Development of a Cell-based Model to Derive Direct Runoff Hydrographs for Ungauged Mountainous Basins

A model to derive direct runoff hydrograph for an ungauged basin using the physical properties of the basin is presented. The basin is divided into grid cells and canal elements. Overland flow is generated from each grid cell of the basin by application of continuous effective rainfall of 1 mm/hr to the basin. The flow generated is routed through downstream grid cells and the canal elements using the kinematic wave approach. The travel time for direct runoff from each grid cell to the basin outlet is calculated and the S-curve is derived for the basin. The S-curve is used to derive the unit hydrograph of a given duration for the basin. The model, referred as Cell-basin model was applied to the Upper Kotmale Basin in Sri Lanka and the model predictions of direct runoff hydrographs for rainfall events agreed with the observations to a reasonable accuracy. Comparison of the unit hydrographs obtained from the model and from the conventional Snyder’s synthetic unit hydrograph using regionalized parameters assuming the basin as an ungauged basin, with the unit hydrograph derived from the observations showed that the model predicted unit hydrograph was more suitable than that obtained by Snyder’s method for Sri Lankan up country basins. Thus, the present model is a useful tool to obtain direct runoff hydrograph for ungauged basins.

基于等容瞬时单位线的水文模型研究

流域下垫面空间分布的不均匀性对径流的形成有较大影响,流域蓄水容量曲线解决了流域产流空间异质性的问题,但在采用瞬时单位线进行地表汇流计算时,又将其作为空间分布均匀的净雨处理,局部产流并没有实现局部的汇流。考虑汇流时间与蓄水容量的空间相关性,通过Copula函数构造二者的联合分布,以条件概率的形式反映不同蓄水容量处汇流时间的空间分布特征,进而以等蓄水容量为计算单元,提出了等容瞬时单位线的概念,相当于采用变单位线的方式计算单元产流量的地表径流,从而可以实现局部产汇流计算过程的统一。由此,创建了基于等容瞬时单位线的水文模型IIUHH,并根据Copula函数的类型构建了多种形式的IIUHH,最后选择清江上游作为案例进行验证。结果表明:Clayton型的IIUHH在研究区域表现更优,相比于新安江模型,Nash效率系数可以提高4%~12%,Kling-Gupta效率系数可以提高13%~27%,洪峰相对误差则可降低26%~36%,较大程度上提高了洪峰和洪水过程的模拟精度。研究成果可为流域高精度径流预报提供技术支撑。

山丘区小流域SCS广义单位线产汇流模型

以山丘区小流域洪水预报为研究对象,耦合改进后的美国农业部水土保持局(Soil Conservation Service,SCS)产流模型与广义单位线汇流模型,模型参数意义明确、容易确定。选取东江流域西枝江水系上游九洲水文站以上集水区域场次洪水资料,将SCS广义单位线模型与三水源新安江模型进行次洪模拟应用对比。结果表明:SCS广义单位线模型和新安江模型在研究流域场次洪水模拟中均具有适用性,洪峰、洪量及过程线均满足许可误差要求,两个模型的合格率分别为69%和77%,整体上新安江模型的模拟精度更优。新提出的SCS广义单位线模型结构简单,参数易于确定,能够提供可接受精度的模型结果,为山丘区小流域洪水预报提供新的模型选择,同时也能为广义单位线参数区域化规律研究提供支撑。

基于BP神经网络的谢尔曼单位线优选算法研究与实践

洪水预报是防洪减灾的重要技术手段,但传统预报过程受人为经验因素影响较大。将辽宁指数模型、谢尔曼单位线、BP神经网络模型有机结合,构建LNZS-UH-BP模型。以降雨总量、降雨量时段最大、降雨强度、暴雨中心、径流深总量、径流深时段最大、初始蓄水量、单位线洪峰流量、单位线洪峰时段9项指标为输入节点,单位线编号为输出节点,构建9-3-1架构的BP神经网络优选模型,该模型可结合场次降雨特点自动优选单位线进行产汇流计算。以葠窝水库为研究区域,采用历史30场典型洪水资料对模型进行率定及精度验证。结果表明:LNZS-UH-BP模型在葠窝水库得到很好的应用,洪水要素及洪水过程都得到了很好的模拟,既提高了预报精度,又延长了预见期,使洪水预报更准确、更智能。采用LNZS-UH-BP模型进行洪水预报是可行的,在相似地区具有重要的借鉴意义。

1973-2020年洞庭湖水温演变特征

表层水温是影响湖泊水生生态系统的关键因素,研究其对气候变化的响应过程及机制是评估湖泊生态环境可持续发展的重要切入点。本文针对水温的长期演变趋势问题,基于实测水文气象数据,采用Air2water数据驱动模型重构洞庭湖长序列水温资料,研究湖泊表层水温在气象条件驱动下的演变特征,为湖泊生态环境监测、水安全保障和综合治理等提供理论依据。主要结论有:(1)尽管Air2water数据驱动模型以常微分方程的简化形式概化湖泊热力学过程,但可较准确地反演水温的变化趋势。根据长序列实测气温资料重构的19732020年洞庭湖日均水温序列具有较高的可信度。(2)19732020年,洞庭湖水温年内变化具有显著的上升期和下降期,且降温过程较升温快。在气候变暖背景下,年均水温呈现持续的波动性上升趋势,且1996年发生突变后上升趋势更为显著,其中城陵矶站和南咀站年均水温的上升率分别达到0.20和0.16℃/10 a。1996年洞庭湖流域的突变式增温主要是由冷季的显著增暖过程驱动。(3)采用广义单位线法建立水温气温之间的耦合关系,水温随气温上升的速率先增大至极大值后逐渐减缓。1996年水温发生突变后,水温随气温的变化速率略有减小,表明水温对气温响应的敏感性降低,水温气温的耦合关系有所削弱。

基于地貌单位线汇流的新安江模型在洛阳河流域中的应用

针对无资料地区的洪水预报和设计洪水计算常受到降雨流量等资料制约的问题,以洛阳河流域无资料地区为例,通过DEM数据提取洛阳河流域霍顿地貌参数,计算洛阳河流域地貌单位线,从而建立起流域汇流与地貌参数之间的响应关系,并采用三层蒸散发和蓄满产流模型,构建基于地貌单位线汇流的新安江模型,同时结合遗传算法和客观优选法思路对洛阳河流域洪水进行模拟演算,并与传统的新安江模型结果进行对比分析。结果表明,基于地貌单位线汇流的新安江模型能取得较理想的模拟结果,可为中小河流无资料地区的水文分析计算提供可靠的技术支撑。

基于DEM的地貌单位线在汉江上游洪水预报中的应用

汉江上游部分中小河流由于缺少长期实测水文资料,难以利用传统的单位线进行汇流计算。因此,提出一种基于DEM的地貌单位线方法,该方法以30 m×30 m分辨率的DEM为原始数据,采用ARCGIS提取流域水系及地貌特征参数,推导地貌单位线,进而构建流域汇流模型。以汉江上游鄂坪水库为例,挑选2020年和2021年汛期4场较为典型的洪水过程,对该流域“蓄满产流+地貌单位线”预报模型模拟效果进行验证。结果表明:基于DEM的地貌单位线在鄂坪水电站入库洪水预报中效果较好,可在汛期为水库防洪调度提供依据,同时可为汉江上游缺资料中小河流的洪水预报汇流计算提供参考。

遗传算法推求瞬时单位线参数并计算流量过程线

城市雨水地表径流模型的目的是推求城市雨水地表径流的流量过程线 ,从而模拟雨水的地表径流过程。瞬时单位线法是解决模型的一种方法。由瞬时单位线推求 S曲线和时段单位线 ,可以得到城市雨水口径流的流量过程线。瞬时单位线是该过程的基础 ,求解瞬时单位线参数 N和 K值是十分重要的。与过去用矩法求解这两个参数比较 ,介绍了用遗传算法来推求瞬时单位线参数的方法和过程 。

分布式单位线模型在流域产汇流中的应用初探

重点探讨在GIS支持下建立分布式单位线模型的方法和途径.以姜湾小流域为例,分析了姜湾流域的空间特性,如流向、坡度、理论流路图、流程的长度等,借助等流时线法推求流域的时间面积曲线(即S曲线),得出流域的分布式单位线,从而推算出流域的径流过程.经计算值与实测值对比分析,认为该模型有较好的模拟效果.该研究为GIS在产汇流中的应用提供了经验模式.

基于单位线反演的产流误差修正

为提高实时洪水预报的精度,将单位线引入实时洪水预报修正中,建立一种向信息源头追溯的反馈修正模型。用最小二乘估计原理,通过推求产流量误差,用理想模型对误差修正模型进行了验证,并对不同范围的产流量误差修正效果进行对比。在浙江长潭流域对11场历史洪水进行修正验证,效果明显,对预报精度有一定的提高。该方法结构简单,且不增加参数,物理概念清晰,又不损失预见期,可以在实际流域洪水预报中推广应用。

基于HEC-HMS模型的山洪灾害临界雨量研究

针对山丘区小流域水文过程复杂,导致山洪灾害预警预报空报漏报率过高的问题,为提升山洪灾害预警精度,将GIS技术与水文模型紧密结合,构建流域数字水系及HEC-HMS模型,确定精准化降雨径流关系,并用于山洪灾害临界雨量确定。应用于裴河小流域的结果表明:HEC-HMS模型模拟的洪峰流量及洪水总量误差均在5%以内,可有效提高洪水模拟精度,为山洪灾害预警预报提供精确的降雨径流关系;同时HEC-HMS模型短历时预警精度高于IUH模型,长历时预警偏于安全,结果合理性较好,符合山丘区易发生短历时大暴雨的成灾特性,可有效提高山洪灾害预警预报精度。

变动单位线与纳西瞬时单位线在洪水预报中的应用

针对洪水预报中采用不同的地面汇流方式影响预报精度的问题,将变动单位线与纳西瞬时单位线法分别应用于湖南省嘉禾子流域的地面汇流部分,采用遗传算法优选产汇流参数,并比较了两种方法的汇流结果。结果表明,采用变动单位线法的建模结果优于纳西瞬时单位线法的建模结果。

淮安市龙王山水库流域洪水预报研究及应用

介绍了利用新安江三水源模型计算流域的产流以及分水源及蒸发等的计算,并用变动雨强瞬时单位线计算流域的汇流,用坐标轮换法优选模型的参数.将此方法应用到龙王山水库流域,取得了比较好的预报效果.

地貌瞬时单位线研究进展

自从 Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ－ Ｉｔｕｒｂｅ 等人开创了地貌瞬时单位线的研究以来， 从理论上探讨用流域地形地貌参数定量流域水文响应， 已成为近２０ 年来水文学中最富有吸引力的研究课题之一。总结了基于 Ｈｏｒｔｏｎ－ Ｓｔｒａｈｌｅｒ 河流分级和水系随机模型推导流域地貌瞬时单位线获得的主要研究成果， 对地貌气候瞬时单位线作了综述。

分布式单位线在新安江模型中的应用

将基于空间分布流速场的分布式单位线计算方法应用于新安江模型单元流域,并将其用于大坡岭流域。结果表明:在1971—2003年的37场洪水中,洪峰流量相对误差小于20%的有36场,峰现时间误差小于2 h的有35场,确定性系数大于0.7的有36场;洪峰流量相对误差平均值为6.85%,峰现时间误差平均值为0.63 h,确定性系数平均值为0.93。将分布式单位线分析方法用于新安江模型不但是可行的,而且模拟效果非常理想。

基于VIC模型和地貌单位线的中小水库入库预报研究

为解决中小水库入库预报问题,基于VIC模型产流原理和地貌单位线汇流方法,构建了中小水库入库预报模型。其中,VIC模型产流参数基于流域气候、地形地貌、土壤等数据以及VIC模型水文参数全国网格化公式确定;地貌单位线汇流参数基于高分辨率数字高程模型提取的数字化水系获取。实例应用表明,所提出的方法适用于中小水库入库预报,预报的流量过程和入库水量均具有较高的精度;预报误差主要源于网格参数的移用、地貌单位线流速的确定、雨量站代表性的不足。

连续API水文模型的研究及应用

连续API模型是传统的以前期影响雨量(Pa)为参数的降雨径流相关图法、单位线(或等时线)法与计算机技术相结合的产物,能预报连续的过程线。本文根据连续API模型原理,对模型参数进行改进,建立洪水预报模型应用于紧水滩流域,效果良好。

应用地理信息系统技术的地貌气候单位线汇流模型

基于地貌气候单位线理论，结合地理信息系统的特点和优势，在计算机上根据地形图进行流域沟系图的绘制，并自动提取各种地貌参数，推导出一种地貌气候单位线汇流模型．经实例验证。

概念性元素的比较研究

概念性元素的选择及其排列组合方式是建立概念性流域汇流模型的关键性问题,因此比较概念性元素之间的差异具有十分重要的意义。本文以“扩散模拟河段”为标准,在时段单位线方面对概念性元素进行了比较,结果表明“加里宁—米留柯夫河段”、“线性动力波河段”以及“逆高斯分布河段”与“扩散模拟河段”比较相似,这些概念性元素具有很强的实用性：而“马斯京根河段”和“滞时演进河段”与“扩散模拟河段”差异较大,但在实际应用中多个“马斯京根河段”串联以及对于某些滞时特性比较明显的流域,它们也能取得较好的效果。

基于分数瞬时单位线的流域汇流模型研究

Nash瞬时单位线反映了流域汇流的短程记忆特性,水流的运动过程往往具有历史依赖性和路径依赖性,表现为长记忆性,而分数阶微积分非常适合刻画具有记忆和遗传性质的过程。将Nash汇流系统中微分方程的阶次由整数阶扩展为分数阶,借助拉普拉斯变换得出了分数瞬时单位线,用于描述流域汇流的长程记忆性;并选取可以忽略产流误差影响的试验数据对分数瞬时单位线进行验证后,进一步将分数瞬时单位线应用于新安江模型的地表产流计算。结果表明:该模型可以在一定程度上提高高水部分的模拟效果,从而提高整体的模拟精度,但可能受产流误差的影响,洪峰和径流总量的模拟效果并没有得到明显改善。