城市雨水管理模型中关键问题探讨(二)——下渗模型

城市雨水管理模型目前在我国应用越来越广泛,但对于该模型中的计算理论并未见系统的研究及分析。系统介绍该模型中下渗模型的计算方法,讨论了主要参数的取值,提出了相关的建议。针对SWMM模型中Horton方法计算过程存在的错误,提出了改进方法,通过分析Horton方法中各个参数取值影响,提出了建议取值的范围。

一种流域下渗模型

将超渗与蓄满有机地结合，建立了下渗量计算的一种模型．应用实测资料对模型参数进行了率定。

全堵塞周期内透水砖路面的下渗-产流模型研究

采用下渗曲线扣损法对不同堵塞程度透水砖路面的场次降雨产流进行模拟,研究适用于全堵塞周期内透水砖的下渗-产流模型。结果表明:4种下渗-产流模型对不同堵塞程度透水砖产流数据拟合效果由好到差依次为Horton模型、Kostiakov模型、Green-Ampt模型、Philip模型,Horton模型可以更好地描述全堵塞周期内透水砖路面的场次降雨产流过程;透水砖堵塞程度和降雨重现期均会影响4种模型对下渗产流过程的模拟效果,Horton模型和Kostiakov模型的模拟效果随透水砖堵塞程度增加而提高,Green-Ampt模型和Philip模型的模拟效果则随堵塞程度增加而降低;4种模型对全堵塞周期内透水砖产流过程的模拟效果均随降雨重现期增大呈现先降低后升高的趋势;基于模拟效果,引入堵塞程度和降雨强度修正Horton模型,建立了适用于不同堵塞程度透水砖路面的下渗产流模型。

考虑土壤大孔隙的下渗模型构建及验证

土壤大孔隙是土壤中一种普通存在的现象,土壤大孔隙体积虽然仅占土壤体积的0.1%～5%,但却很大程度上影响着水分及溶质在土壤中的运移.从物理机制出发,构建了考虑土壤大孔隙的下渗模型.将土壤分为基质流区、贯穿大孔隙流区和内集水流区.假定基质中的水流符合达西定律,贯穿大孔隙域的水流通过运动波方程来描述,内集水区为一端封闭的贯穿大孔隙,采用一维水平入渗方程描述大孔隙中的水入渗到土壤基质中.联立3个流区的水流方程,采用有限差分法求解该模型.最后利用人工模拟降雨实验验证所建模型的有效性.结果表明,所建下渗模型能够较好反映大孔隙土壤下渗过程.

可变下渗容量模型及其在黄河流域的应用

陆、气耦合是实现气候变化影响评价的关键,首先介绍了土壤-植物-大气输移方案(surface vegetation atmospheric transfer schemes,简称SVATS)中具有国际可比性的可变下渗容量模型(Variable Infiltration Capacity,简称VIC模型)。将黄河流域划分为432个50 km×50 km正交网格,由108个雨量站1960-1970年的逐日降水量资料插补到各个网格,根据土壤、植被分布资料,确定了各网格的土壤和植被参数,基于15个子流域的水文率定,将水文参数移植到相似区域,进而模拟了黄河流域径流量的空间分布;对典型支流及区间径流量的模拟效果表明,VIC模型具有较好的径流模拟能力,可用于分析、评价环境变化对流域河川径流的影响。

SWMM下渗模型算法改进研究

SWMM下渗模型无法处理模拟开始时土壤处于不完全干燥状态的情况。通过在Horton模型中引入初始下渗速率参数、在Green-Ampt模型中引入初始湿度亏损参数、在曲线数模型中引入初始曲线数参数,使土壤初始状态得以被考虑进模型计算过程中。针对SWMM中不同类型的下渗模型,给出了初始累积下渗量、初始下渗时间、初始累积降雨量等过程状态参数的计算方法。以单一降雨事件为例,说明改进算法的可行性。案例计算结果表明,在土壤处于初始不完全干燥状态时,土壤下渗能力出现了明显降低。

对新安江模型的改进

在新安江模型的结构中增加了超渗产流模型，对新安江模型进行了改进，使得新安江模型的产流理论更加完善，可以用于湿润地区、半干旱半湿润地区及干旱地区。把改进后的模型在半干旱半湿润的沂沭泗流域进行了验证和应用。

BIOME3模型在中国应用的精确度分析及其改进

通过对BIOME3模型输出结果与中国植被区划类型相匹配,在一级植被区划下,通过Kappa检验方法对BIOME3模型的模拟能力进行了客观比较分析。结果表明,BIOME3模型在植被区域等级下可以整体上较好地模拟中国植被区域(Kappa指数0.55),但存在其对草原、寒温带针叶林及热带雨林区域模拟能力较弱,对青藏高原地区植被模拟能力单一,以及在区域边界处模拟不准确等不足。本工作在3方面对BIOME3模型作出了改进:1)将原BIOME3模型中大大简化的土壤下渗过程进行了较完善的机理化改进;2)采用更为完善的美国农业部USDA系统土壤分类数据库,重新设定土壤参数;3)将站点月平均温度在空间插值的基础上结合海拔高度整理出新的格点月平均温度数据库,应用于模型输入中。修改后的模型结果显示,BIOME3模型中生物地球化学模型部分对于模型的作用增强即水分胁迫作用明显增强,可较成功地模拟中国南部的灌丛、矮林植被群区;对于青藏高原冰川区模拟能力大大加强,并具有一定的垂直地带性模拟能力。

黄河源区下垫面变化对水文过程的影响

量化评估下垫面变化对水平衡要素的影响,对揭示黄河源区径流变化归因具有重要意义。论文建立了考虑土地覆被变化(LUCC)和叶面积指数(LAI)动态变化的可变下渗容量(VIC)模型,模拟了下垫面变化条件下的降水-径流响应关系。结果表明,考虑下垫面动态变化的VIC模型能更好地模拟源区水文过程,相对误差降低8.8%~12.9%。2001—2018年LAI和LUCC综合作用导致植物蒸腾量年均增加约15%,玛曲和唐乃亥断面径流分别减少约9.19%和7.17%。LAI对径流影响较LUCC大,LAI对玛曲和唐乃亥断面多年平均径流量的贡献分别为-4.80%和4.48%,而LUCC的贡献为0.16%和-3.15%。研究解释了下垫面变化是源区降水增加条件下径流变化不显著的原因,对认识气候变化和生态保护的水文响应规律有借鉴意义。

在土槽尺度下的硝态氮迁移模拟研究

农业非点源污染研究是当前环境问题研究领域的重点和难点.目前而言土槽尺度下非点源模型的研究较少.利用大型土槽和人工降雨装置来模拟无植被坡地单次降雨过程地表径流中硝态氮迁移过程.在此基础上,适当选取AN- SWERS-2000的子模块建立起具有一定机理的适用模型,来研究土槽尺度下无植被坡地单次降雨过程地表径流中硝态氮迁移过程.经过三次实验验证,模拟的径流总量误差在4%-15%之间,CP′_A在0.7-12之间;模拟的硝态氮总量误差的绝对值在9%-17%之间,CP′_A在0.6-1.1之间.结果显示降雨径流、硝态氮浓度模拟结果与实际观测值有较好的一致性,模型模拟效果较好,模型可用于该尺度下硝态氮迁移量计算,具有一定的研究参考价值.

黄河流域1961—2012年蒸散发时空变化特征及影响因素分析

基于黄河流域1 500个0.25°×0.25°网格,应用可变下渗能力模型VIC-3L计算1961—2012年黄河流域水文过程,获得日尺度的实际蒸散发量和潜在蒸散发量数据。运用Mann-Kendall趋势检验方法和Budyko水分能量平衡公式,分析了实际蒸散发量、潜在蒸散发量、蒸散发率和干燥指数的时空变化趋势及蒸散发受水分能量供应条件限制情况。结果表明:总体上实际蒸散发量和潜在蒸散发量呈减小趋势,其中潜在蒸散发量减小趋势显著,但在流域不同区域的增减趋势不同;蒸散发率和干燥指数的变化不明显;黄河流域上游蒸散发主要受能量供应条件限制影响,而中下游受水量供应条件限制影响较大。

黄土高原雨水资源化潜力与时空分布特征

为了缓解黄土高原干旱缺水与水土流失并存的现状,基于可变下渗容量模型计算了整个黄土高原近40 a逐月雨水资源化潜力,并对各分区可利用潜力大小、构成及其时空变化特征进行了对比分析.结果表明:黄土高原可利用雨水资源化潜力总量较为可观;土壤有效水是雨水资源化潜力的主要组成部分;雨水资源化潜力较丰富的黄河河龙区间、泾洛渭流域和汾河-伊洛沁河流域,其地表径流占雨水资源化潜力比例相对较高,该区域同时又是黄河泥沙主要来源地,可重点研发和应用降雨径流汇集、蓄存和集雨补灌等技术,以达到合理调控利用地表径流、减缓水土流失的双重目的;近40 a各分区雨水资源化潜力均呈现出略微下降趋势,但该趋势并不显著;黄土高原雨水资源化潜力空间上呈由东南向西北递减趋势,可利用潜力较大的区域主要分布在黄河中游地区.

黄河流域大尺度水文过程模拟研究

大尺度水文过程模拟是分析评价环境变化对流域水文影响的重要基础工作,首先介绍了土壤—植物—大气输移方案中具有国际可比性的可变下渗容量模型(Variable Infiltration Capacity Model,简称VIC模型)。将黄河流域划分为432个50 km×50 km正交网格,由108个雨量站1960~1970年的逐日降水量资料插补到各个网格,根据土壤、植被分布资料,确定各网格的模型参数,进而模拟了黄河流域径流量的空间分布。对典型支流及区间径流量的模拟结果表明,VIC模型具有较好的径流模拟能力,可用于评价气候变化对流域河川径流影响。

Research on sustainable exploration of the geothermal water in Xiaoquan area

On the basis of discussion about hydro-geologic condition of geothermal water in Xiaoquan area, Chongqing, a three-dimensional mathematical model was established. The Modflow(a modular three-dimensional finite-difference groundwater model) software was adopted to simulate the geothermal water, and quantificational study on sustainable exploration of the geothermal water in Xiaoquan area was carried out. Firstly, a mathe- matical model was set up. Then, the geothermal water was simulated by Modflow software, and the mathematical model was identified. The simulative water level was compared with the actual water level and the mathematical model was calibrated. The feasibility of appli- cation of this mathematical model to studying underground geothermal water was proved that the simulative water level is approximated to actual one, and a right mathematical model was obtained. This mathematical model was used to simulate geothermal water under different exploitation conditions, at last the yields of sustainable exploitation includ- ing the maximum yield and the optimal yield were determined.

气候变化和人类活动对伊逊河流域径流变化的影响

借助Mann-Kendall趋势检验和突变检验对气象水文序列进行一致性分析,划分基准期(1961—1979年)和影响期(①1980—1989年、②1990—1999年、③2000—2016年),利用基准期校准的可变下渗容量(VIC)模型,采用步进式方法,探究气候变化和人类活动对伊逊河流域径流变化的波动影响过程。结果表明:研究区近56年年均气温显著升高,年降水量无明显变化趋势,流域年径流量下降趋势明显,季节尺度上流域非汛期降水量增加显著。气候变化和人类活动均会对径流产生显著影响且作用机理复杂,步进式方法对影响机理的研究较传统方法更能体现其变化过程;在降水丰沛的影响②期,冬季降水量增加会显著增加流域径流量,而在降水略少的影响①期和③期,蒸发量增加以及土壤含水量降低使得流域径流减少;人类活动耗水在影响①期和③期引起流域径流减少并且影响作用逐渐增强,影响②期由于城镇化和耕地扩张使得流域产流能力增强导致径流增加。深入研究气候变化和人类活动对径流的影响机制,可为流域水资源管理和规划提供理论依据。