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BCC-CSM2-MR模式的开都河流域未来气温降水趋势分析及径流模拟

径流的趋势变化影响着流域居民的生产生活,在全球变暖的背景下分析流域未来气候变化和径流演变趋势对指导流域生产生活有着重要意义。为此,以国家气候中心研发的BCC-CSM2-MR模式作为气象数据,分析了开都河流域未来不同排放情景下降水和气温的变化情况,并以此数据驱动SWAT模型模拟了不同气候情景下径流变化情况。结果表明,在4种气候情景下流域平均气温均有所上升,其中SSP5-8.5情景下气温上升最为明显,降水则会出现一定波动,流域未来径流在枯水期差异较小,径流受气候变化影响的差异主要体现在汛期。

京津冀地区近50 a降水时空变化分析

为了明确京津冀地区近年来降水时空变化特征,使用线性回归、空间插值以及M-K显著性检验、相关性分析、小波分析等方法,结合地区DEM数据,对近50 a降水逐日、逐月数据进行处理分析。结果显示,京津冀地区年降水量呈不显著增加趋势,且存在平均周期约20 a的周期性变化;年降水的不稳定性在增强,除春季外,其余季节降水的不稳定性均在增强;夏季降水与年降水具有最强的相关性;年降水量呈现自东南沿海向西北内陆递减规律,春季、秋季、冬季降水呈现两侧多、中间少的特征,夏季降水与年降水分布特征一致;绝大部分地区年降水量呈增加趋势,增幅的空间分布与年降水量的空间分布趋势相反,夏季降水与年降水在空间上仍然具有最高的一致性。

基于改进SCS-CN模型的降水径流预测

本文利用淮北平原五道沟实验站1972—2021年降水径流106场实测资料,以径流曲线模型(SCS-CN)为基础,确定了该地区的径流曲线数(CN值),对模型参数进行了敏感性分析,引入降水量与前期影响雨量优化模型主要参数(CN值),验证期(2010—2021年)借助模型效率系数E、R^(2)及RE对传统SCS-CN模型及改进后模型进行可靠性检验。结果表明:(1)降水量P和初损率λ为定值时,CN值越大,对径流预测结果的影响越大;计算径流量Q随初损率λ的增大呈减小趋势;随着CN值增大,计算径流量Q及初损率λ对CN值的变化敏感性越低;当降水量越大时,初损率λ对降水量的敏感性越低,初损率λ的取值对计算径流结果的影响可以忽视。(2)参数优化后的SCS模型中的R^(2)=0.864,E=0.780,模型总体平均相对误差为26.67%,标准SCS-CN模型的R^(2)=0.782,E=0.230,模型总体平均相对误差为366.67%,改进后模型评价指标均高于标准SCS-CN模型,对研究区的径流预测更具有适用性。

柳河流域降水径流变化特征及响应关系分析

采用有序聚类法和M-K趋势检验法,基于柳河流域1955—2020年水文资料研究分析其降水径流变化特征及响应关系。研究表明,柳河流域的降水与径流年极值存在明显的同步性,两者均主要发生于6—9月,春季、夏季降水与径流变化显著且出现变异,春季、夏季径流呈明显下降趋势而降水量呈明显递增趋势;在年际、季节尺度上,降水与径流具有明显的变异同步性,在1960年、1995年和2009年序列均发生变异,该成果可为柳河流域水文预报、水电开发、水资源管理以及区域农田灌溉提供参考。

广州大坑河城市化前后降雨径流过程变化分析

随着中国城市化水平逐步提高,城市化对降雨径流过程的影响受到愈加广泛的关注,开展城市化对降雨径流过程的影响研究对防治城市暴雨洪涝灾害具有重要意义。基于广州市大坑河流域城市化前后多年的逐时降雨径流数据资料,采用数字滤波和Boussinesq方程对基流进行分割的方法,对城市化前后降雨径流过程变化特征进行了分析。结果表明:①随着大坑河流域城市化率提高,土地利用情况发生了改变,自然土壤转化为透水性较差的道路、建筑和其他人工设施,不透水面面积增加,下垫面硬化,进而导致流域地表径流量、洪峰流量、径流系数增大,流域滞时减少;②城市化后地表径流系数和洪峰流量增大幅度随着总降雨量的增加而提高,原因可能与城市内雨水管网对径流的减少能力和城市化对下渗作用的减弱效果在总降水量不同时对降雨径流过程的影响程度不同有关。这些变化将会对大坑河流域内水资源的管理和洪水防治等方面提出新的挑战。

基于SWMM模型的重庆某工业园区海绵城市设计验证分析

为评估工业园区典型海绵城市设计对年径流总量控制率、径流峰值、节点积水的控制效果,以重庆某工业园区作为研究区域,运用SWMM模型对该区域海绵城市设计进行建模,并进行改进Horton下渗模型计算。研究表明:工业园区年径流控制率主要通过源头LID设施实现,在难以实现时可采用末端调蓄设施;削峰效果仅在重现期P≤1a时可主要通过源头LID设施实现;应合理设计洼地地形及面积,以解决源头LID设施无法吸收的局部积水问题;末端调蓄设施是应对连续降雨产流影响的有效措施。验证分析结果旨在探寻工业园区源头LID设施及末端调蓄设施在满足不同功能时的海绵性能以及两者的搭配原则,以为工业园区海绵城市设计提供技术参考。

南太子河流域降雨-径流特征分析

本文采用南太子河流域南甸站1958-2022年的年降雨径流数据,通过Mann-Kendall趋势分析法分析近65年来流域降雨径流的趋势及突变点,应用EEMD分析方法进行多时间尺度分析,提取出该流域降雨、径流的年际频率特征,为该流域防汛、抗旱、水利规划提供依据。

于桥水库入库天然径流量分析

于桥水库1960年建成,是天津市重要的水源地,是引滦入津工程中重要的水库,1975年加固设计阶段采用1931—1972年水文系列分析了年入库径流量成果。根据于桥水库站实测径流量成果、历年引滦水量及上游遵化市农业灌溉、工业等统计资料,还原了于桥水库入库天然径流量成果。还原后成果较1975年设计成果降低较多,其原因是于桥水库流域年降雨量呈减少趋势,降雨量减少是造成地表径流量减少的主要原因;20世纪70年代后于桥水库流域上游支流兴建了3座中型水库,加上流域综合开发等人类活动频繁和工业、农业、生活用水增长,直接造成于桥水库入库天然径流量的衰减。

阿拉沟流域汛期时段划分确定

汛期确定对于防汛抗洪和水文监测至关重要,基于阿拉沟流域概况和水文气象特性,以阿拉沟水文站为研究对象,采用径流占比和统计法,在分析阿拉沟水文站日均流量过程、旬月径流特性和年内累计水量占比分析的基础上,对阿拉沟流域汛期日、主汛期时间进行探讨,提出阿拉沟汛期为5月1日至8月30日,主汛期为6月1日至8月20日。可供类似地区参考借鉴。

基于深度卷积神经网络的降雨径流预测方法

为了更加准确的预测径流,本文提出了一种基于深度卷积神经网络的预测方法。运用模型进行训练和测试,与传统的降雨径流预测模型进行对比分析。研究结果表明:所构建的深度学习机更好地模拟了数据内部复杂的非线性。即使观测值有限,也能保持很好的预测能力。新模型实现了多个预测(1h、3d或5d),以展示更好的模型性能。深度卷积神经网络预测方法可以推广到类似的气候区,针对不同的水文条件,需要对其进行修正,以预测新区的径流量。

基于SWMM模型的服务区降雨径流和非点源污染控制研究

为解决高速公路服务区降雨径流污染物控制问题,以铁山服务区为例,采用SWMM模型构建了服务区水文和水质模型,基于LID设施选取原则与服务区场地条件,研究了不同暴雨重现期条件下无LID设施、渗透铺装与绿色屋顶组合、下凹式绿地与绿色屋顶组合、渗透铺装与下凹式绿地组合4种方案下服务区雨水径流及污染物的控制效能。结果表明,3种组合LID设施对服务区降雨径流量、径流峰值、污染物浓度和污染物总负荷均有一定的削减作用,其中渗透铺装与下凹式绿地的LID组合设施方案截污减排效果最优;LID设施在降雨强度小时对降雨径流和污染物的控制效能较降雨强度大时更强。

基于互信息及人工神经网络的降雨-径流预报方法

输入变量空间信息的提取、筛选与输入优化是提高数据驱动水文模型性能的关键环节。为提高数据驱动短期径流预报模型效果,以全国第二届水科学数值模拟创新大赛题目为算例,基于互信息及人工神经网络方法构建降雨-径流水文模型,进行小时尺度径流预报,探讨互信息对人工神经网络模型在降雨-径流预报精度提高上的作用。结果表明,基于互信息及人工神经网络的降雨-径流预报模型模拟精度高,适用性较好,验证期纳什效率系数和相关系数分别为0.94、0.96。互信息方法能够实现径流预报模型的输入优化,避免数据冗余,可为空间信息缺乏流域径流预报因子选择提供新思路。

分布式SCS-CN有效降雨修正模型建立及应用

为解决SCS-CN模型改进后方程结构复杂的问题,基于SCS-CN标准模型,经与SCS-CN改进模型比较,引入有效降雨修正系数建立SCS-CN有效降雨修正模型,并对城市低影响开发复杂区域综合考虑LID设施蓄存容积对降雨径流的影响,构建基于水文响应单元的分布式SCS-CN有效降雨修正模型,以北京双紫园小区为例开展降雨径流模拟与效果检验。分析SCS-CN有效降雨修正模型,当对修正系数取值等于1.0时其等同于标准模型,当对修正系数取值小于1.0时其等效于改进模型;修正系数表征了径流系数随降水量增大而变化趋向稳定的极限值。模型应用结果表明,分别对渗透地表有效降雨修正系数取值等于1.0与小于1.0,两者对不同场次降雨径流深的计算值与实测值散点均位于45°线附近、符合较好,确定性系数与Nash-Sutcliffe效率系数值分别为0.91与0.83、0.92与0.91,后者效果优于前者,说明对渗透地表有效降雨修正系数取值小于1.0能够有效提高模拟效果。

基于WA-BP耦合模型的流域径流变化归因分析

为了研究气候变化和人类活动双重影响下径流演变趋势,以秦淮河流域为例,基于代表站点的水文气象资料,首先,采用Mann-Kendall趋势检验分析流域水文气象要素的变化趋势;其次,利用有序聚类法和双累计曲线法判断径流序列的可疑突变点;而后,从众多水文气象因子中筛选影响径流的关键因子,构建小波分析-BP神经网络(WA-BP)耦合模型预测突变点后的天然径流;最后,结合归因分析法定量识别气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。结果表明,降雨方面,新河闸呈下降趋势,武定门闸和流域整体呈上升趋势,但变化趋势均不显著;径流方面,流域总体呈上升趋势,其中新河闸增加趋势不显著,武定门闸和流域整体增加趋势均通过了置信度为0.01的检验;流域蒸发总体呈下降趋势。武定门闸与流域整体在降雨径流变化趋势、突变点发生时间等方面具有较大的一致性。人类活动和气候变化对径流增加的贡献率分别为73.92%、26.08%,可见人类活动是秦淮河流域径流变化的重要原因。结果对于该流域水旱灾害防治及水资源规划提供了科学依据。

CMORPH卫星站点融合降水的沂河流域径流模拟适用性评估

为验证卫星地面融合降水在北方半湿润地区径流模拟中的适用性,对比了2008~2012年沂河流域汛期的CMORPH融合降水和实测网格降水时空分布,并分别驱动HEC-HMS模型进行日径流模拟、洪水模拟,进而评估利用卫星地面融合降水进行洪水预报的可行性。结果表明,在沂河流域,CMORPH卫星站点融合降水与实测网格降水具有较高的相关性,其洪水模拟精度与实测网格降水相当,径流深和洪峰的预报能力更优,在研究区洪水预报中具有很好的适用性。

厄尔尼诺-南方涛动影响下月尺度水文模型参数可移植性

以浙江省3个流域作为研究对象,采用两参数月水量平衡模型(XM模型)和四参数月水量平衡模型(ABCD模型),结合极大似然不确定性估计方法(GLUE)对水文模拟的不确定性区间进行估计,在此基础上,研究不同模型在ENSO(厄尔尼诺-南方涛动)和不同流域地理情况下的参数移植能力。结果表明,厄尔尼诺时期的参数移植至拉尼娜时期,模型模拟效果要略好于拉尼娜时期的参数移植至厄尔尼诺时期;参数少的模型(XM模型)参数移植合格率要优于参数多的模型(ABCD模型);相邻流域间的参数移植效果要明显优于距离较远的流域;ABCD模型具有更好的空间可参数移植能力。

河北平原典型小流域降雨入渗补给规律研究

准确计算降雨入渗补给量是评价平原区地下水资源量的基础,传统的年补给系数法未考虑降雨特征、土壤墒情等因素影响,导致评价结果精度不高。本研究以河北平原下博和沧县运西两个典型小流域为例,采用动态分析法研究次降雨的入渗补给过程。结果显示以7 d为时间间隔适合作为划分次降雨的标准,次降雨量加土壤含水量(P+SW)与降雨入渗补给量(Pr)相关性最好,优于次降雨量(P)和次降雨量加前期雨量(P+Pa);动态分析法计算的降雨入渗补给量较传统降雨入渗系数法,精度提高22%~40%,且年补给系数法高估了河北平原区的年地下水补给量。本研究为河北中东部平原准确评价降雨入渗补给量提供了技术参考,对支撑区域的地下水合理开发利用及地下水超采综合治理具有较强的科学和实践意义。

水文计算中伽玛函数的计算方法研究

伽玛函数作为水文频率及洪水计算中应用广泛的函数,计算方法众多,适用范围和计算精度各不相同。为探索适合水文计算的高精度伽玛函数计算方法,采用斯特林级数及其衍生的近似式等不同伽玛函数渐进展开公式进行计算分析,比较各种方法的适用范围及计算精度。结果表明,分段多项式法截断误差最小,成果精度最高;其次为Ramanujan渐近展开式和stirling前四项式。推荐的高精度伽玛函数计算方法可提高水文成果的精度,为各类涉水工程规划、设计中确定工程规模和管理决策提供快速精准的成果。

基于Copula函数的永翠河流域降雨径流特征分析

基于永翠河流域带岭(二)站1964—1987及1995—2014年共44年逐月降水径流数据,利用非参数法确定水文要素边缘分布,运用3种Archimedean Copula函数构建出降雨-径流的联合分布,选取最优Copula函数并进行流域内降雨径流的相关性分析。结果表明:利用非参数随机模型的核密度估计方法生成的边缘分布符合精度要求;3种常用Archimedean Copula函数中,对流域降雨-径流联合分布拟合效果最好的是Gumbel Copula函数;永翠河流域降雨量和径流量之间存在较强的上尾相关性。该研究对流域水资源管理有重要意义,也可为该流域径流随机模拟提供理论支撑。