基于HEC-HMS水文模型的潼三段流域2021年秋汛洪水模拟

水库精细化调度是确保防洪安全与提高水库综合效益的主要措施。以三门峡库区潼关至三门峡大坝间流域(潼三段流域)无测控区为研究区域,基于土壤、土地利用、降水、径流等数据,构建HEC-HMS水文模型,对2021年潼三段流域整个秋汛洪水过程进行模拟,分析区间各支流洪水叠加过程与径流量变化。采用径流系数法(算术平均法和泰森多边形法)计算潼三段流域径流总量并与实测值对比,验证HEC-HMS水文模型模拟结果的准确性。结果表明:HEC-HMS水文模型在潼三段流域表现出良好的适用性与可靠性,径流总量模拟值与实测值仅相差2.33%,模拟效果显著优于径流系数法。

基于长短时记忆网络的顶托影响下干支流洪水模拟研究

干支流交汇河段易发生洪水相互顶托现象,造成河段持续处于高水位,极大地增加了洪水模拟的难度。以三岔河口上游受顶托影响显著的嫩江大赉站为研究对象,首先分析识别大赉站历史洪水的顶托关系,并根据洪水顶托关系划分洪水类型;在此基础上采用长短时记忆(LSTM)网络建立洪水模拟模型,评估模型的模拟效果。结果表明,采用流量、水位变化率可以较为有效地识别洪水顶托关系,历史上嫩江受到洪水顶托影响的年份较多;LSTM模型输入中仅考虑上游来水对大赉站流量模拟精度影响相对较小,而对水位模拟精度影响显著;考虑顶托影响的LSTM模型对大赉站的流量、水位模拟精度均较高。可见,所构建的LSTM模型能较准确地模拟出顶托影响下的大赉站洪水过程,为类似流域或站点的洪水模拟提供参考。

白马关流域洪水模拟及参数优化研究

为提高山区洪水的模拟精度,以北京市密云区白马关流域为例,采用分布式水文水动力模型(HH模型)模拟2017~2022年降雨—径流过程,选取6场典型场次洪水,利用ε-NSGAⅡ多目标优化算法对HH模型的关键参数进行优化。结果表明,率定场次洪水的纳什系数介于0.89~0.96之间,洪峰流量误差达20%以内,洪量误差达15%以内,峰现时差在1 h以内;验证场次洪水的纳什系数介于0.81~0.92之间,洪峰流量误差达20%以内,洪量误差达10%以内,峰现时差在1 h以内,HH模型参数优化后对白马关流域场次洪水的模拟效果较好。最后提出了适用于白马关流域洪水模拟的关键参数阈值范围,为当地山区水文模拟参数优化提供了科学的理论依据。

基于SWAT与新安江模型场次洪水模拟研究及评估

中小河流洪水大多位于资料短缺的山丘区,具有突发性强,汇流时间短的特点,已成为当前防洪工作的重点和难点。新安江模型和SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型都是应用广泛的水文模型,但其在中小河流洪水模拟中的对比分析及效果评估方面还鲜有研究。以北潦南河为例,建立了日尺度和小时尺度的新安江模型和SWAT模型,评估2种模型在径流深、洪峰流量和峰现时间等关键要素方面的计算效果,分析各自优缺点。结果表明,在率定期间,新安江模型相对径流误差(RRE)、洪峰流量相对误差(RPE)和峰现时间误差(PTE)平均值分别为-2.6%、-4.3%、-0.3 h, SWAT模型RRE、RPE和PTE平均值分别为-4.3%、-3.3%、-0.1 h,新安江模型在RRE方面优于SWAT模型,但SWAT模型在RPE、PTE和多峰洪水模拟方面则优于新安江模型;在验证期得出了与率定期相同的结论。

地形格网大小对小流域洪水模拟影响研究

以河北省邢台市柳林流域为研究区域,通过HEC-GeoHMS模块处理30 m、90 m、1 km格网DEM数据,构建相应的HEC-HMS模型,对柳林流域选取的19场洪水进行模拟,对比分析不同地形格网大小对洪水模拟的影响,以探索基于不同格网大小地形构建的水文模型在柳林流域洪水模拟的适用性。结果表明:30 m、90 m、1 km格网模型洪峰流量合格率分别为68.4%、42.1%、26.3%;径流量合格率分别为78.9%、68.4%、68.4%;率定期和验证期纳什效率系数均值为0.59、0.57、0.46。因此,30m格网模型更适合用来进行柳林流域洪水模拟。

基于深度学习模型的中小河流洪水模拟

为了研究LSTM模型在我国众多流域中的适用性,在海河、黄河、淮河、长江流域共选取了9个小流域作为研究区域,训练并验证了LSTM在这些流域中的模拟精度。结果表明,随着预见期的增加,LSTM模型模拟效果呈下降趋势,在预见期为1~6h时可以得到良好的模拟结果,在预见期大于6h时,模拟结果较差;随着神经元数量和迭代步数的增加,LSTM模型的模拟效果有所提高,超过一定组合后,模拟效果变化不明显。研究结果可为中小流域的洪水预报提供支持。

郑州“7·20”暴雨移植下的开封市洪水模拟及淹没分析

“7·20”暴雨使河南省出现历史罕见的极端强降雨过程,该场降雨持续时间长、覆盖面积大、雨强高、降水总量大,日雨量突破历史极值;暴雨造成郑州等城市发生严重内涝,多处水库、堤防工程出现严峻险情,引发了社会高度关注。研究暴雨移植有助于提高城市应对超标准洪水的防御能力。开封市的洪涝排泄能力有限,为了探究开封市在极端洪灾下的风险调控能力及应对措施,做好防大汛的准备,将郑州“7·20”暴雨中心移植于开封市中心,降雨量级、时程分布不变,对“7·20”暴雨降雨时段取7月17日8时至21日8时,共4天。应用中国洪水预报系统,采用三水源新安江模型,马斯京根法演算汇流,模拟各控制断面断面洪水过程、流量、洪峰到达时间,并确定淹没范围。计算结果表明:在开封市暴雨移植后,累积雨量大于800 mm的笼罩面积为115 km^(2)、大于600 mm的笼罩面积为1154 km^(2)、大于400 mm的笼罩面积为2793 km^(2),小于400 mm的笼罩面积为3651 km^(2);平均淹没水深0.61 m,最大淹没水深为2.78 m,总积水量达0.92亿m³。其中0.229亿m³经惠济河进行下泄,剩余0.691亿m³的水量最快需要3.6天完成排涝。研究结果对开封市防御极端暴雨下的城市内涝、超标准洪水、超标准洪水监测预警、防洪规划、应急预案编制、响应水利部“四预”要求等具有重大的警示作用和参考意义。

暴雨移植情景下陆浑水库洪水模拟分析及应对策略研究

极端天气事件引发的暴雨洪涝灾害严重威胁水库的安全运行,从极限思维和底线思维的防汛观念出发,通过移植“75·8淮河暴雨”和2021年“郑州7·20暴雨”到陆浑水库进行洪水模拟,开展了暴雨移植情景下陆浑水库洪水模拟分析及应对策略的研究。研究结果表明:暴雨移植情景下陆浑水库现状工程的泄洪能力不足,水库需要增建非常溢洪道;非常溢洪道老虎沟出口方案施工工程量略大于汤池沟出口方案,但是后者涉及人员搬迁难度较大,故倾向于前者。根据模型试验结果对非常溢洪道的设计规模和方案进行了优化和完善。

汉北河流域强人类活动影响下的暴雨洪水模拟方法

为了研究人类活动影响下丘陵到平原区流域洪水模拟的关键问题,包括流域内降雨空间分布不均、丘陵平原产汇流差异大、下垫面受水利工程建设和调度影响等复杂边界条件,并提出相应的解决办法和模型,以汉北河为例,将大流域划分为11个单元,通过分析场次暴雨在各单元的空间分布解决降雨空间不均的问题;各单元根据各自下垫面条件进行API水文模型参数的率定,解决了丘陵平原产汇流差异大的问题,提高了模型参数与实际情况的贴合度。在模型中,将河流改道、水库、蓄滞洪区、水闸、泵站建设和调度、土地利用等人类活动对汇流的影响纳入物理模型和产汇流模拟中,以便构建符合实际调度的下垫面产汇流体系。模拟计算的洪峰的纳什系数NSE均在0.85以上,模拟结果表明洪峰流量、水位及峰现时间与实测值吻合良好。

基于非线性时变增益模型的朝阳地区中小河流洪水模拟

干旱半干旱地区中小河流洪水非线性特征十分明显,为提高干旱半干旱地区中小河流洪水模拟精度,采用非线性时变增益模型对朝阳地区中小河流洪水模拟的适用性进行分析。结果表明:非线性时变增益模型在朝阳地区中小河流模拟合格率总体可达到50%,适用于干旱半干旱地区中小河流洪水模拟。研究成果对于东北干旱半干旱地区的中小河流洪水模拟方法具有参考价值。

基于HEC-HMS模型的三峡区间洪水模拟

三峡区间面积在长江上游的流域面积占比5.6%,但在三峡入库洪水组成中,区间形成的洪水占比可达10%以上,可见区间暴雨洪水是水库防洪安全必须考量的重要因素。采用2007—2011年三峡入库流量,上游边界寸滩和武隆站实测流量资料,建立了基于HEC-HMS的三峡区间洪水模拟模型,用于分析区间暴雨洪水与入库洪水的关系。根据入库洪水来源组成分析和资料特点,提出分类调参、分期检验的区间洪水建模方案:对以上游来水为主型洪水,率定汇流参数;对区间降水贡献较大型洪水,率定产流参数;对2012年以后的模拟洪水过程,以三峡水库运行实录发布的洪水过程线为比对基准。结果表明:模型精度良好,率定期和验证期洪峰流量相对误差在±20%以内,峰现时间误差<3 h;经与长江三峡工程运行实录比对,模型适用于模拟2012年后的三峡入库洪水过程。以20160626场次洪水为典型,分析该场区间洪水对入库洪水的峰值贡献率达27.2%,使得峰现时间提前16 h。研究成果可用于三峡区间洪水的影响研究,也可作为区间流域洪水模拟模型建模方案的技术参考。

水文水力学结合的秦淮河流域洪水模拟与实时校正

针对以栅格新安江模型为代表的分布式水文模型在秦淮河流域洪水模拟预报中下游感潮河段应用精度受限的问题,以前垾村(秦)站为节点,上游采用栅格新安江模型计算产流,下游采用水动力学模型对受闸泵调度影响的感潮河段水位进行模拟,并采用K最近邻(K NN)法和反馈法对模拟结果进行实时校正。结果表明,采用K NN法校正后确定性系数为0.718~0.975,达到了乙等预报精度要求,可用于秦淮河流域洪水模拟预报。

DEM数据源及分辨率对流域洪水模拟影响研究

以半干旱半湿润区的柳林流域为例,基于无人机三维倾斜摄影7 cm高分辨率和ASTER 30m两种数字高程模型(DEM)数据源,重采样获得1 m、5 m、10 m、20 m、30 m分辨率共10套DEM,构建HEC-HMS水文模型,选择1995—2021年20场洪水进行模拟,探讨DEM数据源和分辨率对洪水模拟精度的影响。结果表明:7 cm高分辨率地形数据源的1 m重采样DEM构建的模型,模拟结果相对较好,洪峰流量、径流量相对误差绝对值均值分别为16.4%和15.7%,NSE均值为0.657;ASTER 30m DEM构建的模型,洪峰流量、径流量相对误差绝对值均值分别为16%和18.7%,NSE均值为0.646,其他分辨率和数据源的DEM构建的模型,洪水过程模拟结果也差别不大。

基于SSA-LSTM模型的增江流域洪水模拟

针对实测流量过程存在较多噪声且波动大等问题,文章构建了基于奇异谱分析和长短期记忆网络的SSA-LSTM组合模型。利用SSA方法将增江流域2000—2020年的实测流量过程分解去除噪声影响,接着利用LSTM对重构后的序列进行模型训练并得到预测结果,最后将其与随机森林模型(SSA-RF)和支持向量机模型(SSA-SVM)的组合模型进行对比。结果表明,相比于典型LSTM模型,SSA-LSTM模型的稳定性更优;以预见期3h为例,SSA-LSTM模型较SSA-RF模型和SSA-SVM模型的RMSE分别降低了35%和50%,模型具有较优的预测性能。

基于HEC-RAS对阿什河流域洪水模拟及制作洪水淹没图

阿什河流域洪水灾害事件频发,通过HEC-RAS软件,对研究区进行洪水模拟及制作洪水淹没图,既丰富中小型流域洪水研究区领域,又对当地防灾减灾和风险控制具有重要的指导意义。通过对不同重现期洪水模拟,得到5年、10年、20年、50年一遇洪水淹没最大水深、最大流速等,表明流域在河道拐角处洪水淹没水深一般偏大,在河道拐角前洪水流速会增加;并结合arcGIS等绘图工具,制作研究区洪水淹没图,丰富我国不同地区中小型流域洪水淹没图。

MIKE模型在国内洪水模拟中的应用研究进展

数学模型是洪水研究的重要工具,对比目前常用的洪水模拟数学模型,MIKE模型自开发以来因其界面简单、功能强大等优点应用广泛。文中探讨了MIKE模型在国内洪水研究领域的应用主要可分为洪水风险分析、水量调度设计、生态效益研究三方面,且具有从河道内到河道外、耦合模型替代单一模型的趋势。并通过分析关键词突现频次得出耦合模型是MIKE模型应用于洪水模拟的研究热点。最后根据目前我国在模拟精度和模型参数等方面不足提出展望。

基于HEC-HMS水文模型的太行山前流域洪水模拟

HEC-HMS(Hydrologic Engineering Center-Hydrologic Modeling System)模型能够准确模拟流域的降雨径流过程,在国内外得到广泛应用。太行山前流域暴雨洪水灾害频发,为提高太行山前流域洪水预报精度,根据流域的水文气象特征及下垫面条件,将流域划分成11个子流域,通过产汇流计算、水库调洪演算等,构建流域HEC-HMS水文模型。选择端庄水文站11场典型暴雨洪水过程,对模型进行参数率定和验证。结果表明,太行山前流域HEC-HMS模型平均纳什效率系数达0.70,洪峰流量误差、径流量误差及峰现时间误差合格率均在80%以上,构建的HEC-HMS水文模型具有良好的适用性,可用于流域的洪水预报预警和防洪管理。

基于TANK和LPM模型的华南山丘小流域洪水模拟研究

我国山丘地区面积占国土面积约67%,为探索山丘小流域洪水预报方法,提高山丘小流域洪水预报精度,针对华南山丘小流域采用TANK模型和LPM模型进行洪水模拟研究,利用V型薄壁堰测流方法得到流域实测流量,以实测流量数据对模型进行率定和验证,采用洪峰、洪量、峰现时间3个指标进行模拟效果评价,验证期合格率均在85%以上,达到GB/T 22482-2008《水文情报预报规范》中评定精度的甲等,说明TANK模型和LPM模型对小流域洪水预报具有较好的适用性。

HEC-HMS水文模型在圪洞流域洪水模拟中的应用

随着3S技术的发展,基于DEM的分布式水文模型的应用和研究已成为现代水文模型研究的热点内容之一。将流域性洪水模拟系统(HEC-HMS)应用于山西省吕梁市三川河一级支流—北川河上游圪洞水文站控制流域,利用圪洞水文站2005~2014年的实测资料进行洪水模拟,并分析了参数敏感性。其中产流计算选用Green and Ampt损失法、直接径流计算选用SCS单位线法、河道洪水演进选用Muskingum法,地下径流计算选用消退基流法。模拟结果显示,洪峰流量合格率为80%,洪量的合格率为90%,DC均值为0.71,洪峰出现时差均值为0.69h;模型参数中树冠截流量、地表截流量、土壤稳定下渗率、流域滞时及蓄量常数等较为敏感,而土壤湿润锋吸力和土壤饱和含水率等参数相对不敏感。研究结果表明HEC-HMS模型在我国干旱半干旱黄土丘陵地区具有较好的适用性,可为北方干旱半干旱黄土丘陵地区防洪预警提供依据。

江西抚河2010年唱凯堤溃堤洪水模拟反演分析

本文在中国水利水电科学研究院洪涝仿真模型(IWHR-FRAS)的基础上,针对溃堤洪水利用基于共轭离散单元的有限体积法求解考虑了水流惯性项和摩阻项的完全圣维南方程组,并建立江西抚河2010年唱凯堤溃堤洪水的模拟演算模型,进行了溃堤及洪水发展过程的模拟反演。结合溃堤后现场考察的实测资料,对反演结果进行了分析,结果表明:所建立的唱凯堤溃堤洪水模拟模型可以较好地模拟反演溃堤、修复及排水等因素影响下洪水的发展变化过程;计算的溃口流量过程与堤内外的水位变化过程相一致;溃堤后唱凯堤内的水量变化过程比较合理,与实际情况也相吻合;计算的洪痕处水深与现场观测到的洪痕水深值比较接近。模型基本能够模拟反演人工修复等因素影响下溃堤洪水的演进变化过程,可为溃堤发生后的防洪、抢险、救灾等工作的开展提供重要的技术参考。