APPROACH OF DETERMINISTIC GEOMORPH OLOGIC INSTANTANEOUS UNIT HYDROGRAPH TO HYDROLOGICAL PROCESSES' SIMULATION IN KARST AREA

In order to analyze the condition of s pecial landform and regularity of sp ecial hydrological movement in karst area,the method of Geomorphologic Instantaneous Unit Hydrograph(GIUH)has been used to divide the river net-works into three grades in the research area and the karst hydrologic processes were simulated with Nash insta ntaneous u-nit hydrograph(NIUH).The combination of the GIUH and NIUH fully considers the moving path of wa ter particles in drainage and the regional composition of runoff at the end of the drainage,resulting in a rational combinatio n of probabili-ty of GIUH and NIUH and geomorphologic parameters which could reflect the complexity of the landform structur e of karst drainage.The results showed t hat the combined method of GIUH and NI UH has clear physical concept and acc ept-able precision,which can be widely a pplied on hydrological studies of karst area.

Time Step Issue in Unit Hydrograph for Improving Runoff Prediction in Small Catchments

Unit hydrograph is a very practical tool in runoff prediction which has been used since decades ago and to date it remains useful. Unit hydrograph method is applied in Way Kuala Garuntang, an ungauged catchment in Lampung Province, Indonesia. To derive an observed unit hydrograph it requires rainfall and water level data with fine time scale which are obtained from automatic gauges. Observed unit hydrograph has an advantage that it is possible to derive it for various time steps including those with time step less than an hour. In order to get a more accurate unit hydrograph, it is necessary to derive a unit hydrograph with small time step for a small catchment such as those used in this study. The study area includes Way Kuala Garuntang and its tributaries, i.e. Way Simpur, Way Awi with areas are 60.52 km2, 3.691 km2, and 9.846 km2 respectively. The results of this study highlight the importance of time step selection on unit hydrograph, which are shown to have a significant impact on the resulting unit hydrograph’s variables such as peak discharge and time to peak.

Developing GIS-Based Unit Hydrographs for Flood Management in Makkah Metropolitan Area, Saudi Arabia

Unit hydrographs (UH) are either determined from gauged data or derived using empirically-based synthetic unit hydrograph procedures. In Saudi Arabia, the discharge records may not be available either for several locations or for long time scales, and therefore synthetic unit hydrographs are crucial in flood and water resources management. Available metrological, geological, and land use datasets have been utilized in order to apply the US National Resources Conservative Services (NRCS) methodology in a Geographic Information Systems (GIS) environment. Furthermore, NRCS unit hydrographs have been developed for six watersheds within Makkah metropolitan area, southwest Saudi Arabia. The accomplished results show that the UH time to peak discharge vary from 1.15 hours to 4.47 hours, and the UH peak discharge quantities range from 10.14 m3/s to 16.74 m3/s. It is concluded that the third basin in Makkah city may be considered as the most hazardous catchment. Hence, it is recommended that careful flood protection procedures should be taken in this area within Makkah city.

Coupling the Xinanjiang model with geomorphologic instantaneous unit hydrograph for flood forecasting in northeast China

The Xinanjiang(XAJ)model has been successfully applied in humid and semi-humid regions.Considering the geomorphologic factors to accurately estimate floods,this study adopted the geomorphologic instantaneous unit hydrograph(GIUH)method to calculate the surface runoff instead of the experience unit hydrograph(EUH)in the original model.The geomorphologic factors of the case study basin were obtained by using a digital elevation model(DEM)and the Terrain analysis using Digital Elevation Models(TauDEM).Furthermore,the dynamic Muskingum model was used for the channel flood routing.This study focused on the simulation of heavy precipitation and floods over the Chong River,which is a tributary river to the Songhua River on the right bank in northeast China.The detailed steps of the method were shown,up to the estimated value of flood runoff discharges and flood peaks and their comparison with observed values.The average deterministic coefficients(DCs)of model calibration and validation were 0.89 and 0.83,respectively.The results show that the model precision is high and the model is feasible for flood forecasting.Lastly,some methodological perspectives to enhance the method are presented.

基于DEM的陕西省中小流域设计洪水软件开发

为规范和高效简捷地计算暴雨推求设计洪水,避免烦琐的查表和手工计算,针对陕西省中小流域设计洪水软件的空白,研发了基于DEM(Digital Elevation Model)的暴雨推求设计洪水的软件。该软件利用不同历时的点暴雨均值和变差系数等值线图生成DEM数据源,点选可自动获取工程所在位置的所有参数。采用推导的数值解法对产流过程和汇流过程进行程序开发,实现了陕西省无资料地区中小流域设计洪水计算的可视化高效计算和快捷规范的输出,显著提高了计算精度和工作效率。该软件算法和开发方法可推广应用于全国其他省市中小流域无资料地区设计洪水的计算。

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。

综合单位线在洪水预报中的应用

洪水预报对于流域和城市地区的防洪减灾工作至关重要。在流域方面,洪水预报方法发展较为成熟,城市地区的应用尚处研究探索阶段。实际工作中,大洪水期间高精度水文水动力模型不同程度的受到电力、时效性、传输条件等制约,而单位线方法简洁高效,受限因素少,能够发挥重要作用。针对当前情况,研究引入了改进的综合单位线法,评估其在流域和城市洪水预报中的实践效果。首先,基于Snyder综合单位线法计算福建省穆阳溪流域洪水过程,与新安江模型结果和实测资料进行对比分析;其次,在Snyder综合单位线的基础上考虑下垫面不透水性、坡度等,建立城市综合单位线,将其应用于在郑州城区的洪水过程线计算,并比较了该方法与主流SWMM模型模拟结果的差异。研究结果表明:综合单位线法在所选流域计算洪水与实测、水文模型结果接近,预报合格率为91.7%,且无峰现时差;城市区域计算结果与SWMM模型结果相比,大部分场次洪水的洪峰流量相对误差在10%以内,72.7%的场次洪水确定性系数在0.9以上。通过实例应用表明,相较于水文、水动力模型法,综合单位线法计算的洪水部分涨落过程优于模型结果,更符合实际过程,并且计算简洁,所需参数少,实施推广性强。进一步验证了综合单位线法在洪水预报中的优越性,为洪水过程计算提供了一种有效的方法。

广义单位线在山洪模拟中的适用性分析

广义单位线把流域对净雨的调蓄作用概化为M个等效线性水库并联,为汇流计算提供了新方法。为检验其在山洪模拟中的适用性,在淮河、长江选取4个小支流共56场典型洪水作为研究对象,与Nash单位线法对比分析暴雨洪水过程。结果表明:两种方法的模拟精度均达到了乙级精度要求标准,但从评价指标来看,广义单位线法的平均纳什效率系数、峰现时间及其合格率(0.79、0.90h、98.30%)优于Nash单位线法(0.75、1.09h、94.34%)。广义单位线综合了流域地形地貌特征,可以更好地表征流域汇流特性,适用性较强,为国内山洪灾害预警预报提供了新思路。

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。

基于山坡蓄量动力学模型的中小流域设计洪水计算

1984年的《暴雨径流查算图表》对我国无实测暴雨洪水资料地区的水利水电工程、道路、桥梁等工程洪水计算起到了关键性作用。现有中小流域设计洪水常用计算方法,如推理公式法、单位线法,其参数物理含义不明确,参数确定往往依赖经验且具有较大的主观性,极大地限制了无暴雨洪水计算手册地区水利水电工程设计。针对上述情况,引入山坡蓄量动力学模型,利用流域关键带结构特征及实测暴雨洪水资料确定模型参数,并将该模型计算洪水成果与洪水频率分析法、推理公式法、单位线法计算成果进行对比,计算结果合理。结果表明,该模型物理机制明确、参数更具有物理意义,可通过少量的野外勘测、室内实验或工程类比来确定参数;将其与流域洪水调查、野外勘测及室内试验等工作相结合,能得到合理的设计洪水计算成果,可推广应用于生产实践。

城市化背景下广东省综合单位线法的评估与修正

广东省综合单位线法作为一种在工程实践中得到广泛应用的单位线,由1983年前的雨洪资料分析综合得到,它反映了广东省城镇化之前的产汇流关系,但是目前针对其在城市化地区适用性评价与修正的研究较少。以广东省深圳市景田流域为例,基于景田水文站2011-2019年间的暴雨洪水记录资料,采用纳什效率系数、认同指数、相关系数等评价指标,对广东省综合单位线的适用性进行评价,通过Spearman秩相关系数法对重要参数进行敏感性分析,并基于拉丁超立方抽样法、约束最小二乘法等方法对广东省综合单位线法进行了修正。研究结果表明:景田流域自20世纪80年代后经历了快速的城市扩张,不透水下垫面所占比例已超过90%,广东省综合单位线法对该流域雨洪过程的刻画能力存在明显不足,提出的通过对重要参数进行率定以及对单位线进行修正两种方案都提高了模型的模拟效果。其中,针对小样本提出的基于网格搜索的交叉验证参数优化方法与约束最小二乘法的单位线修正方法,表现出良好的模拟性能,纳什效率系数、认同指数、相关系数等指标都有明显提高,较好地反映了景田流域的产汇流特性;相较于广东省综合单位线法的推荐单位线,经过修正的单位线表现出洪峰流量变大、峰现时间提前、总历时缩小的特征,更符合城市化的产汇流规律。

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。

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 I 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.

分布式坦化单位线的流域汇流研究

单位线是中小流域汇流计算的常用方法,现有综合单位线法存在无法考虑降雨时空分布不均性和下垫面异质性的问题,导致预报精度欠佳;此外,传统分布式单位线计算过程复杂,且需要大量数据,限制了其在中小流域的应用。为此,本文引入分布式单位线概念,综合考虑洪水传播时间和洪峰滞时,提出了基于流域初始单位线的分布式坦化流域汇流模型,该模型通过推求一系列坦化单位线,为各雨量站适配不同的分布式单位线,进而计算流域出口断面的洪水过程。研究以梅州流域尖山水文站点以上流域为例,基于21个雨量站点实测降雨数据,构建了分布式坦化单位线汇流模型,采用洪峰相对误差、峰现时间误差、确定性系数等指标进行模型适用性评价,并与现有综合单位线法进行了比较分析,实例研究表明所提方法的洪峰相对误差、峰现时间误差小于综合单位线法,确定性系数明显提升,整体上分布式坦化单位线法预报结果优于现有综合单位线法。所提方法简化了现有分布式单位线推求步骤,提高了洪水预报精度,易于在中小流域进行推广。

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GNSS测流系统的水文应急监测系统的应用

开展流域水文应急监测,实现水利现代化,对于流域水体综合治理是重要保障。针对枫湾河支流杨屋水河道存在的河道淤积、河道防洪治涝标准低等问题,建立基于GNSS测流系统的水文应急监测系统,以流域1、2控制断面的流量测量数据,采用监测统计与综合单位线法对比参照协调计算流域的设计洪峰流量值。进而推算治理前后的河道水面线,该研究成果可为地区水文监测及治理提供有效技术参考。

基于单位线法的城市降水径流预测方法

为提高城市降水径流短期预测和长期预测的精度,降低预测结果的绝对误差和相对误差,引入单位线法,开展对其预测方法的设计研究。为提供更可靠的预测依据,对城市流域河网水系信息进行提取,确定影响城市降水径流的各个因素;利用单位线法对城市降水径流过程进行数学描述,并完成对城市降水量的计算;引入GA-BP神经网络模型实现对城市年降水径流的预测。通过对比实验的方式,将新的预测方法与基于SCS-CN模型的预测方法应用到相同实验环境中,对同一城市降水径流进行预测。从实验结果得出,新的预测方法无论是短期预测还是长期预测,其预测精度均高于基于SCS-CN模型的预测方法,具有更高的应用价值。

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。

瞬时单位线在明江那堪站洪水预报中的实践

明江那堪镇河段受强降雨影响,易造成明江上游水位汛速上涨,因此该断面洪水预报工作是否及时有效,直接决定着当地防汛工作的决策部署。那堪站作为明江上游水文站,无实测流量资料,仅通过现有的区间雨量数据来建立蓄满产流模型,难度较大。瞬时单位线法通过给定流域单位净雨量过程计算出口断面产汇流过程,一旦建立起对应的预报模型,就能快速推算出流量过程,是解决无实测流量资料断面洪水水量计算的有效方法,此法也适用于一些跨界河流断面预报工作。以那堪水文站为例,运用瞬时单位线法构建洪水预报方案,经成果检验,该方法对于无资料上游断面及跨界河流洪水预报工作具有参考作用。