基础上,建立了大清河淀西平原地下水预测模型,分析了地下水流场变化趋势。从总体的预测结果来看,在南水北调压采方案实施后地下水环境得到了较好改善,有效地控制了现有降落漏斗的扩大和加深,对于缓解受水区的地下水亏损状况和平原区的地下水紧张局面、涵养和保护地下水资源起到了很好的积极作用。

WRF-Hydro模型参数在河西内陆河流域的敏感性分析

为研究WRF-Hydro模型参数在河西内陆河流域的敏感性,以西营河流域九条岭水文站以上区域为研究区,在离线模式下利用2015—2018年的全球预报系统(GFS)数据驱动WRF-Hydro模型。基于LH-OAT方法对WRF-Hydro模型的6个主要参数对不同评价指标和空间分辨率的汇流演算网格的敏感性进行了分析,定量计算了各参数的敏感性指标,划分了敏感度等级,并结合典型洪水分析了各参数对洪水过程线的具体影响。结果表明:河道曼宁糙率乘子(MANNFAC)为极敏感参数,入渗系数(REFKDT)、土壤饱和导水率(REFDK)、深层导水系数(slope)为敏感参数,地表糙率乘子(OVROUGHRTFAC)为一般敏感参数,地表持水深度乘子(RETDEPRTFAC)为不敏感参数;各参数的敏感性并不是一成不变的,参数敏感度会受到评价指标的影响,有一定程度的变化;随着汇流演算网格空间分辨率的变化,各参数全局敏感度也会有小幅变化,但参数的全局敏感度等级不发生改变;MANNFAC对峰现时间的调节效果最好,REFKDT和REFDK对洪量和洪峰流量的调节效果显著,slope可以很好地调节洪水过程线的形状。

典型参数优化算法在新安江模型中的应用对比

为深入对比研究典型参数优化算法在新安江模型中的应用情况,选用4种典型优化算法:自适应遗传算法(AGA)、改进粒子群算法(IPSO)、SCE-UA和贝叶斯优化算法(BOA),每种算法重复运行50次,每次迭代300次,以安徽省黄山市呈村流域为研究区域对日尺度新安江模型参数进行率定。结果表明:IPSO优化新安江模型参数得到的流量模拟值与实测值拟合程度高且收敛速度较快;目标函数收敛值集中,有90%集中在0.158149~0.156727范围内;算法稳定性好,优化后的参数方差均值仅为0.049404。AGA和SCE-UA优化参数表现较IPSO差,较BOA好。BOA计算量小,但其收敛过程出现明显波动;目标函数收敛值分散在5个范围内;算法稳定性差,优化后的参数方差均值高达0.073751。

基于下垫面特征的包气带厚度估算及水文模拟

从新安江模型中的包气带厚度的物理意义出发,考虑土地覆盖因素、地形坡度因素、土壤质地结构因素以及气候条件等因素,分别采用了土地覆被相关法、地形指数回归法以及综合要素法对研究区域的包气带厚度进行了估算。据此计算模型参数流域自由水蓄水容量,并在金沙江下游横江流域进行模拟对比试验。相比之下,综合要素法能更为准确的计算出特定空间尺度下的包气带厚度,模型模拟效果更好,更适用于此区域的模型参数定量计算及水文模拟。

基于Mike11水动力模型的城市内涝规划研究

随着我国城市化进程加快,城市洪涝灾害频繁。针对排涝河网水文条件复杂等情况,以南京江北新区为例,采用Mike11模型开展排涝规划布局及调度规则研究。结果表明,通过水系连通,优化排涝布局,可以增加水面蓄泄能力;优化排涝调度规则,汛前提前预降水位,能够进一步优化排涝效果,提高区域排涝能力。

HBV模型在玛纳斯河流域的适用性

新疆天山北坡山区流域水文气象资料稀缺,融雪径流模拟比较困难。为研究HBV模型在新疆天山北坡玛纳斯河流域径流模拟的适用性,通过分析流域积雪覆盖率与径流的相关性,并基于中国地面降水与气温日值0.5°×0.5°格点数据集,经空间插值得到研究区多年平均降水和气温的空间分布,运用HBV模型模拟了玛纳斯河流域2000—2013年日尺度和月尺度径流过程,与SRM的模拟效果进行对比分析。结果表明:①多年月平均积雪覆盖率与多年月平均流量呈负相关,相关系数R^(2)=0.67,流域内积雪融水对径流的补给作用明显;②数据集经空间插值得到研究区多年平均降水和气温的空间分布能基本反映流域的垂直气候差异性,数据集可作为玛纳斯河流域缺乏气象资料的高山区径流模拟的输入数据;③HBV模型与SRM在玛纳斯河流域日尺度和月尺度的径流模拟效果评价等级均为良好,且HBV模型对洪峰流量模拟效果更好,整体的模拟值与实测值偏差更小,HBV模型在玛纳斯河流域具有较好的适用性。

考虑两流区影响的分布式水文模型及其应用

黄土塬区土层巨厚,土壤入渗过程包括优先流和基质流,但其两流区入渗过程不同于山区等区域。目前,分布式水文模型在黄土高原应用时未考虑优先流对降雨入渗过程的影响,造成模型在黄土高原应用时模拟失真,精度较低,大大限制了流域分布式水文模型的广泛适用性。基于传统降雨入渗模型(Green-Ampt模型),研究通过引入总土壤饱和含水量和土壤总饱和导水系数,改进分布式水文模型,构建黄土塬区两流区WEP分布式水文模型。选择黑河流域作为研究区域,分别利用改进前、后的WEP模型模拟研究区的降雨径流过程,对比验证WEP模型改进后的适用性。结果表明:与传统WEP模型相比,通过考虑两流区影响:对于月径流而言,流域断面逐月径流量相对误差绝对值均小于0.05%,Nash-Sutcliffe效率系数均大于0.69;而未改进模型的相对误差为0.06%~0.24%,Nash-Sutcliffe效率系数在0.66~0.70之间;改进后的模型率定期Nash-Sutcliffe效率系数由0.66升高至0.69,相对误差绝对值由0.24%降低到0.05%,在验证期内Nash-Sutcliffe效率系数由0.70提升到0.73,相对误差由0.06%减小到0.01%。针对日径流过程而言,模型改进后,Nash-Sutcliffe效率系数由-4.22提升到0.64,相对误差由57.17%降低到19.80%。通过考虑两流区对降雨入渗的影响,WEP模型对黑河流域断面月径流量以及日径流量过程的模拟效果明显改善,表明改进后的WEP模型在黄土塬区具有较好适用性,有助于增强对水分入渗过程的认识。

基于SWMM模型的海绵城市径流量控制有效评估方法

当前,我国海绵城市管理出现诸多问题,传统的流量控制方法,难以科学有效的实现流量控制分析,使其流量出现评估不准确的情况。为了解决上述问题,提出了基于SWMM模型下的海绵城市径流量控制效果评估方法,该方法引入SWMM模型,实现实时跟踪模拟,确定SWMM模型在城市排水系统中的组成结构。SWMM模型主要由水文模块、水质模块、水力模块三个部分组成,分别对地面径流量和污染物累积进行计算,并得到水力模块的连续性方程。同时,也考虑到路面工程建设的改建、生物滞留设施、雨水花园、透水铺装几个方面对雨水径流关系的影响,对多个角度进行控制评估。实验结果表明,通过建立基于SWMM模型的连续降雨下的海绵城市径流量控制效果评估方法,针对连续降雨天气进行分析,海绵城市径流量提高了40%以上,对于保证城市维稳和运营有着显著的效果。