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”。

LID设施布局对城市径流与污染负荷影响评估

关于低影响开发(LID)空间布局对水量水质控制效果影响的研究较为缺乏。针对上述问题,以郑州市中原区为对象,基于SWMM模型原理构建布设LID设施的研究区城市水量水质模型。所提模型依据城市综合径流系数的经验值以及研究区实际情况,将中原区划分为城市建筑高、中、低密集区,并在研究区高、中、低密集子汇水区布设不同比例的LID设施(S1~S5),计算不同雨量级别下不同空间格局下的LID设施对水量水质的控制效果。结果表明:随着雨量级别的增大,LID方案的径流总量削减率、峰值流量削减率和TSS负荷削减率不断减小。在降雨级别为暴雨、大雨和中雨时,在高、中、低密集子汇水区布设占比分别为35%、35%和30%的LID方案(S5),其径流总量削减率超过80%,峰值流量削减率超过70%,且TSS负荷削减率超过50%。从各事件下水量与水质综合指标评估来看,该方案表现最佳。

黄土高原径流侵蚀功率输沙模型的改进

水土流失对流域生态危害严重,输沙量模拟和预测可以为流域水土流失防治提供依据,因此精确的输沙模型是流域水土流失治理的重要工具。为了精确模拟变化环境下黄土高原年输沙量,该研究基于黄土高原19个水文站的径流和输沙数据,通过随机森林变量重要性度量方法评估年径流侵蚀功率、淤地坝指数、淤地坝相对指数、归一化植被指数、不透水地面积等因子对流域年输沙量的影响,使用非线性最小二乘法估算年输沙模型参数,对比分析不同因子组合的年输沙模型精度,提出适用性较强的黄土高原年输沙模型,据此开展年输沙量变化贡献率分析。结果表明:1)以幂函数形式构建的仅含径流侵蚀功率单因子输沙模型精度与流域面积有显著的负相关关系,相关系数为-0.505(P<0.05),模型精度随着流域面积增大而下降,在面积大于7000 km^(2)的流域适用性较差;2)年径流侵蚀功率、淤地坝指数及不透水地面积因子组合建立的多因子年输沙模型在黄土高原适用性最佳,模型在率定期纳什效率系数平均值为0.84,均方根误差平均值为0.21亿t,在验证期纳什系数平均值为0.79,均方根误差平均值为0.27亿t。3)影响研究流域年输沙量变化的因素依次是:年径流侵蚀功率、不透水地面积和淤地坝指数。研究可以为黄土高原不同区域水土流失防治和生态治理工作提供理论支撑。

海绵措施下降雨径流模拟及污染物削减率评价

【目的】为探明海绵措施对降雨径流的削减效果和污染物削减能力,以固原市23 km2海绵试点区为研究对象,模拟不同重现期下海绵措施实施前后降雨径流及污染物的变化规律。【方法】采用高精度地形、GPU加速技术,构建适用于固原市洪涝模拟的水文水动力模型。【结果】结果表明:(1)不同降雨情景下,实施海绵措施后,年径流控制率提高16%~20%,污染物削减率均在98%左右。(2)降雨雨型对径流总量控制率影响明显,小雨量时,大部分降雨被留在当地。(3)模型模拟结果为海绵措施布置提供了指导依据,2号积水点建议布设路旁植草沟和渗井,以减少主干道往该处汇流的水量;3号积水点建议完善排水管网;6号积水点建议布设植草沟及滞留溏;10号积水点建议在西侧主干道布设生态植草沟、透水性路面。【结论】构建了适用于固原市的洪涝模型,可实现海绵措施布置对降雨径流和污染物削减率的模拟,为该城市雨洪管理和城市规划提供了科学依据。

海绵型建筑与小区年径流污染控制率计算方法探讨

【目的】年径流污染控制率是海绵城市建设中的核心控制指标,对指导海绵设施设计具有重要意义。但其设计计算过程中的计算方法与公式存在不统一或不合理的问题,须探究更适用于实际工程的计算公式。【方法】梳理了国内外对于海绵设施污染物去除率的取值来源与计算方法,分析了目前工程设计中单一海绵设施对污染物去除率的取值和地块污染平均去除率计算方法存在的问题,并对比不同地区雨水管理径流控制指标,从定义出发推导更适用于建筑与小区小尺度流域的计算方法。【结果】在建筑与小区等小尺度流域的设计中,与其他三种地块海绵设施对悬浮物的平均去除率的算法相比,采用海绵设施的有效汇水面积进行加权平均计算会更加合理;而在年径流污染控制率的计算中,引入累积污染物负荷率与累积径流体积率比例,将其转化为年平均径流污染量控制率与污染物平均去除率的乘积进行计算会更加合理。【结论】对于年径流污染控制率的计算应该积极开展试验或数值模拟,并形成适合国内实际情形的数据库。应该提高设计人员对源头海绵设施污染物去除过程的认知,避免在建筑与小区等小尺度流域的设计计算中采用不合适的公式而引起的误差。

局部土地利用类型变化对城市水文过程的影响研究

为探究城市下垫面局部土地利用类型变化对城市水文过程的影响,采用高效高精度城市雨洪模型(GAST)耦合管网模型(SWMM),模拟不同降雨重现期下动态改变土地利用类型(单块无下渗土地C_(1)、多块组合无下渗土地C_(2)、单块裸土地C_(3)、单块草地C_(4)和单块林地C_(5))对城市地表积水、管网排水的影响。结果表明:改变局部原始土地利用类型(B1)在小降雨重现期下降低了城市积水量,而在大降雨重现期下改变土地下渗面积和区域位置无法进一步减少积水,此时则需考虑非工程措施的极端暴雨应对模式。不同动态规划区域下渗强度导致管网排口流量增幅不同(C_(2)>C_(1)>C_(3)>C_(4)>C_(5)),隔渗能力越强对管网排口流量增幅影响越大,而管网径流控制率则呈相反趋势。结合对积水量的影响可知,增加下垫面下渗能力并结合排水系统可进一步降低城市内涝风险和管网排水负荷,且管网径流控制率同样可以作为评估动态规划可行性的一个重要指标。

滇西北岩质边坡生态修复基材抗冲刷性能试验研究

工程建设的开发形成了大量的裸露岩质边坡,水土流失严重,导致矿山地质灾害等一系列生态环境灾难。由于对于高海拔矿山岩质边坡的研究案例仍然很少,为了验证适合在高寒山区岩质边坡进行生态修复的生态基材的抗冲刷性能,本文采用小车边坡模拟试验进行了生态基材冲刷试验。首先测量了生态基材冲刷的径流量和侵蚀量,然后计算了坡体的抗冲刷强度,最后讨论了坡度、降雨强度、植物种类对坡体抗冲刷性能的影响,并通过现场试验,检查基材抗冲刷性能。研究结果表明:通过对比不同降雨强度下模拟边坡的抗冲刷性能指标,可以发现随着降雨强度增加,模拟坡体的径流量、侵蚀量会明显增加,坡体抗冲刷强度指标会明显下降;在同等条件下,模拟45°坡面比模拟60°坡面的径流率要高,但是侵蚀率要低;护坡植物能有效提高坡体的抗冲刷性能,不同植物的搭配对于边坡的抗冲刷性能有不同影响,从试验结果来看,混播黑麦草和紫花苜蓿效果明显强于单播黑麦草。该研究结果可为高寒山区岩质边坡的生态基材抗冲刷性能提供理论依据及边坡生态修复提供技术支持。

基于自适应交叉与协方差学习的改进平衡优化器算法

针对平衡优化器算法存在的收敛精度低和易陷入局部停滞的问题,提出一种基于自适应交叉与协方差学习的改进平衡优化器算法。首先,构建外部存档来保留历史优势个体,增加种群多样性,以提高算法的全局寻优能力。其次,引入自适应交叉概率来平衡算法的全局探索能力和局部开发能力,以提高算法的寻优精度和鲁棒性。最后,采用协方差学习策略,充分利用浓度向量之间的关系来增强种群间信息交流,以避免算法陷入局部停滞。通过对CEC2019测试函数进行仿真实验,并将改进算法与反向传播(back propagation,BP)神经网络相结合用于预测新疆玛纳斯河的径流情况,实验结果表明,改进算法在收敛精度和鲁棒性方面有显著提升,且大幅提高了BP神经网络的径流预测效果。

青藏高原大通河流域径流变化归因分析

大通河流域地处青藏高原东北部边缘,生态环境敏感脆弱,开展变化环境下水资源演变、归因研究对保护区域水生态环境,保障水生态文明建设具有十分重要的意义。采用线性倾向估计、集中度、集中期、有序聚类检验、小波分析等统计方法,分析了流域径流的年际变化、年内分配、周期和突变变化特征,基于累积量斜率变化率法和双累积曲线定量评估了气候因素和人类活动对径流变化的影响。结果表明:(1)近60 a大通河流域气候暖湿化明显,年平均气温、降水量、潜在蒸发量增幅分别为0.42℃·(10a)~(-1)和8.9 mm·(10a)~(-1)、5.6 mm·(10a)~(-1),年径流呈减少趋势,倾向率0.67×108m3·(10a)~(-1)。(2)径流集中度和不均匀系数呈微弱下降趋势,枯季径流增加趋势明显,年内分配更趋于均匀,集中期有推迟趋势,延迟速率为3.0 d·(10a)~(-1)。(3)年径流在44 a左右尺度上周期震荡明显,突变发生在1990年,突变后径流量减少3.52×108m3,流域冰川分布呈减小趋势,植被覆盖无显著变化。(4)气候、人类活动对大通河径流减少的贡献率分别为~(-1)7.7%和117.7%,降水量是流域来水的主要补给来源,跨流域调水是引起径流减小的主要驱动因素。

甘肃省泾河流域流量监测站网布局优化设计

鉴于河流流量监测站网是收集流域内径流相关水文信息的重要网格系统,立足于甘肃省泾河流域流量监测站网现状,采用径流递变率法和线性内插精度法确定大河控制站数目的上下限,采用欧氏贴近度法确定区域代表性站点,进而提出站网布局的优化方案。布局优化后的甘肃省泾河流域流量监测站总数由21站增加至27站,包括增设大河控制站1站、区域代表站5站,迁移区域代表站1站;站网密度由原来的1 476 km^(2)/站优化至1 148 km^(2)/站。研究成果实现了对甘肃省泾河流域水资源在时间和空间分布变化上的控制,提高了站网的社会效益和经济效益。

场地基于容积法的海绵城市设计方法研究

海绵城市设计作为一种新兴的城市规划理念,正在获得越来越多的关注。本研究介绍了一种海绵城市设计计算的方法,并提供了参考指导,以帮助其他项目进行海绵城市设计。通过对一座城市的案例研究,验证该方法的有效性和实用性。结果显示,通过合理的海绵城市设计,可以显著减少城市洪涝灾害的发生,并提高城市的可持续发展能力。

不同水力负荷对两种生态沟渠内沉水植物苦草净化效果的影响研究

利用农业灌排系统改造建设生态沟渠是治理农田面源污染的重要技术措施,水生植物、填料及水力负荷等是影响沟渠净化效率的重要因素。本研究以沉水植物苦草(Vallisneria natans)沟渠和沸石+苦草沟渠为研究对象,分析了不同水力负荷(HLR)下两种沟渠对农田径流中氮磷污染物的净化效果差异,阐明了苦草对沟渠脱氮除磷的贡献及其主要影响因素。结果表明,不同HLR下沟渠对水体氮和磷浓度去除率分别为47.7%~66.0%和57.5%~77.1%,随HLR升高而降低;氮和磷单位面积去除率为305.3~1009.2 mg·m^(-2)·d^(-1)和17.8~66.7 mg·m^(-2)·d^(-1),随HLR升高而升高。HLR显著影响沟渠氮、磷净化效率(P<0.05),而沸石填料则影响较小(P>0.05)。与沟渠运行前相比,苦草的密度、叶长以及总生物量(干质量)分别增加5.9~7.0、1.8~2.3倍和4.0~5.0倍,低HLR下苦草生长更好。苦草叶片及根系的氮、磷和叶绿素含量与水体氮磷含量显著正相关(P<0.05)。苦草直接吸收去除氮和磷量分别为2674.4~3384.1mg·m^(-2)和579.6~673.9mg·m^(-2),对沟渠氮和磷去除的贡献分别为5.6%~19.9%和20.1%~65.0%,苦草吸收贡献率随HLR升高而降低,HLR是影响苦草直接吸收对沟渠氮、磷去除贡献的主要因素。综上,苦草沟渠可有效削减农田氮、磷流失,提高HLR虽然降低氮、磷浓度去除率,但能显著增加氮、磷截留量。沸石+苦草沟渠长期运行后,应及时更新沸石以保障沟渠内填料强化净化功能的发挥。因此,从浓度和通量两方面对生态沟渠净化效果进行综合评价对于优化沟渠设计和运行管理具有重要实践意义。

黄河河南段水沙变化规律与影响机制研究

黄河河南段为典型游荡型河段,其水沙变化剧烈、主槽摆动频繁、河床变形严重,对河道生境产生了严重影响。以1960—2019年小浪底、花园口、高村水文站水沙数据为研究对象,结合Mann-Kendall检验、滑动T检验、小波分析等统计方法探究了黄河河南段水沙变异周期特征,并应用双累积曲线法定量评估了降雨和人类活动对河南段径流量和输沙量减少的贡献率。结果表明:河南段年输沙减少趋势大于年径流减少趋势,小浪底到花园口间基本冲淤平衡,花园口到高村间以淤积为主,河南段汛期以泥沙淤积为主、非汛期冲刷;小浪底站输沙量在1997年发生突变,而花园口、高村站径流量和输沙量均在1985年发生突变;调水调沙对于径流量增加效果要大于输沙量增加,人类活动对河南段径流输沙减少起主导作用,对河南段径流量平均贡献率为80.94%,对输沙量平均贡献率为94.95%。

基于低影响开发理念的给水厂设计

为应对因雨水径流量改变而导致的水安全问题,以合肥某给水厂为例,探讨利用低影响开发技术调节厂区径流的可能性,并建立基于SWMM的水文模型,校核调控效果。结果表明:分散式布设下凹式绿地、雨水花园、绿色屋顶、透水铺装4种LID措施,在5 a重现期内,厂区地表径流削减率平均值达到61.95%,地表下渗率平均提高36.90%,洪峰流量平均减小73.59%,节点积水量平均减少79.74%,年径流总量控制率达到77.27%,比目标年径流总量控制率提高2.27%,降低了厂区内涝风险,为安全生产提供了保障。

黄河源区唐乃亥以上流域不同区间径流差异及原因分析

利用1956—2019年黄河源区唐乃亥以上流域水文观测数据,将流域分为吉迈以上、吉迈-玛曲、玛曲-唐乃亥3个区间,分析不同区间的径流变化过程.采用Mann-Kendall[JP2]法对区间径流量进行突变检验,以径流突变年份分割时间序列,得到径流累积量、降水累积量、蒸发累积量与年份的线性关系式,对其贡献率做定量分析.结果表明:[JP2](1)产流在整个源区面上时间分布和空间分布出现均匀化.(2)黄河源区20世纪90年代后径流有所减小,2004年后各区间又发生一次突变,径流显著增加.20世纪90年代至21世纪初气温升高导致蒸发增大对径流的减小作用较为明显,2004年后降水增加对径流增加的影响显著增强,且存在降水、蒸发的变化与径流变化不一致的区间和时间系列.

北方土石山区坡面水土流失特征研究

[目的]揭示北方土石山区坡面水土流失规律,为山区土壤侵蚀防治和生态建设提供科学依据。[方法]利用1988—1991年坡面径流小区观测数据,运用统计和相关分析等方法,对不同下垫面条件下坡面水土流失特征进行了分析,并探讨了坡面径流深度、土壤侵蚀模数、土壤入渗率与有效降雨量、平均降雨强度、降雨历时、降雨等级的关系。[结果](1)在5°08′~24°08′坡度范围内,坡面径流深度随坡度增加逐渐减小,土壤侵蚀模数和土壤入渗率随坡度增加逐渐增大;(2)在2.18~33.19 m坡长范围内,坡面径流深度随坡长增加逐渐减小,土壤侵蚀模数和土壤入渗率随坡长增加呈现先增后减的变化趋势,存在临界坡长;(3)随着植被覆盖度增加,坡面径流深度、土壤侵蚀模数迅速减小,土壤入渗率逐渐增加;裸地的坡面径流深度和土壤侵蚀模数显著高于30%植被覆盖度坡面,但植被覆盖度由30%增加到60%,90%时,坡面水土流失过程的影响差异并不明显,说明在水土流失治理中存在临界植被覆盖度;(4)坡面径流深度、土壤侵蚀模数主要受到有效降雨量和平均降雨强度影响,且均呈显著正相关;而土壤入渗率主要受到平均降雨强度和降雨历时影响,与平均降雨强度呈显著正相关,与降雨历时呈显著负相关;随降雨等级的增加,坡面径流深度和土壤侵蚀模数呈增加趋势而土壤入渗率呈先增加后减少的趋势。[结论]下垫面条件和降雨因素对北方土石山区坡面水土流失过程产生了重要影响。未来应结合室内试验和模型模拟,进一步加强该区域不同自然因素和人类活动对坡面水土流失过程和影响机制的研究。

WSJL-01型自动监测系统在坡面径流场分水源监测中的应用

天然坡面径流场,是指布设在地形、土壤、植被等有代表性的天然坡地上,用于观测径流的自然集流区。为研究方便,便于建立运算模型,通常在野外设置观测场进行定量研究,面积因研究尺度不同大小不一,从几十平方米到几千平方米,场地周围应设有围堰,保证集水面积固定,场地内外没有水分交换,同时也保证计算单元的独立性和完整性。传统的径流量通常用量水堰或径流池进行径流过程或总量的监测,而实时在线监测系统进行自动监测和实时记录数据,根据径流形成原理和当地河槽切割河流深度确定三个出流通道,分别监测地表径流、壤中流和地下径流,在计算各分水源的径流量的基础上计算径流总量和径流过程。径流场监测项目主要是降水、蒸发和径流等。

西南小流域洪峰流量估算

[目的]准确预测小流域的洪峰流量,为小流域水文应用和水保措施设计提供支撑。[方法]利用重庆万州刘家沟小流域2013—2021年共215次降雨事件数据,采用皮尔逊相关分析的方法,分析了重庆小流域次暴雨洪峰流量与降雨参数和径流参数的相关关系,进而采用线性回归和非线性回归方法,根据降雨径流资料估算了洪峰流量。[结果]研究建立了适用于西南小流域的洪峰流量公式,使用172场降雨事件数据进行参数率定,其模型有效系数为0.85;使用43场降雨事件对模型进行验证,相应的模型有效系数为0.82,结果表明新公式在研究区是可以接受的。[结论]研究建立的洪峰流量公式,能够较好地预测研究流域的洪峰流量,新建公式将为重庆乃至中国西南小流域进行水土保持措施的决策、水土保持工程设施设计和土壤侵蚀评价等提供一定技术基础。

基于修正参数Budyko框架的黄河中游径流变化归因

受气候变化和人类活动的共同作用,黄河中游径流量不断减少。构建了植被变化与气候变化、与人类活动之间的回归方程,从而确定了其对植被变化的贡献率,再将其引入Budyko框架里代表人类活动的流域特征参数中,以确定气候变化和人类活动对径流变化的贡献。结果表明:1)气候变化和人类活动对植被变化的贡献率分别为14.73%和85.27%;2)降水弹性、潜在蒸散发弹性和流域特征弹性分别由突变前的3.04、2.03和3.05增加至突变后的3.48、2.48和3.33;3)气候变化对径流减少的相对贡献率之和为-7.6245%,对径流量增加具有一定的促进作用,而人类活动对径流减少的相对贡献率为107.6245%,是黄河中游径流减少的主要因素。

漓江流域径流演变归因分析

在气候变化和人类活动的背景下,进行漓江流域径流演变归因分析,有利于漓江流域生态功能的可持续利用。采用线性趋势法和累积距平法对1991—2020年流域年径流量、年降水量、年均气温、NDVI指数进行分析,结果表明各要素均呈上升趋势,分别于2015年、2012年、2017年、2010年前后发生突变。采用Pearson相关系数法分析各要素与径流演变的相关性。最后定量分析气候变化和人类活动对径流的影响,进一步佐证相关分析结果。研究表明,降雨量与径流量的相关性最高,气温与径流量的相关性最弱。气候变化对漓江流域径流演变的贡献率为58.59%,人类活动对漓江流域径流演变的贡献率为41.41%。