基于机器学习降雨动态时空特征识别山丘区小流域洪水预报方法研究

山丘区洪水产汇流速度快,破坏力强,预报难度大。如何进一步提高山丘区洪水预报的准确性和预见期,是当前亟待解决的主要问题。针对该问题,本文基于机器学习技术,创新性地提出了一种洪水预报的新方法。该方法通过识别与当前降雨动态时空特征最相似的历史降雨洪水过程,“借古喻今”进行洪水预报。结果表明,在人为影响小、流域面积在600 km^(2)左右的山丘区小流域,该方法预报洪峰流量平均误差为8.33%,洪量平均误差为14.27%,峰现时间平均误差1 h,均达到了洪水预报精度要求。区别于传统的洪水预报方法,该方法从整场降雨发展趋势的角度上预报山洪,更有针对性,为山丘区小流域洪水预报提供了新思路,为“三道防线”数据深度挖掘,防洪“四预”智能化水平提升提供有力技术支撑。

降雨过程特征对雨水排水系统溢流的影响研究

降雨过程特征变化是引发城市内涝的重要因素之一。文章使用多降雨情景模拟,以降雨因素中降雨重现期、降雨持续时间和雨峰系数为变量进行冗余分析(redundancy analysis,RDA),全面探究各降雨因素对雨水排水系统溢流的影响。结果表明:节点溢流量和排放口径流量受降雨重现期影响最大;重现期、持续时间和雨峰系数的变化对节点溢流都具有显著性影响,其影响程度从大到小依次为重现期、持续时间、雨峰系数;使用K-means聚类对节点溢流多指标综合分析,为未来降雨条件下雨水排水系统溢流风险进行预测。

秦淮河流域典型排涝泵站前池水质与降雨特征响应关系

为分析排涝泵站前池水质与降雨特征的响应关系,对南京市城区秦淮河沿线2个排涝泵站前池水质以及降水量开展高频在线自动监测,结合回归树方法分析了不同降雨强度、前期干旱时间条件下排涝泵站前池水质变化规律,探讨了不同类型排涝泵站前池水质的主要影响因素。结果表明:晴雨天均有生活污水汇入的A泵站前池氨氮质量浓度在大雨强下降低,中雨强下先升高后降低,小雨强下平缓上升,A泵站前池污染物质量浓度主要受降雨强度和次降水量影响;主要接收降雨径流,雨量大时有生活污水溢流汇入的B泵站,前池污染物质量浓度在大雨强下先升高后逐渐降低,中雨强下降低,小雨强下变化不大,B泵站前池水质主要受次降水量、前期干旱时间和降雨强度影响;2个泵站前池COD_(Mn)质量浓度变化与降雨的响应规律相似,但更多受到与前期干旱时间关联的地表径流冲刷作用影响;连续降雨均导致泵站前池氨氮质量浓度和COD_(Mn)质量浓度波动变化较大,而前期干旱时间越长,降雨发生后泵站前池水质越差。

亚热带常绿阔叶林和杉木人工林有机碳流失动态特征对降雨的响应

揭示亚热带森林土壤有机碳流失规律是制定相应措施以巩固和维持森林生态系统碳汇的关键。然而已有研究存在的监测对象单一、频率过低、时间过短等问题,导致对这一规律的认识仍然不足。选择亚热带典型的常绿阔叶林和杉木人工林为研究对象,每次降雨过后监测其径流量、泥沙量,分析径流和泥沙中的可溶性有机碳(Dissolved organic carbon,DOC)含量以及颗粒有机碳(Particle organic carbon,POC)含量。旨在比较两种森林DOC和POC流失量的差异,并分析二者与降雨量、降雨强度、5 min最大雨强和降雨侵蚀力四个降雨特征值的关联。拟验证以下两个问题:(1)杉木人工林的DOC和POC流失量是否高于常绿阔叶林;(2)降雨侵蚀力对DOC和POC的解释是否优于降雨量、降雨强度和5 min最大雨强。研究结果发现常绿阔叶林径流量、泥沙量、径流水中DOC浓度和POC浓度、DOC和POC流失量均显著高于杉木人工林。回归分析表明常绿阔叶林和杉木人工林DOC和POC流失量与降雨量、降雨强度和降雨侵蚀力呈显著的线性或幂函数相关,其中降雨量与DOC和POC流失量之间的拟合关系最优。常绿阔叶林产流和产沙量高于杉木人工林可能与前者的林下植被生物量较低有关,前者径流水中DOC浓度和POC浓度较高可归因于其较高的总生物量和土壤有机碳含量。在未来森林经营过程中应合理管理林下植被,尽量减少和避免林下植被的抚育伐,从而能够降低有机碳的水土流失,达到巩固和维持森林碳汇的目的。在未来气候变暖导致降水变化背景下,利用降雨量作为预测指标能够较好评估我国亚热带森林有机碳流失的风险。

果园面源污染来源和迁移特征及影响因素研究进展

[目的]探明果园面源污染的来源、迁移特征及影响因素,为科学防控果园面源污染、改善土壤及水环境质量提供理论依据。[方法]基于国内外最新研究成果,分析果园氮磷、重金属、农药等污染物来源、迁移特征及影响因素,剖析现有研究不足,提出未来研究方向。[结果](1)果园肥料氮施用强度[565~1071.2 kg/(hm^(2)·a)]、氮磷流失系数总体高于农田,氮磷易在坡地果园坡底累积,在土壤中空间变异性高于农田和茶园。(2)在果园未被污水灌溉、周边无工业活动情况下,施用的肥料和农药及交通活动是果园土壤重金属的主要来源,重金属在土壤剖面迁移范围约在0.005~0.8 m。(3)果园苯并咪唑类、除虫菊酯类农药用量分别约为450~4 050 g/hm^(2),60~150 g/hm^(2),弱吸附性农药施用后受短期降雨影响大,中等吸附性农药受到降雨和蒸发双重影响,河流中农药含量呈现与降雨相关的季节性。(4)控制果园面源污染应优先处理初期径流,有效截留泥沙。林下生草可削减径流7.1%~98.7%,控制泥沙15.7%~99.8%,截留氮、磷分别为4.6%~98.5%和15.3%~96.6%,削减重金属18.8%~90.1%。(5)果园面源污染迁移特征与降雨时空分布一致,20%地表径流约输出50%以上污染负荷,极端降雨下果园径流系数、氮磷流失为普通降雨的2.6和11.5倍,降雨量、降雨强度是影响重金属和农药迁移的主要因素,在持续时间长,强度中等的降雨模式下,重金属和农药更容易下渗和往下游迁移。[结论]国内果园精细化管理尚在起步阶段,未来有待探明复杂因素影响下果园面源氮磷、重金属、农药等污染的迁移规律,精准识别面源污染影响时空范围与程度,科学阻控面源污染,在保障果品前提下有效减少面源污染流失,提升果园生态效益,降低环境风险。

黄土丘陵区柠条人工林土壤水分动态变化特征及降雨特征对其影响

明确黄土丘陵区降雨对土壤水分影响,对准确评估降雨格局变化对生态系统结构和功能的影响具有重要意义。以陕北黄土丘陵区退耕地栽植后自然撂荒23年的柠条人工纯林为研究对象,通过土壤湿度传感器监测不同土层土壤体积含水量,探讨不同土层土壤水分补充增量对降雨特征(降雨量、降雨历时和降雨强度)的响应。结果表明:(1)土壤水分消耗和补充主要集中于0-500 cm土层,其月变化在垂直剖面呈“双峰”(4—5月)、“单峰”(6月)和“双峰”(7—10月),随土层深度增加变化率减弱;(2)当降雨量>4 mm时表层土壤水分得到有效补充,当其超过142.8 mm时补充深度可到达200 cm土层,其中长历时强降雨较短历时强降雨对土壤水分补充增量小,但其补充深度较深,达到峰值时间长,但小降雨长历时则土壤水分补充增量较小;(3)降雨特征对土壤水分影响随土层深度增加而减弱,其中降雨量和降雨历时对土壤水分影响主要在0—50 cm土层,而降雨强度对其影响主要在0—30 cm土层。降雨量(降雨历时)和土壤水分补充增量对数拟合最优,而降雨强度与其则表现为幂函数拟合最优,其可分别解释土壤水分补充增量的39%~76%(降雨量)、0~97%(降雨历时)和1%~91%(降雨强度)。综上所述,降雨量越大,降雨历时越长,对深层土壤水分补给增量越大,且土壤水分消耗和降雨对其补充分别在0—500 cm土层和0—200 cm土层。

广西“雨窝”降雨特征及成因分析

采用广西逐日和逐小时降雨数据,统计分析广西十万大山南侧雨窝的时空分布特征和变化趋势,并采用实况、云图雷达、NCEP再分析格点资料,选取弱强迫天气形势下典型的雨窝暴雨个例,进行个例分析和合成分析,对广西雨窝暴雨的成因进行初步探讨。结果表明:(1)十万大山南麓为广西的雨窝,与周边区域对比,广西十万大山南侧为降雨中心,也是中国大陆年降雨量最大、年暴雨日数最多的地方。(2)作为雨窝的代表站,东兴市雨量丰沛,降雨集中,降雨的月季变化为单峰型,7月为降雨量的高峰月,东兴市年降雨量、四季雨量的变化趋势不明显,但汛期的雨量呈减少的趋势;雨日出现时间较分散,雨日逐月变化呈现出多峰结构,年雨日、四季雨日、汛期雨日均呈减少趋势。暴雨频繁,暴雨和短时暴雨均集中出现在6-8月,7月达到高峰,短时暴雨出现在05-08时的可能性最大,12时到次日00时是低谷,暴雨和短时暴雨的时间趋势变化特征均不显著。(3)广西雨窝位于低纬地区,来自北部湾海洋的暖湿气流把源源不断的水汽和不稳定能量输送到广西沿海上空,遇到十万大山地形抬升和水汽辐合,产生的雷暴雨团沿山脉走向移动,产生“列车效应”而形成,广西雨窝的成因和北部湾及十万大山的地形密切相关。

四川盆地一次持续性暴雨的降雨特征和环流异常分析

利用四川盆地逐小时雨量资料和ERA5再分析资料,分析了2020年8月10~18日盆地西部持续性暴雨过程的降雨特征和大气环流异常情况。结果表明:本次持续性暴雨过程具有总量大、历时长、雨强强的特征,日雨量、小时雨量均表现出显著极端性,强降雨多发生在海拔从500 m陡升至2000 m的迎风坡一侧40 km范围内。偏东、偏强的南亚高压和偏西、偏强的副热带高压稳定少动,高空槽东移南压受阻挡后与高原槽叠加持续影响四川,为持续性暴雨提供了有利环流背景。孟加拉湾是水汽的主要来源地,持续且极端偏强的水汽供应为持续性暴雨的产生提供支持。过程前期大气层结处于对流不稳定状态,热力作用显著;过程中后期热力作用减弱,西南涡发展深厚,动力作用增强,涡度和散度特征较历史同期偏强,强的动力条件使暴雨得以持续。

不同降雨条件下沂蒙山区典型小流域水土流失变化特征

基于孟良崮小流域2007-2021年历次降雨事件的降雨、径流、泥沙等水文气象数据,采用皮尔逊相关分析法探究降雨量、径流量、输沙量之间的关系,并选取2014-2021年产流降雨数据,利用K均值聚类算法,分析不同类型降雨条件下次洪水事件的产流输沙特征,以及降雨类型对流域径流量、输沙量的影响。结果表明:径流深、径流量与降雨量,以及侵蚀量与径流量、含沙量与I30之间均呈显著正相关关系;相比降雨量,降雨强度是产生水土流失的主要因素;小雨量、小雨强的Ⅳ型降雨是流域常见的降雨类型,发生频率为44.8%;Ⅲ型降雨的产沙模数和平均含沙量均为最大,是该区域产流产沙以至发生水土流失的主要降雨类型。

降雨影响下库区坡面水土流失特征研究

为有效防治坡面水土流失对库区水生态、水环境的破坏,以山西某库区为例,通过试验观测,对比分析降雨侵蚀下库区各水土保持措施区的土壤流失量和径流深度的变化。结果表明:研究区Ⅰ型大雨出现的次数最多,占比64.5%,降雨侵蚀力均值从Ⅳ型至Ⅰ型依次减弱;降雨种类相同时,除了旱地农作物之外,其余水保措施区域的径流深都要小于裸地;苹果加植物篱的径流深较低,裸地和只有苹果的径流深近似;在农作物区域,植物篱对径流造成的影响和苹果地近似;种植紫穗槐的区域泥沙减少幅度最大,减沙率达到50%以上;减沙幅度最小的区域为农作物区域,减沙率仅达到30%~40%。

基于多距离融合的场次降雨时空相似性比较

【目的】降雨相似性分析是一种用于比较和评估不同降雨事件之间相似性的一种方法,可用于降雨径流过程的预测。针对降雨时空分布特征,以北京市中心城区2008—2021年为数据样本,提出了一种基于多距离融合的场次降雨时空相似性比较方法。【方法】首先通过设置雨量占比阈值,进行降雨场次划分,共划分位于汛期(6—9月)降雨225场。随后提取降雨量、降雨历时、降雨强度、降雨中心范围等特征要素,并计算3个方面的降雨特征距离:降雨要素距离、降雨中心距离、降雨总量距离。同时为了更好综合特征距离,采用主成分分析方法进行距离融合计算权重,得出最终的距离,并根据计算结果进行相似度排序。【结果】通过对33号和120号两场降雨的比较,从降雨量分布图、降雨中心范围图及降雨特征要素的直观对比,展示了较高的相似度,经过计算的综合相似度为78.46%。【结论】结果表明:该方法综合考虑了降雨的强度、空间范围和降雨总量等方面的差异,能够提供准确可靠的场次降雨相似性分析结果,并为城市洪涝预警和灾害防治提供有益工具。

降雨特征对西北地区海绵改造小区径流控制效果的影响

为研究海绵措施对降雨径流的削减效果和不同降雨特征对海绵措施的影响,以宁夏固原市玫瑰苑小区为研究对象,构建暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model,SWMM),模拟不同重现期下研究区域海绵改造前后径流过程的变化。结果表明:(1)布设低影响措施对排水口1、2、3的径流削减效果明显。(2)重现期为1 a、5 a、10 a时,径流峰值和径流总量削减率分别可达到25%和10%,排水口水位峰值削减率可达到10%,且海绵措施可以适当延后洪峰出现时间;对于较大的降雨,海绵措施对径流的削减作用有限。(3)不同降雨特征的设计暴雨下,海绵措施的径流控制效果存在差异,径流峰值和水位峰值的削减率随着雨峰系数的增大而增大,径流总量的削减率随着降雨历时的增大而减小。

降雨与土地覆盖对中国典型流域水文干旱的影响分析

水文干旱严重制约了我国社会经济的发展。在气候变化和人类活动的影响下,水文干旱频繁发生,导致流域水资源短缺问题更加突出,因此,需从多因素角度分析不同因素对水文干旱的影响,从而为流域抗旱提供参考。为此,选取中国用水矛盾突出,旱灾较为严重的典型流域——湘江和渭河流域为研究区域,探究降雨特征与土地覆盖的变化对两地水文干旱的影响。首先,通过Pettitt突变检验法与降雨-径流双累积曲线法确定两个流域径流突变点,根据标准化径流指数识别了径流突变点前后湘江、渭河流域的水文干旱事件,最后基于随机森林与线性回归方法对比分析两地不同时期内降雨特征与土地覆盖的变化对水文干旱的影响。结果表明:湘江流域径流在1982-2015年间未发生突变,降雨特征是影响湘江流域干旱的主要因素,贡献率为53.4%,其中降雨量的贡献率为33.25%,比降雨集中度的贡献率高出13.1%,而土地覆盖的变化对湘江流域水文干旱影响不显著,其对水文干旱的贡献率仅为36.6%。渭河流域径流在1993年及2003年发生突变,不同时段内流域水文干旱的主要影响因素各异:1982-1993年间,影响当地水文干旱的主导因素为降雨量,其贡献率为34.4%;降雨特征与土地覆盖对干旱的贡献率在1994-2003年间持平;而在2004-2015年间,森林覆盖率的变化成为影响流域干旱主要因素,其贡献率为40%。基于研究结果,水利管理部门可根据当地流域的气候条件、土地覆盖类型,有针对性地制定防旱措施。

基于小时降雨和雷达资料研究新区体育中心降水精细化特征

为了做好精细化降雨预报和预警,文章以肇庆新区体育中心为例,基于2009-2021年新区体育中心自动气象站小时雨量数据,研究其降雨年、月、日变化特征,根据降雨持续时间,将降雨类型分为短历时降雨、中历时降雨和长历时降雨,并研究不同历时降雨特征。现场气象服务中,短历时大雨往往对活动现场影响大,文章结合2018-2021年广东省雷达组合反射率拼图研究短历时大雨事件(≥10 mm)的降雨特征。

降雨和径流变化特征及旱涝事件应对研究——以XX省为例

干旱和洪涝是2种极端自然灾害,均与降雨和径流变化有关,降雨和径流变化极端少便会导致干旱,降雨和径流变化极端多便会导致洪涝。分析降雨和径流变化特征,有利于有效应对旱涝事件。以XX省为例,从总体降雨变化特征、降雨空间分布特征方面分析了典型降雨变化特征,从径流量年际变化、径流量突然变化方面分析了典型径流变化特征,从数字应急预案、应急预案数据库、洪涝事件预警方面设计了旱涝事件应对预案,以期为降雨和径流变化特征,以及旱涝事件应对提供参考。

基于局部回归的城市特征降雨研究

随着对海绵城市设计以及城市雨洪管理和面源污染管控等的精细化要求,科学表达特征降雨是其中关键的基础工作。特征降雨是指在某一降雨类型中能够代表该类降雨统计特征的单次连续降雨过程,传统的短历时暴雨雨型设计不适合长时间的降雨分析,也不宜用于表征不同降雨量下的典型降雨雨型。为此,以滇池流域20多年的逐小时降雨数据为基础,通过对降雨类型的划分,采用基于累积分布与Logistic回归处理的局部加权线性回归方法对降雨数据进行拟合,识别多降雨量类型下的降雨规律,形成特征降雨。结果显示,针对不同的降雨类型,参数优化后的局部加权线性回归模型可有效识别累积降雨量、降雨历时与降雨强度等特征,可为城市径流模拟提供典型降雨边界条件,对理解城市降雨规律及相关的雨污合流和面源污染治理等具有重要的支撑作用。

宜兴典型村落不同下垫面降雨径流污染物排放特征

选取太湖沿岸宜兴市农村自然村落为研究对象,对研究区域降雨量和4种不同下垫面(屋面、庭院、道路和自留地)降雨径流中污染物进行监测,通过计算污染物的事件平均浓度(EMC),探讨了在天然降雨和人工模拟降雨条件下4种下垫面径流污染物的排放特征及影响因素。结果表明,4种下垫面的降雨径流污染都较严重,若直接排入受纳水体会造成严重污染。包含天然降雨和模拟降雨的综合降雨事件中4种下垫面径流中COD、SS、TN和TP的EMC均值分别为52.77~133.94、55.02~935.65、2.20~8.59和0.066~2.96 mg·L^(-1),其中,自留地的各项污染指标均最大。降雨量和降雨强度是影响村落地表径流中COD和SS浓度的重要因素。前期晴天时间与庭院、道路和自留地下垫面径流中污染物EMC之间呈正相关,而与屋面径流中污染物EMC之间相关性不明显。

嫩江、哈尔滨两地48年来夏季降雨特征分析

文章基于嫩江、哈尔滨两地48年来的夏季降雨资料，分析了夏季降雨量的变化特征，并选用Morlet小波对嫩江、哈尔滨两地夏季降雨序列的多时间尺度进行了研究。结果表明：①嫩江、哈尔滨近48年来夏季降雨量均成正态分布，且均有增加的趋势，变异等级为中级；②通过诊断发现嫩江和哈尔滨夏季降雨均可分为3个时间段：嫩江1954年～1967年为偏千年阶段，1970年～1978年为偏干阶段，1978年～1998年为偏湿阶段；而哈尔滨1954年～1966年为干湿交替变化的波动阶段，1967年～1980年为偏干阶段，1981年～1997年为偏湿阶段；③嫩江、哈尔滨两地夏季降雨量近48年来均出现突变特征，且突变点均出现在1979年；④哈尔滨近年来夏季降雨存在的尺度周期变化规律约为29～38年，且该尺度周期变化最为明显，能量最强，具有全域性，嫩江近年来夏季降雨存在约19～30年周期变化规律，其能量值较大，周期性较强，并且与哈尔滨29年～38年尺度一致，具有随时间推移能量进一步加大的趋势。

甘肃武都区泥石流活动与降雨特征关系

收集了武都区近30年的降雨资料,分析了泥石流发生前后的降雨资料,探讨了泥石流的发生与降雨之间的关系.结果显示:近30年来,每年7,8,9月降雨量有一定减少趋势,但是当物源比较丰富,泥石流发生次数不会有明显的减少,当物源不丰富时,泥石流的发生次数会比原来有所减少.诱发泥石流灾害的前15天累积降雨量与泥石流关系较为密切,可以用来评估泥石流临界降雨量,作为武都区泥石流的预报因子.

降雨特征与水土流失关系的研究

本文基于野外天然降雨定位试验观测资料,对降雨特征值的组合因子与水土流失量之间进行了多元统计相关分析。结果表明:降雨动能与最大30min雨强的组合因子EI_(30)与侵蚀量的关系最为密切;以降雨总量与最大30min雨强的乘积PI_(30)取代EI_(30),经过检验,指标的精度能满足计算侵蚀量的需要,此指标可在黄土高原地区推广应用;建立了反映降雨径流影响侵蚀的综合数学模型;并指出,径流势能对侵蚀量具有极其重要的影响作用。