江湖洪水遭遇下鄱阳湖水动力模拟

鄱阳湖接纳流域内来水,其洪水的形成和发展受鄱阳湖流域来水和长江洪水的双重影响,造成该地区在特定时段极易引发特大洪水。文章分析了江湖作用机制,并基于1959-2009年汉口和湖口洪水资料,统计分析了江湖洪水遭遇及长江洪水倒灌入湖频次;通过构建鄱阳湖-长江干流二维水动力模型,对江湖顶托加剧情景、江湖顶托相持情景、长江洪水倒灌情景等典型洪水过程进行了重演与分析,将模拟结果与实测水位过程进行验证与误差分析,并应用该模型对1998年极端洪水遭遇过程进行模拟分析。研究结果表明:鄱阳湖洪水一般早于长江洪水出现,两者遭遇主要在6-7月;长江倒灌情景一般发生在长江主汛期,通过统计分析长江洪水的倒灌天数及倒灌水量,反映了江湖顶托强度在年代际尺度上处于此消彼长的波动状态;模型对江湖洪水遭遇典型水位过程与1998年极端洪水遭遇过程的模拟预测精度较高,效果较好,说明模型能够很好地处理鄱阳湖洪水与长江洪水遭遇的高动态变化问题,可为鄱阳湖地区的经济建设和防洪治理提供理论支撑。

珠江河口区复合洪水事件多要素非一致性的时变遭遇分析

利用1988—2017年珠江河口三灶站潮位、澳门风速、上游流量日极值数据,基于广义可加模型(GAMLSS)的非一致性频率计算方法与时变Copula函数,对上游洪水、台风和天文潮的复合洪水事件重现期及其主控因子展开研究,结果表明:1)珠江河口区潮位、风速、流量均为非一致性序列,构建的时变Copula模型相比传统恒定参数的Copula更符合实际情况。2)1988—2017年珠江河口区典型复合洪水事件发生周期随时间不断缩短,发生概率增大,未来极端复合洪水事件发生概率增强。“黑格比”台风引发的复合洪水事件重现期从1988年的13.06 a一遇减小到2017年的10.80 a一遇,“韦森特”“天兔”引发的复合洪水事件在1988—2017年重现期缩短了1.06和0.97 a;3)当3种因子重现期为5 a一遇时,珠江河口区复合洪水事件主要受台风风速影响较大;重现期为10、20、50 a一遇时,复合洪水事件主要受天文潮潮位影响较大。

基于改进五元联系数集对势排序法的长江上游洪水遭遇分析

长江上游干流与支流、支流与支流、上游与下游的洪水遭遇现象加重了防洪的严峻形势,流域暴雨洪涝灾害频发,严重影响了沿岸地区的稳定发展,有必要全面系统地分析洪水遭遇规律与发生态势。采用水文统计分析方法,从洪水遭遇次数及遭遇时间、洪峰遭遇及最大7 d和15 d洪水过程遭遇量级、最大7 d和15 d洪水过程重叠天数等多个角度,分析长江上游流域干流与支流、支流与支流、上游与下游十种不同组合的洪水遭遇规律。进而采用改进五元联系数集对势排序方法对洪峰遭遇、最大7 d和15 d洪水过程遭遇的严重程度以及最大7 d和15 d洪水过程遭遇的重叠程度进行了集对势级排序与分析。结果表明,发生洪水遭遇时,长江上游各种洪水组合洪峰、洪量的总体遭遇态势不严重,但最大7 d和15 d洪水过程重叠程度处于较高水平,表现出洪水持续时间长、过程洪量大,尤其乌江与长江干流在宜昌站的最大7 d洪量重叠程度特别严重,给宜昌站及其下游的荆江分洪区带来较大的防洪压力。改进的五元联系数集对势排序方法保留了逻辑上成立的181种势级,从同势、均势、反势角度定量刻画了洪水遭遇指标与严重等级间的联系趋势,将洪水遭遇严重程度细致、准确地量化为不同势级,有助于快速判断防洪重点,为实施科学调度提供决策依据。

南渡江河口段洪潮遭遇分析

沿海地区河流常常直接入海,其河口段水位多受上游洪水、河口潮水共同影响,这在一定程度上增加了河口段堤防整治工程设计的工作难度。以沿海地区——南渡江河口为例,基于考虑上游松涛、迈湾2座大型水库调蓄影响后的龙塘站设计洪水、海口站设计高潮位,分别分析了以洪水为主、以潮水为主时的河口洪潮遭遇情况,可为南渡江河口段河道防洪整治工作提供一定的设计参考依据。

基于一二维耦合模型和水库调度的长江宜宾河段洪水遭遇与淹没分析

【目的】宜宾市地处金沙江与岷江汇合处,且有横江、南广河及其他重要支流汇入,因此洪水遭遇组合复杂,且受金沙江下游向家坝-溪洛渡等梯级水库调度影响明显,其水文水动力计算对下游各城镇河段防洪规划及减灾政策制定具有重要意义。【方法】通过构建一二维水动力学耦合数学模型,采用实测洪水验证的分析方法对长江宜宾河段(含重要支流汇入段)的洪水组合进行分析,选取了1961年、1966年两个典型年并对比有无金沙江下游梯级水库调洪的影响,计算各河段和沿岸城镇100 a、50 a及20 a一遇的洪水淹没。【结果】结果表明:(1)当发生超标洪水时,城区主要洪水漫溢淹没分布在宜宾的安边镇、柏溪街道,翠屏区西郊街道以及岷江菜坝镇飞机坝段。(2)不管是1961典型年(岷江为主要来水)还是1966典型年(金沙江为主要来水),岷江流域均受灾较重;其中西郊街道和大观楼街道的洪水主要受金沙江来水和岷江洪水顶托作用明显;岷江漫溢洪水为宜宾城区外洪的主要来源,岷江是宜宾市的防洪重点。【结论】结合防洪工程分布及现有堤防建设情况,菜坝镇飞机坝片区现有的20 a一遇洪水的堤防无法满足实际防洪标准需求;西郊街道滨江公园和备战码头,由于未形成防洪封闭圈,城区局部地区仍处于不设防状态;柏溪镇堤防防洪标准20 a一遇偏低,黑河(柏树溪)受到金沙江回水影响会造成柏溪镇严重洪灾。金沙江在向家坝水库的调蓄作用下,即使发生100 a或超过50 a一遇超标洪水,中心城区均不超过40 a一遇,宜宾城区受金沙江洪水影响相对较小,受岷江回水影响较大。

内涝和外洪遭遇情景下洪水风险要素解耦模拟

特定洪源作用下的洪水风险要素是编制洪水风险图、开展洪水风险管理的基础。在内涝、外洪等多洪源遭遇情景下,因多洪源耦合作用于洪水风险要素,解耦特定洪源作用下的洪水风险要素是洪水风险分析的难点。基于示踪剂法原理,提出内涝和外洪遭遇情景下洪水风险要素解耦方法。该方法是将特定洪源表示为含有标志示踪剂的源汇项,利用溶质运移模型模拟得到标志示踪剂浓度时空变化过程,通过标志示踪剂分布范围解析特定洪源前锋到达时间,将标志示踪剂浓度比例与淹没水深数量积视为特定洪源作用下淹没水深。解耦方法经过理论公式推导,并通过案例实证进行了验证。以淮河干流1991年洪水蒙洼蓄洪区典型进洪过程为例,对蓄洪区启用后区内淹没水深、前锋到达时间等洪水风险要素进行解耦,并绘制了进洪洪水前锋到达时间,以及内涝、进洪洪水作用下淹没水深空间分布图。区内蓄洪量解耦为进洪量和暴雨内涝积水量,第1次进洪结束时,进洪量占蓄洪量的85.47%;第2次进洪结束时,第1次进洪洪水、第2次进洪洪水及内涝水量分别占蓄洪量的26.80%,64.15%,9.05%。在内涝和外洪遭遇情景下,运用该方法能够快速准确提取进洪洪水的前锋到达时间,且能解耦受内涝、进洪洪水等洪源作用下的淹没水深。

珠江流域感潮河段洪潮遭遇联合风险分析

在防洪潮规划中洪潮遭遇分析尤为重要。以西、北江三角洲作为珠江流域感潮区域的典型区,运用Archimedean Copula函数构建了年最大洪水和相应48h内最大潮位、年最大潮位和相应48h内最大洪水两组联合分布,通过联合风险概率模型,计算了洪潮组合的风险概率。结果表明:较高重现期洪水遭遇较低重现期的潮位、较高重现期潮位遭遇较低重现期的洪水风险概率会更大。基于Copula函数的洪潮联合分布拟合较好,组合风险分析可靠,为珠江流域感潮河段防洪、潮工程的设计风险计算提供理论参考。

基于Copula函数的赣江中下游洪水遭遇组合分析

洪水遭遇组合对揭示流域洪水规律、防洪调度和洪水管理具有重要意义。以赣江流域为例,采用Copula函数构建下游外洲站和中游峡江站洪水的联合概率分布,进而推求条件概率分布、条件最可能值和置信区间,分析赣江中下游洪水遭遇组合规律。结果表明,赣江下游外洲站与中游峡江站发生同频率洪水的可能性很大,概率为81.57%~83.01%;给定赣江下游外洲站洪峰流量取值时,中游峡江站洪峰流量条件最可能值与实际值拟合效果总体较好,且实际值基本上在90%置信区间内,区间合理可靠;中游峡江站最可能发生的洪水重现期均略小于下游外洲站洪水重现期,偏小4.0%~6.6%;下游外洲站洪水重现期为100 a时,中游峡江站洪水重现期的最可能值为94 a,90%置信区间为[39,184]年。研究成果可以提升对赣江流域洪水规律的认识,为流域防洪减灾提供参考。

洞庭湖流域特大洪水灾害研究综述

受气候变化的影响,全球范围内极端天气时有发生,给人类社会和生态系统造成了灾难性后果。受此影响,长江上游与洞庭湖洪水遭遇的危险性正在增加,将在洞庭湖流域形成灾害性的特大洪水。研究基于过去的研究成果和现有的水文资料,梳理总结了洞庭湖流域洪水规律和防洪策略的研究进展,并重点对目前防洪减灾中存在的不足进行了分析说明。洞庭湖流域防洪工作中存在的问题主要包括:长江中游防洪规划与河道的实际安全泄量和蓄滞洪区规模存在差距;三峡水库运行以来,长期超汛限水位运行使得河道的行洪能力萎缩,清水冲涮造成河道崩岸问题突出;蓄滞洪区建设长期严重滞后,安全设施薄弱;水工程联合调度信息化、智能化水平不高,不能满足综合调度需求等。因此,洞庭湖流域防洪减灾形势依然严峻,防洪仍然是洞庭湖治理开发和保护的首要任务。针对所分析的问题,提出了以点、线、面为基础建立天地空三位一体的感知层,由感知层及时获取洪水预报所需的数据资源,通过云计算对数据进行智慧化处理,优化防洪资源,建立点、线、面工程措施与非工程措施相结合的全流域立体防洪策略,从而达到防灾减灾目的,进而为“四预”的实现奠定基础。研究成果对长江中下游及洞庭湖区防洪总体布局的科学制定具有重要的指导和借鉴意义。

西江防洪堤建成后洪水频率变化影响分析

结合西江流域水文资料,基于洪水遭遇频率计算研究西江防洪堤建设对洪水频率的影响。首先采用有序聚类法和秩和检验法找出梧州水文站年最大流量序列的突变点;接着选用对数正态分布、P-Ⅲ型分布和Gumbel分布拟合防洪堤建设前后的年最大流量序列,并采用柯尔莫洛夫-斯米尔诺夫(KS)方法检验理论分布与经验分布的偏离程度,选出最合理的拟合分布;最后分析防洪堤建成后西江洪水的频率变化及洪水遭遇的概率变化。结果表明:对于相同的年最大流量,防洪堤建成后频率变大,重现期变小;对于相同的频率和重现期,防洪堤建成后相应的年最大流量变大;防洪堤修建前后西江发生大洪水时,浔江与桂江同时发生大洪水的概率并不高;当西江发生大洪水时,浔江出现较大洪水的概率较高;在防洪堤影响下洪水遭遇的概率发生了较大的变化:西江发生洪水的条件下,防洪堤建成后洪水遭遇的概率变小。

广西境内西江流域洪水特性分析

为减少西江流域灾害性洪水给广西工农业生产及人民生命财产带来的损失,针对多年实测洪水资料,从洪水年内分布特性、洪水组成、干支流洪水遭遇等方面对广西境内西江流域洪水特性进行全面分析。分析成果表明,柳江洪水发生时间与干流基本相应,桂江洪水发生时间较早,郁江洪水发生时间晚于干流;柳江对形成干流洪水的贡献很大,郁江和桂江对干流大洪水的形成作用有限;柳江与红水河洪水遭遇可能性很大,年最大洪峰流量、7 d洪量、15 d洪量遭遇的概率分别为34.1%、47.7%和52.3%,且遭遇洪水的量级也较大,3 d洪量为50~100亿m3,7 d洪量为100~200亿m3。郁江与干流洪水遭遇概率较低,桂江洪水基本不与干流遭遇且遭遇洪水的量级很小,年最大洪峰流量、7 d洪量、15 d洪量遭遇的概率仅为4.5%、9.1%和15.9%。

长江和清江洪水遭遇风险分析

引入混合von Mises分布拟合了长江上游与清江年最大洪水发生时间的双峰特征,即夏汛和秋汛。随后应用Copula函数分别构造了两江年最大洪水发生时间及发生时间与其量级之间的联合分布,研究了最大洪水发生时间及发生量级遭遇的风险特征,计算得出两江洪水遭遇的两个峰值点7月15日和9月13日的风险率分别为0.02%和0.008%;并定量估算了7月15日两江洪峰流量达到荆江河段安全流量及最大防洪能力的遭遇风险,其最大风险率分别为6.0×10-5和5.8×10-6。最后,绘出了两江同频率洪水的日遭遇风险图和非同频率洪水在遭遇时间两个峰值点的风险图,可为三峡水库和隔河岩水库进行风险调度或补偿调度提供一定依据。

M-Copula函数在洪水遭遇中的应用研究

针对求解多变量情况下的设计水文特征值,采用M-Copula函数分析洪水遭遇问题,并采用适线法估计参数分析长江干流的设计洪峰流量。研究结果表明,M-Copula函数具有灵活性和应用范围广等特点,可更好地拟合两变量的相关关系,能更全面地描述设计洪水空间组成,在多变量水文频率分析中具有广泛应用前景。

区域雨洪资源利用潜力及模式研究

面对水资源短缺的紧迫形势,挖潜利用好雨洪资源尤为重要。以聊城市为例,对雨洪丰枯遭遇情况、雨洪资源量、雨洪资源利用潜力进行了分析评估,提出了雨洪资源利用总体思路和主要任务。结果表明:边界河流与市内降水年和汛期丰枯遭遇“尚可”和“有利”组合在50%左右,总体而言,一半左右年份有较好的相机调引边界河流雨洪资源的条件;聊城市多年平均雨洪资源量为9.8亿m^3,多年平均雨洪资源利用潜力为5.4亿m^3;按市内、边界河流划分,不同年型聊城市边界河流和市内河流雨洪资源利用潜力占比为85%~91%,边界河流雨洪开发潜力大,应作为雨洪开发利用的重点方向;雨洪资源利用应注重“蓄、调、渗”综合措施的应用,发挥各类工程在时间上滞蓄、平面空间上调配、竖向空间上滞渗雨洪的作用。

区间暴雨和外江洪水位遭遇组合的风险

流域区间的治涝方案以及排涝设施的规模都与区间暴雨和外江洪水位的遭遇息息相关,因此需要研究区间暴雨与外江洪水位遭遇的风险规律。采用copula函数建立区间暴雨和外江洪水位的联合分布,用联合概率密度来描述两者遭遇的机率,提出了以遭遇为设计组合的排涝风险率和重现期的分析方法。实例研究表明,copula函数能够较好地模拟广东省阳山县区间暴雨与外江洪水位的联合分布;联合概率密度曲线表现为明显的正偏态分布,对于不超过10年一遇的暴雨,遭遇同频率的外江水位的机率最大;但对10年一遇以上的暴雨,最大遭遇机率的外江水位的重现期低于暴雨重现期;对任一排涝重现期,则有成反相关的区间最大暴雨和外江洪水位重现期的多种组合方案,且任一组合方案的暴雨重现期都大于排涝重现期。

长江上游与洞庭湖洪水遭遇天气概念模型研究

长江上游与洞庭湖洪水一旦遭遇,将会形成全流域性洪水或特大洪水,给流域各地区防洪减灾工作带来巨大考验。对1981-2012年间共30次长江上游与洞庭湖洪水遭遇过程进行了分析,建立了5类天气学概念模型。通过分别描述这5类模型的洪水特征、降水特征及天气系统演变特征,对洪水遭遇的天气学规律进行了更细致的研究,为进一步优化三峡水库调度方案提供了技术支撑。

长江中下游梅雨与三峡水库入库洪水遭遇规律分析

依据1951~2020年长江中下游梅雨特征,包括入出梅时间、梅雨量和梅雨强度指数等参数,分析了梅雨与三峡水库洪水的遭遇规律。结果表明:三峡水库洪水一般发生在7~8月上旬,当出梅时间偏晚时,与三峡水库主汛期发生重叠,梅雨有可能与长江上游来水发生遭遇,遭遇严重时形成流域性大洪水;8月中下旬,尽管三峡水库入库洪水仍可能较大,但梅雨早已结束,一般不会与中下游洪水发生遭遇,此时没有对城陵矶进行补偿调度的任务。依据成因分析法和数理统计法得到三峡水库汛期分期结果,再结合长江中下游出梅时间,综合考虑将主汛期和后汛期的分期节点调整为8月8日至9月10日的动态区间,充分利用气象水文预报的预见期,在确保防洪安全的前提下,实行水库汛期运行水位动态控制和提前蓄水调度。

西江流域梧州站干支流洪水组成及遭遇规律分析

为分析西江流域灾害性洪水的风险,采用水文学分析法从洪水组成、遭遇时间以及洪峰重现期等方面,重点分析了梧州站干支流洪水遭遇规律。研究表明:梧州15场洪水中红水河、柳江、郁江及桂江的日平均流量平均比重分别为32.31%、40.57%、13.19%及9.13%;其中西江干流洪水发生时间集中在6~8月,柳江洪水发生时间集中在6~7月,桂江洪水发生时间集中在5~7月,郁江洪水发生时间集中在7~9月;西江上游红水河与柳江洪水遭遇频繁,而郁江、桂江遭遇洪水量级较小,其中全流域洪水、红水河-柳江-桂江洪水、柳江-郁江-桂江洪水三种遭遇类型所构成的梧州大洪水重现期依次约为100年、50年、20年一遇,揭示了西江干支流洪水遭遇后致使梧州站洪水重现期显著增大。研究结果可为西江流域防洪减灾提供水文分析参考。

感潮河段上游洪水与河口潮位遭遇研究

采用定性分析和定量计算相结合的方法研究洪水与潮位遭遇,首先采用定性分析法确定洪水与潮位遭遇可行方案集,再利用洪水与潮位遭遇的组合风险概率模型定量计算各种可行方案集的风险率,统筹考虑防洪安全及工程投资,最终确定洪水与潮位遭遇最优方案。以小清河为例的研究表明:洪潮遭遇可行方案集为50 a一遇洪水遭遇5~50 a一遇潮位,最优组合为50 a一遇洪水遭遇20 a一遇潮位;潮洪遭遇可行方案集为50 a一遇潮位遭遇3~140 a一遇洪水,最优组合为50 a一遇潮位遭遇20 a一遇洪水;超标准洪水遭遇高潮潮位的发生风险较低,高潮位遭遇中小洪水的发生风险较高。

感潮河段洪潮遭遇概率研究

以位于珠江三角洲感潮河网地区的洪潮遭遇概率问题为实例,对当前应用较多的各种二变量联合概率模型进行了比较研究,包括混合Gumbel分布、Gumbel-Logistic分布、以及阿基米德族Copula函数中的Gumbel-Hougard Copula模型、Clayton Copula模型、Genest-Ghoudi Copula模型等。结果表明,不同的二变量概率分布模型对于变量之间的相关性都有不同程度的限制,实际应用时需要首先根据水文变量的相关性特点选择适宜的模型。Copula函数模型则不限定边际分布型式,比混合Gumbel模型和Gumbel-Logistic模型具有更强的灵活性。多种拟合优度检验方法对各模型的检验结果表明,虽然各模型都能通过K-S检验,但其拟合优度有显著不同,实际应用时需进行拟合优度检验以择优。