基于数值试验的降雨径流过程对不透水面空间分布的响应分析

为解析降雨径流过程对不透水面空间分布的响应关系,构造了一个3 km×3 km的假想试验区域,面向试验区域构建了包含6个不透水率的36种不透水面空间分布,并建立相应的数值试验模型,模拟了重现期分别为2、5、10、20、50、100 a共6种不同重现期短历时设计降雨下的降雨径流过程,基于模拟结果对不同不透水面空间分布情景下的降雨径流过程进行了分析。结果表明:在同一不透水率下,不同不透水面空间分布的径流系数差异相对较小,不透水面空间分布对径流特征的影响主要体现在径流峰值和峰现时间上;在同一降雨条件下,不透水率变化是径流过程变化的主导因素,径流系数与不透水率呈线性相关关系,随着不透水率的增加,径流过程线逐渐由“矮胖”变得“尖瘦”。

牛栏江—滇池补水工程水源区不同时间尺度径流变化特征

为做好补水工程水资源调度、配置、流域水安全治理和区域防汛抗旱工作,充分发挥工程效益,基于牛栏江—滇池补水工程水源区代表站长系列水文资料,采用集中度、不均匀系数、Hurst系数、M-K趋势检验、滑动T检验等多种方法分析了牛栏江—滇池补水工程水源区不同时间尺度径流变化特征。结果表明,水源区不同时间尺度径流年际变化大、丰-平-枯周期明显;年内分配向均匀性和坦化趋势演变;最小1、7 d径流显著上升,其他7个径流趋势变化不显著,均发生突变;年、丰水期、极端最大等5个径流指标突变后径流量减少明显,枯水期和极端最小等4个径流指标突变后为增长趋势;年径流突变后8~10月来水量减少明显;预计补水工程水源区未来一段时间不易发生极端枯水事件,但总来水量可能会进一步衰减。

龙羊峡水库后汛期入库径流特征及可蓄水量分析

以1956—2022年唐乃亥水文站实测水文数据为基础,采用数理统计方法,重点分析黄河源区后汛期径流特征,并结合龙羊峡水库满负荷发电流量,对龙羊峡水库在后汛期可蓄水量进行不同情景的分析讨论。研究表明:1)唐乃亥水文站后汛期径流量年际变化较大,丰枯不均,以正常偏枯为主,多年平均后汛期径流量占汛期径流量的29.1%;2)唐乃亥水文站后汛期日平均流量在1000 m^(3)/s以上的径流量平均为8.96亿m^(3),年际变化极大,以1000 m^(3)/s发电流量运用,龙羊峡水库蓄至正常蓄水位的保证率仅为10%,多数年份汛期结束后水位无法达到正常蓄水位2600 m。建议根据后期来水,适时调整进入后汛期的时机,优化和调整龙羊峡水库年度调度方案,为高效合理利用黄河源区后汛期水资源奠定基础。

沥青道路粗糙度对径流颗粒物冲刷输出特性的影响

采用粗糙度量化沥青道路的表面特征,通过模型模拟、相关性分析等方法分析了道路表面粗糙度对降雨径流颗粒物冲刷输出特性的影响。结果表明:道路粗糙度、降雨强度是影响道路表面径流颗粒物冲刷输出过程的关键因素,道路粗糙度越低、降雨强度越大,道路表面径流颗粒物冲刷效应越强烈、场次降雨径流颗粒物累积冲刷量越大、径流颗粒物冲刷输出总体水平越高;道路粗糙度与降雨强度、径流历时共同影响径流颗粒物粒径分布,道路粗糙度为影响径流颗粒物粒径分布的主导因素,道路粗糙度越低、径流历时越长、降雨强度越大,径流中粒径不小于150μm的颗粒物体积占比越高,粒径小于75μm的颗粒物体积占比越低。

佳芦河流域设计年径流和设计洪水的广义可加模型

受气象要素变化和人类活动的影响,径流序列的一致性常遭到破坏,需要直接针对非一致性水文序列进行研究。本文以黄土高原区佳芦河流域的年径流量和年最大洪峰流量为研究对象,基于广义可加模型(GAMLSS),优选气温、降水和库坝控制下的流域有效产流面积作为协变量进行模拟分析,并采用平均设计寿命水平法(ADLL)与等效可靠性法(ER)估算非平稳序列的设计年径流及洪峰流量。结果表明:两个水文序列均具有非一致性,所构建的多协变量年径流模型的低分位数曲线和高分位数曲线的拟合效果较好,洪峰流量模型整体模拟效果均较好;GAMLSS模型及相应的ADLL和ER方法在特定重现期或概率区间能提供更高精度的洪峰流量及年径流量设计值,且较好地体现了水文序列变化趋势对设计值的影响。

绿色屋顶降雨径流特性及其结构参数优选试验研究

为研究北方半湿润区绿色屋顶降雨径流特性,探究结构参数变化对其雨水蓄滞效应的影响,为海绵城市绿色新基建提供数据支撑及引导。建立绿色屋顶(坡度0°)、普通屋顶(坡度0°)、坡面屋顶(坡度5°)3种类型屋顶的对照试验,以及基于基质层厚度、基质层、排水层和排水方式结构参数调整的五组绿色屋顶试验,基于实测降雨径流开展监测。研究表明:监测期内,绿色屋顶、普通屋顶、坡面屋顶综合降雨量的平均径流系数分别为0.27、0.50、0.77,绿色屋顶降雨径流削减效应明显。随着降雨强度增大,绿色屋顶产流概率呈逐渐增大趋势,径流总量控制率呈逐渐较小趋势,绿色屋顶对小雨~大雨级别场次降雨蓄滞效应显著。监测期内降雨事件中,绿色屋顶降雨径流系数与降雨总量显著正相关,与前期降雨间隔天数和前期降雨量为弱负相关;绿色屋顶降雨径流控制效率显著降低对应降雨强度临界值为30 mm。绿色屋顶雨水蓄滞效应影响因素显著程度由大到小依次为基质层(超轻量基质层)、排水方式(距底部5 cm排水)、基质层厚度(20 cm)、排水层(陶粒层)。绿色屋顶降雨径流特性及雨水蓄滞效应受到内、外因多因素影响,后续应基于长序列降雨监测期,进一步研究不同结构、不同尺度的绿色屋顶的海绵城市生态效应。

蒙脱土吸附去除盐酸四环素(TCH)实验研究

盐酸四环素(TCH)被广泛应用于医疗、畜牧养殖和农业等行业中,但由于在使用过程中不能被人和动物完全吸收,而是随粪便与尿液排泄进入环境水体,而TCH会破坏生态环境、危害人体健康、催生耐药毒菌,对环境和人体健康造成威胁,因此找到一种经济高效的去除方法对于水质安全非常重要。目前,水中TCH的去除方法主要包括化学法、生物法和物理法,相对于化学与生物处理法,物理法中的吸附法去除污染水体中的TCH具有成本低、环境友好、高效稳定、操作简单的特点,其中在吸附材料的选择上,炭基材料和矿物材料往往呈现粉末状,不易回收,对环境有二次污染的隐患,与之相比,凝胶材料适宜于对有机污染物的去除,因此,寻求一种价格低廉,吸附效果好的吸附剂是目前吸附法的研究热点。蒙脱土(MMT)作为一种土状矿物,表面带有大量永久性负电荷,晶体结构稳定,机械强度高,由于其价格低廉,易于获得,吸附性能优越的特点,在污水处理中,常用于吸附去除重金属离子、染料、酚类化合物,多环芳烃等,去除效果较好,但目前还没单独使用MMT进行TCH吸附方面的研究,鉴于此背景,旨在研究MMT吸附TCH的吸附性能和效果。通过研究,发现Freundlich等温吸附模型和准二级动力学模型对MMT吸附TCH具有较好的拟合效果,表明其吸附为多层吸附,且在60 min内即可达到总吸附量的87%,Langmuir饱和吸附量可达到118.6 mg/g。Gibbs自由能ΔG0皆为负值,表明MMT对TCH的吸附是自发过程,容易进行。计算所得焓变和熵变均大于零,说明吸附进程为吸热过程,吸附随机发生在固液表面,提高温度对吸附有促进作用,与温度影响实验所得结论一致,再次说明吸附过程为吸热反应,提高温度有利于吸附进行。溶液pH对吸附性能影响显著,pH从3增加到10,吸附量先增大后减小,最佳pH值为6~8。这是由于在强酸性条件下,H+与TCH形成竞争吸附,所以MMT对TCH的吸附量较低。当pH值提高,H+浓度降低,与TCH的竞争吸附减弱,因此MMT对TCH的静电吸附量提高。但随着pH值继续升高,TCH逐渐变为H2TC-及HTC2-形态,与带负电荷的MMT之间产生静电斥力,造成吸附量降低。根据上述实验结果和表征分析,分析机理可得,MMT对TCH的吸附过程包括同时包括物理吸附与化学作用,其中化学作用在其中占主导。MMT中的Al-O-H基团能与TCH分子上的三羰基酰胺基团以及羟基基团形成氢键作用,且在pH<5时存在一定的静电引力。综上所述,由于MMT成本低廉,对TCH的吸附速率快,吸附量大,在吸附TCH性能上有其独特优势,因此在实际含TCH废水处理中具有较好的应用前景。

南水北调立法对国家水网引调水工程建设的启示研究

南水北调工程是在中国乃至世界范围内规模最大的跨流域引调水工程,国家出台《南水北调工程供用水管理条例》(以下简称《条例》),作为规范其运行管理的专门立法,有效保障了工程水量调度、水质保障、供水管理、工程设施管理和保护等运行实践。文章系统总结了南水北调立法需要协调的关系,梳理了《条例》重点规范的制度及实施情况,整理了针对《条例》开展的配套制度建设情况。针对国家水网相关规划中提出的推进实施一批重大引调水工程,从及早谋划工程立法建设、强化水量统一调度、突出规范工程运行涉及的重要内容、强化对生态环境的保护等方面,对国家水网相关的引调水工程立法建设提出了建议,可为引调水工程法规制度建设提供有益参考。

基于SWMM模型的成都市降雨-径流响应研究

随着大型都市城市化进程的不断深入,城市内涝的情形也日益频繁,解析城市降雨-径流响应规律是进行城市雨洪管理的重要手段。文章以成都市二环路以内区域为主要研究对象,利用SWMM模型,通过构建成都市雨洪模型,模拟多种重现期条件下的降雨径流过程。结果表明,同一透水率的子汇水区在不同空间分布下的径流系数和峰现时间未见明显差异,而峰值系数则表现出差异性和随机性。在同一设计降雨条件下,透水率的减小使得径流系数逐渐增加,峰现时间逐渐减少,部分研究结果可为成都市城市防洪提供参考。

红水河梯级龙滩-岩滩水电站联合错峰调度研究

针对红水河与柳江交汇下游武宣防洪安全问题,在可行性分析的基础上,构建了以武宣最大洪峰最小为目标的红水河梯级龙滩-岩滩水电站错峰联合防洪调度模型。综合考虑工程特征、来水不确定性以及洪水传播时间,基于“错峰历时-控泄时机”制约因子拟定多组联合防洪调度方案,并选取典型洪水模拟对两库联合防洪调度方案集进行评价优选,制定了最优错峰调度方式。结果表明,在保证水库防洪安全的前提下,红水河梯级错峰调度方式可以充分挖掘水库防洪预报调度的潜力,在龙滩规则调度的基础上进一步削减武宣洪峰700~2500 m^(3)/s,降低水位0.3~1.1 m,显著提高流域防洪水平,为水库汛期实践优化调度决策提供思路和参考,对于缓解流域防洪压力、减免洪灾损失具有重大意义。

基于电导率质量平衡法的基流分割方法研究

本研究通过综合运用电导率质量平衡法(CMB)、数字滤波法、ECK滤波法、HYSEP法以及BFI法对科罗拉多河流域的典型水文站点进行基流分割计算,并根据电导率质量平衡法的结果对其他的基流分割方法进行参数修正。结果表明:(1)以CMB法为标准,ECK滤波法和数字滤波法的结果比HYSEP法以及BFI法更为准确;(2)根据CMB法对其他方法进行参数修正,2个水文站修正后结果准确性分别提高了5%~40%和10%~50%;(3)综合评定最适合科罗拉多河流域的基流分割方法是经过CMB法参数修正后的ECK滤波法,2个水文站经过修正后的ECK法相较于CMB法结果的误差百分比分别为1.836%和2.506%。

新安江模型敏感参数动态变化规律研究

为了提高新安江模型在变化环境下的模拟精度,揭示模型参数动态变化规律,以淮河上游大坡岭流域为研究区构建分布式新安江模型,采用Spearman相关系数对比分析了模型敏感参数(KC、SM和CS)动态变化与环境因子(降水、气温和归一化植被指数)的变化关系,并建立了回归方程用于未来参数计算。结果表明:参数KC和SM的动态变化反映了研究区域的降水、气温和植被条件变化,而参数CS的动态变化仅反映了年降水总量变化;相较于静态参数,动态参数的模拟结果精度显著提高,径流深相对误差均值从21.3%降低到9.1%,纳什效率系数均值从0.75提高到0.81,动态参数比静态参数更适用于当前变化的环境。

变化环境下汉江流域水循环要素响应规律

汉江是长江第一大支流,也是南水北调中线工程和引汉济渭工程的水源地,具有重要的战略地位,科学评估气候变化和人类活动等变化环境下其水循环的响应,对流域水资源的可持续利用和制定适宜的管理政策有着重要意义。本文以汉江流域为研究区域构建了校准后的VIC分布式水文模型,随后基于降尺度后的全球气候模式数据和不同时期土地覆盖遥感数据设置不同情景的模拟,全面分析变化环境下流域水循环要素响应规律,并量化了气候变化和土地利用对径流变化的贡献率。结果表明:不同气候变化情景下,年均降水中上游增加显著,年内降水更加集中于夏秋季节丰水期,各月实际蒸散发整体增加且年内分布更加均匀化;丹江口入库流量和流域出口断面流量在RCP8.5情景呈显著增加趋势,流域年内枯水期流量减少,丰水期流量全年占比最大增加了8.51%,未来月流量更加集中于丰水期,发生干旱和洪涝灾害的概率将会增加。汉江流域的部分稀树草原和有林地在21世纪以来转化为郁闭度更高的落叶阔叶林,土地利用的变化没有使得流量的年际变化趋势有较大改变,但使得流量整体降低了。不同时期气候变化和土地利用对丹江口入库流量变化的贡献率分别为80%~88%和12%~20%,对流域出口断面流量变化的贡献率分别为72%~88%和12%~28%,气候变化是汉江流域径流变化的主要驱动力。

土地利用变化对石羊河流域径流影响分析

土地利用和土地覆被变化(LUCC)对流域可持续发展和水资源管理至关重要。运用SWAT模型,采用1980、1990、2000、2010、2020年5个时期的土地利用矢量图,定量评估了石羊河流域LUCC对径流的时空动态影响。结果表明,1980~2020年耕地和建设用地面积逐年增加,林地、草地和水域覆盖面积整体减小;5个时期模拟的年均径流量分别为97.3、101.8、84.4、77.1、71.5 mm;SWAT模型在石羊河流域有较好的适用性,在率定期和验证期,不同土地利用情景下模拟结果均具有良好的一致性;在过去约40年(1976~2014年),石羊河流域地表径流减小,地下水补给增加,雨季地下水补给和径流量最大。

基于CMIP6的气候变化对南水北调西线工程水源区径流的影响

探讨未来气候变化对南水北调西线工程水源区水文过程的影响对其调水规划及开发利用具有重要意义。利用4种SSPs-RCPs情景下CMIP6中12个全球气候模式的输出结果,驱动DTVGM模型研究21世纪气候变化对西线工程水源区径流的影响。结果表明,在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下,2021—2100年南水北调西线工程3个水源区气温、降水量、径流量均较基准期呈现不断增加的趋势,增幅随着辐射强度的升高而增大,其中金沙江水源区年径流量及年代际径流量变化较大,对气候变化的响应更为明显。未来各月平均径流也呈现出随年代增加的趋势,但不同月份增幅存在差异,枯水期月径流量相对基准期的变化较小,丰水期增量较大。根据径流与气温、降水相关分析结果,径流量对降水的改变更为敏感,降水量的变化始终对径流具有显著影响,气温对径流量的影响程度随辐射强度的升高而逐渐变大。研究结果可为南水北调西线工程水源区适应气候变化影响及水资源综合管理提供参考依据。

WRF模型驱动的网格新安江模型及其应用

为提升输入网格新安江模型的降雨和蒸发数据的时空分布准确度,完善水文循环过程,并为进一步实现WRF模型与网格新安江模型的耦合提供基础,构建了由WRF驱动的网格新安江模型。首先,采用逐步订正法将WRF预报降雨与雨量站降雨融合来获取WRF融合降雨;然后将WRF预报气象数据输入网格新安江模型中并采用彭曼公式计算单元网格小时蒸发能力;最后由WRF融合降雨和彭曼公式蒸发能力驱动网格新安江模型在湿润的屯溪流域进行洪水模拟预报。结果表明:①WRF融合降雨具有较高精度且具有精细空间分布。相较于WRF预报降雨,WRF融合降雨与实测降雨的相关性(RR≥0.99)和拟合度(NSE≥0.98)更高,雨峰误差(-8.1%~3.5%)和雨量误差(-2.0%~6.7%)均明显减小。在空间分布上,WRF融合降雨具有比站点插值降雨更复杂的空间信息,信息熵(SE)显著增加(30.4%~48.2%),并包含了WRF降雨和站点插值降雨的降雨中心。②彭曼公式蒸发能力不仅呈现出逐小时变化规律,且与降雨过程密切相关。在空间分布上,彭曼公式蒸发能力与海拔密切相关,在中高程地区最大,低高程地区次之,而在高程较高地区最小。③WRF驱动的网格新安江模型具有较大的洪水预报潜力。相较于使用WRF预报降雨驱动网格新安江模型,由WRF融合降雨和彭曼公式蒸发能力驱动的网格新安江模型在屯溪流域的洪水预报精度明显提高,预报洪水的NSE均在0.90以上,洪量、洪峰和峰现时间合格率均达到100%。

基于前期降雨指数的SCS-CN模型在三峡库区改进与应用

径流是土壤流失的主要载体,准确预测径流量对于三峡库区土壤侵蚀预报和水库安全管理至关重要。为优化径流曲线数模型(SCS-CN)中土壤前期含水量核算方法,提高径流模拟准确性,研究通过引入前期降雨指数来表征土壤含水量,并基于实测的土壤饱和含水量设定上限阈值,对SCS-CN模型进行了改进,利用忠县水土保持监测站2019-2022年的场次降雨径流监测数据评估了模型准确性,并对改进前后模型在不同降雨类型和土地利用条件的适用性进行评价。结果表明,在两种初始模型和两种改进模型中,基于MSCS-CN改进的模型(M4)对于径流深的模拟精度更高,纳什效率系数(NSE)较原始SCS-CN模型(M1)提高了134%,尤其是在前期土壤含水量达饱和状态的情况下NSE提升至0.74,引入最大前期降雨指数(APImax)作为前期降雨指数上限值能减弱以往模型对高径流事件预测值的高估。此外,改进模型M4对三峡库区主要的产流性降雨类型(高雨强)以及主要的土地利用(耕地、果园)适用性良好,有效提高了小雨量产流事件和高侵蚀风险土地利用类型的径流模拟精度(雨型Ⅱ的NSE为0.66,耕地、果园NSE分别为0.69和0.75)。总体而言,改进模型M4提高了径流模拟精度,更适合三峡库区的产流机制、土地利用类型,能为三峡库区径流预测及水土流失防治工作提供参考。

植被恢复下黄土高塬沟壑区的产流机制与模式

明确流域产流机制及产流模式是构建水文模型和土壤侵蚀模型的基础,对流域综合治理及水资源的合理开发利用等具有重要指导意义。为揭示植被恢复对黄土高原产流机制及产流模式的影响,把黄土高塬沟壑区以草地自然恢复为主的董庄沟小流域和以人工造林恢复为主的杨家沟小流域作为研究区,分析了两条对比小流域在不同降雨类型下的场次洪水过程线及其退水曲线,研究了植被恢复下黄土高塬沟壑区产流模式变化。结果表明:1)随植被覆盖度及其生态水文功能的提升,小流域的产流能力显著减弱,洪水历时延长,地表径流量占比减小,洪峰趋于坦化,尤其以人工造林恢复为主的小流域产流过程变化更为显著;2)随着植被生态水文功能的恢复,洪水径流组分不再是单一的地表超渗径流,而是逐渐转向由超渗地表径流和壤中流构成,甚至由地表饱和径流和壤中流构成,即黄土高塬沟壑区小流域产流模式有从传统的典型超渗产流逐渐向“浅层蓄满”产流转变;3)黄土高塬沟壑区产流模式的转变,能将广义的降水资源转化为土壤水和壤中流,调节径流的季节分配,有助于增加植被生态用水,促进半干旱区植被生态系统的健康和稳定发展。

基于长短时记忆网络的山区中小流域降雨径流模拟

洪水预报是流域防洪减灾的重要非工程措施之一。目前我国中小河流暴雨洪水灾害频发,但应对短历时强降雨的洪水预报能力仍不强。以安徽省东部山区中小流域为研究对象,引入长短时记忆网络建立流域降雨径流模型,探讨其在山区中小流域的洪水模拟效果。结果表明,考虑降雨输入的空间差异可提升深度学习模型降雨径流模拟预测性能,且长短时记忆网络能够取得优于传统人工神经网络的精度;长短时记忆网络模型有效建立了流域降雨与径流间的复杂非线性关系,模型在所选流域内场次洪水的峰值模拟效果较好,训练、测试集场次洪水峰值合格率均在90%以上;长短时记忆网络内部结构特征与流域水文过程具有较好的相似性,对山区中小流域暴雨洪水非线性关系拟合效果突出。

基于PW-Maankenall和小波分析法的山东黄河段水沙变化

分析黄河水沙特征变化,对中下游农业灌溉、耕地资源管理配置等具有指导意义。文章基于黄河山东段逐年径流量、输沙量数据,运用PW-MaanKendall、Morlet小波分析方法,对1961—2020年间水沙变化规律进行解析。结果表明:近年来黄河山东段径流量、输沙量均呈现显著减少趋势,径流量与输沙量变化周期同步,以2~4a短周期为主,次周期为8~12a。研究结果为河道治理及防洪提供参考。