基于机器学习的雨型分类研究:以淠河流域为例

【目的】为了提升洪水预报方案的科学性和精度,开展降雨雨型分类,制定不同雨型的预报方案并实施作业预报是一条有效的技术路线。【方法】基于淠河流域2003—2021年37个雨量站逐小时降雨观测数据,利用业界公认的动态时间规划(DTW)算法进行场次降雨雨型分类并作为基准分类结果。在此基础上,分别选取决策树(DT)、长短期记忆神经网络(LSTM)、LightGBM、支持向量机(SVM)四种机器学习方法建立分类模型并检验分类效果。通过调整样本规模,分析不同样本容量对分类效果的影响。【结果】结果表明:四种分类模型中,LightGBM分类精度最高且训练速度快,LSTM和SVM分类精度良好但训练效率相对较低,DT方法分类速度较快但分类精度相对较低。随着样本规模的增大,分类结果逐步稳定,四种方法的分类效果和训练效率逐步提升。【结论】结果验证了机器学习方法在降雨序列雨型分类中具有较强的适用性,可为洪水预报方案分类构建提供技术支撑。

下垫面变化及雨型对珠海机场片区内涝影响研究

在极端气候和城市化影响下,城市暴雨内涝问题日益严重。为有效解决弱水力梯度珠海机场片区的内涝问题,提高机场运行安全,研究基于InfoWorks ICM模型对机场片区下垫面变化及不同雨型暴雨下的管网排水能力、地表淹没情况及内涝风险等级进行分析,以期评估现有改造工程的内涝防治效果,并探究机场在不同重现期不同雨型暴雨条件下的适应能力,从而为未来的防治策略提供科学依据。研究结果显示,模型模拟水深与实测积水深度的偏差约为10%,验证了该模型在分析区域内涝特征上的可靠性。机场工程改造后,研究区域的内涝风险显著降低,不同风险等级的区域面积大幅减少,应对不同雨型的能力显著增强。特别是在百年一遇的降雨事件中,工程改造显著优化了管网性能,未满管段的比例增至58.08%,超负荷管段的比例从49%降至16.33%,从而使研究区内涝面积缩小88%、积水深度超50 cm的区域面积缩小85%。此外,当雨峰与潮位峰值同时出现时,随着降雨重现期的增加,尤其是5至50年一遇降雨事件,内涝风险随雨峰位置后移增大。机场工程改造提高了对中心型和延后型雨型的适应性,减少了有压管段的占比,显示出改造工程在提升机场抵御极端降雨事件能力方面的有效性。尽管如此,研究区内仍存在局部低洼地带和内涝风险,需持续关注并推进内涝点的整治工作。

考虑降雨空间分布的城市内涝对模式雨型响应特征分析

短历时暴雨是形成城市内涝的主要原因,其雨型对内涝致灾影响显著。以陕西省西咸新区沣西新城为研究区域,基于模式雨型设计了具有不同集中度的典型暴雨过程,并考虑了降雨空间分布的不均匀性,应用城市雨洪模型(GAST-SWMM耦合模型)对7种模式雨型在不同重现期下的致涝特征进行模拟分析。结果表明:(1)单峰雨型比双峰雨型具有更强的致涝性,雨峰为中后峰的单峰雨型致涝性更强,雨峰为中峰的单峰雨型在小于50 a重现期下淹没量最大,而在大于50 a重现期下雨峰为后峰的单峰雨型淹没量最大,100 a重现期下其淹没量较雨型Ⅳ增大6.58%;(2)双峰雨型中雨型Ⅴ的致涝性最强,在100 a重现期时,其淹没量较雨型靠前的单峰雨型增加1912.42 m^(3);在大于20 a重现期时,雨型Ⅴ在中风险区的积水面积较雨峰靠前的单峰雨型增大1.81%~2.29%;(3)各雨型在高风险区的积水面积峰现时间随重现期的变化而不同,雨型Ⅵ的峰现时间始终在降雨结束时出现,雨型Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ的峰现时间随着重现期增大而提前;雨型Ⅰ、Ⅲ的峰现时间在小于20 a重现期时随着重现期增大,分别从105 min延后至120 min、110 min,在大于20 a重现期时随着重现期增大,分别从120 min、110 min提前到100 min。城市内涝特征对不同模式雨型条件下的响应规律的研究,可为相关部门抗涝救灾提供参考。

山地城市雨源型河道水环境综合治理对策及措施探讨

重庆市溉澜溪属于长江一级支流,是典型的山地雨源型河道,以往多次整改效果却不明显。本工程以溉澜溪河道实现准Ⅳ类(除TN外,其他均达到Ⅳ类)水质为工程目标,本底调研掌握管涵的水质、水量,针对河道容量小、自净能力弱、源头雨污分流不彻底、地下水丰富且污染程度重、底泥淤积量大等问题,系统治理方案采用源头控源截污+末端处理治理技术,源头雨污分流改造降低污染负荷,末端再修建水质站处理剩余污水,并实现河道补水功能。在河道起点提标改造现状新华水质站工艺,出水满足河道日常生态补水需要,末端新建溉澜溪水质提升站处理剩余污水,具备雨后河道水质快速更新的功能,两座水质站出水水质满足准Ⅳ类标准,通过在线监测流量数据用以预测水质处理站规模在行业内具有创新意义。通过治理溉澜溪河道已彻底消除黑臭,重现清水绿岸、鱼翔浅底的美丽景象。

典型雨源型城市河流生态治理探索与实践

深圳市坪山河是典型的雨源型城市河流。由于污染排放长期“量增质劣”,加上雨源型河流水文特征,坪山河长期黑臭缺水、鱼虾绝迹。近年来,深圳市坪山区采用创新型治污新思路,开展坪山河生态治理,实现从劣V类到地表水III类的跨越、河流常年碧波荡漾、水生生物种类大幅提高,为高度集约开发区域雨源型河流治理提供参考案例。

鹰潭市暴雨场次及雨型设计

不同降雨重现期下的暴雨强度及雨型分析,对海绵城市规划及城市片区排水工程设计具有重要意义。文章利用暴雨强度计算公式及芝加哥雨型分析方法,对鹰潭市不同降雨重现期下的暴雨强度及雨型变化进行研究。研究结果表明:(1)降雨重现期显著地影响研究区域内的初期降雨量。(2)研究区域内的雨型呈现先增加后降低的趋势,且雨峰出现在降雨历时第48 min时。研究结果对理解不同暴雨重现期下暴雨强度的差异性及雨型变化具有一定的参考价值,可为海绵城市规划及城市片区排水系统工程设计提供科学的理论依据及相关参数支撑。

河北省山区设计雨型分析研究

河北省山区面积大、河流众多,山洪灾害频发,设计洪水大多由暴雨推求,设计雨型在设计洪水推求过程中至关重要,本次通过对河北省各分区雨量站24h雨量达到10年一遇量级以上的926个降雨过程,采用同频率分析方法分析得到太行山迎风区、太行山背风区、燕山迎风区、燕山背风区设计雨型,并与以往雨型进行了比较分析,提出了本次设计雨型的适用方向。

西南土石山区不同雨型下茶树产流产沙规律研究

为研究西南土石山区茶树种植对水土流失的影响规律,以贵州省黔南州云雾水土保持监测站野外径流小区为实验区,通过自记雨量计采集2018-2022年间降雨数据、分流池和集流池等测流设施收集产沙产流数据,采用SPSS27软件进行统计分析。结果表明:(1)研究区在2018-2022年5 a内,共有125次降雨发生了产流产沙事件,其中,暴雨事件17场,大雨事件37场,中雨事件64场,小雨事件7场,暴雨、大雨、中雨是茶树引起水土流失的主要降雨类型;(2)6月、7月、9月是雨量比较多的月份,茶树水土流失较为严重,水土流失应重点防控这3个月;(3)通过植物措施+工程措施+耕作措施联合使用,具有明显的减流减沙效果,茶树+水平阶整地+梯带种植的方式减流减沙效果优于茶树+等高带状种植。

质控型城市屋面雨污弃除产品研发与应用

针对城市屋面初期雨水污染物含量较高的特点,从雨水径流高效收集利用、水质在线监测及自动控制等方面,对屋面初期雨水径流调控原理与弃除技术进行了探讨,研发了质控型城市屋面雨污弃除产品,开展了雨水利用示范工程建设,旨在提高固体悬浮物等主要污染物的拦截率,为雨水利用产业化发展和海绵城市建设等提供技术依据。

粤港澳大湾区中心城市典型设计暴雨过程线分析

对粤港澳大湾区4个中心城市约60 a观测的前、后汛期逐时雨量,以最大1 h雨量(为雨峰)、相应的最大6 h雨量和最大24 h雨量为样本,采用非对称Archimedean Gumbel-Hougaard极值copula构建3个时段雨量联合分布的典型设计暴雨过程线。主要结论:1)采用3个历时雨量联合分布推求的城市设计暴雨值大于2个时段联合分布和单一时段设计暴雨值,同频率放大的设计暴雨过程线,整体效果相对最优,对城市设计暴雨过程线的研究方法提供了新思路;2)采用3个历时雨量联合分布推求的4个城市设计暴雨过程线,更客观地代表了所在城市的雨型特征,为进一步设计雨型的研究提供了新方法;3)以24 h最大雨量构建的典型设计暴雨过程线具代表性,按同频率放大的典型设计暴雨过程线可作为城市汛期排水防涝工程设计的参考依据。

雨型和坡长对侵蚀泥沙粒径特征的影响

为揭示降雨和坡长对侵蚀泥沙粒径特征的影响,以不同坡长野外观测试验小区为对象,结合82场降雨资料,以降雨量(P,mm)、最大30 min雨强(I30,mm/h)和降雨侵蚀力[R,MJ·mm/(hm2·h)]为降雨特征指标,利用系统聚类法进行雨型划分(A雨型:大雨量、高雨强、高侵蚀力;B雨型:中雨量、小雨强、中等侵蚀力;C雨型:低雨量、中雨强、中低等侵蚀力),分析了11场降雨事件中侵蚀泥沙的粒径分布特征。结果表明:(1)研究区侵蚀泥沙粒径特征受不同雨型影响,有效黏粒和最终黏粒含量在C雨型下最高,有效砂粒和最终砂粒含量在B雨型下最高,而有效粉粒和最终粉粒含量分别在A和C雨型下最高。(2)坡长对侵蚀泥沙粒径特征的影响存在临界坡长效应(14 m),小于临界坡长时,黏粒级和粉粒级颗粒含量随坡长增加而降低;超过临界坡长后,黏粒级和粉粒级颗粒含量随坡长增加而增加,该效应在最终粒径下更为显著。(3)有效砂粒输移形式受雨型和坡长影响较大,在B雨型下主要以团粒形式输移,在A,C雨型下达临界坡长时以单粒形式输移。侵蚀泥沙的有效粒径颗粒比原坡面土壤细,而最终粒径颗粒则比原坡面土壤粗。整体上,降雨类型和坡长对侵蚀泥沙粒径特征产生显著影响,侵蚀泥沙有效粒径颗粒呈细化趋势,而最终粒径颗粒呈粗化趋势,坡长对泥沙颗粒影响存在临界效应。

短历时雨型对城市排水管网运行状态影响研究

管网过流能力不足或老化会导致城市内涝问题日趋严重,借助水力模型辅助城市排水管网改造尤为必要。考虑到设计雨型是影响管网设计标准的重要因素,以广州市猎德涌排涝片为研究区域,分析两种短历时设计雨型对管网运行状态(包括溢流和充满度两方面)的影响。研究表明:芝加哥雨型雨峰系数为0.35,降雨集中在雨峰附近,P&C雨型降雨波动分布在前半时程,主雨峰系数为0.16;芝加哥雨型下的满流管段数与溢流检查井个数大于P&C雨型的,对于管道的设计标准要求更高;而P&C雨型下的溢流总水量及单个检查井溢流水量大于芝加哥雨型的,对于地表积水影响更大;10 a一遇设计情景下,两个雨型模拟结果差距最大。通过量化分析溢流与管段充满度对雨型的响应,以期为城市管网设计与改造提供参考。

海温异常对长江流域夏季典型旱涝的影响研究

为研究长江流域夏季旱涝特征及其与海温异常之间的关联性,基于中国326个气象站降水量、NCEP/NCAR再分析资料等,采用合成分析、EOF分解等方法,分析了长江流域夏季典型旱涝年的降水分布、同期大气环流及前期海温特征,并以2018年为例,初步揭示了2018年前期海温异常对大气环流的可能影响。结果表明:①长江流域夏季典型旱年,仅嘉陵江和岷沱江会表现出局部偏涝,全国为典型的Ⅰ类雨型,多雨区位于黄河流域及以北地区。前期冬季赤道太平洋表现出类拉尼娜的东冷西暖分布,同时黑潮区海温偏低,西风漂流区海温偏暖。受多海域协同作用,同期欧亚环流场上自西北向东南呈现出“+-+”三极型分布,东亚地区为自北向南“-+-”的EAP负位相。长江流域典型涝年,全国多为典型的Ⅱ类和Ⅲ类雨型,环流及海温呈现出相反特征。②2018年为典型的长江中下游偏旱年,仅在岷沱江降水偏多近3成,为历史第4多,与长江流域夏季降水的主模态正位相类似,解释方差达24%。③2018年前冬出现弱拉尼娜、春末夏初西风漂流区异常偏暖、NAT异常正位相,三者共同作用,使得东亚副热带西风急流偏北,东亚沿岸出现EAP负位相,大陆热低压明显偏强,东亚夏季风为1961年以来最强,同时副高脊线最北,造成夏季降水主雨带北推至华北、西北地区,岷沱江、嘉陵江异常多,而长江中下游异常少,为典型的Ⅰ类雨型。研究成果可为长江流域旱涝预测、水资源调度提供参考。

长江流域典型城市暴雨雨型特征分析

长江流域是我国洪涝灾害频繁出现的地区之一,对长江流域暴雨雨型特征演变的研究,可以为流域内城市防洪排涝提供科学依据。利用1970—2020年间长江流域11个典型城市站点的逐小时降雨观测资料,筛选场次暴雨后利用累计雨量历时曲线和模糊识别法识别暴雨雨型,采用Mann-Kendall方法对单峰型暴雨雨峰系数和占比进行趋势检测,并对不同历时暴雨分组后进行雨峰特征分析。结果表明:(1)长江流域典型城市中的单峰型暴雨出现频次占85%,平均型和双峰型出现较少;单峰型暴雨的前期集中型最多,占50%,中期集中型和后期集中型次之。(2)短历时(1~6 h)暴雨的雨峰占比达到70%,长历时(13~24 h)和超长历时(24 h以上)的雨峰占比分别只有28%和17%。最大小时雨强主导了短历时暴雨的特征,对长历时暴雨来说,降雨的持续性是总雨量变化的主要因素。(3)从上游到下游,暴雨的雨峰系数逐渐增大,峰现时间逐渐向后推移,长历时和超长历时暴雨尤为显著。

典型泥石流小流域降雨和土地利用对坡面侵蚀的影响

[目的]揭示泥石流小流域降雨和土地利用对流域内坡面侵蚀的影响和作用,为泥石流的生态治理提供科学依据。[方法]以白龙江流域一级支沟——甘家沟泥石流小流域为研究区,基于该流域已建的5个径流小区(裸地、坡耕地、草地、土坎梯田、经济林地)连续5年的观测资料,利用K-均值聚类法,选择降雨量(P)、降雨历时(D)和最大30 min降雨强度(I30)3个降雨指标,将该流域46次侵蚀性降雨事件划分为3类雨型(Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型),以平均径流系数和平均土壤流失量为主要指标,定量化分析了不同降雨雨型和土地利用类型对坡面产流产沙的影响和作用。[结果]径流和土壤流失对降雨的响应存在差异,平均径流系数为Ⅰ型降雨最高,其次为Ⅲ型和Ⅱ型降雨;土壤流失量为Ⅱ型降雨>Ⅰ型降雨>Ⅲ型降雨。最大30 min降雨强度与5种土地利用类型的径流系数和土壤流失量的正相关性最高,其次为降雨量、降雨历时。5种土地利用类型的平均径流系数为裸地>经济林地>坡耕地>草地>土坎梯田,土壤流失量为裸地>坡耕地>经济林地>草地>土坎梯田。降雨和土地利用相互作用下,径流和土壤流失因雨型和土地利用方式不同而存在差异性,且认为在控制土壤侵蚀和减少泥石流坡面物源方面应避免大规模种植油橄榄。[结论]最大30 min降雨强度是影响该流域降雨侵蚀力的关键降雨指标,土坎梯田可较好控制坡面侵蚀,草地的减流减沙效果显著,研究结果可为坡面水土流失和泥石流防治提供科学依据。

基于降雨时空变化的山洪预警临界雨量

为提高山洪灾害预警精度,以彭坊小流域为例,基于概率分布等控制条件生成随机雨型,探究不同前期影响雨量下随机雨型对山洪预警临界雨量的影响,进一步分析降雨空间分布对山洪预警临界雨量的影响。结果表明:在雨峰位置偏后、雨峰峰值较大的雨型集下,临界雨量波动较大,有较高的不确定性;雨型对临界雨量的影响小于前期影响雨量对临界雨量的影响,在前期土壤较干燥时,雨峰位置系数较小,临界雨量值相对较大,雨型峰值倍比较大时,临界雨量值相对较小,更容易致灾;在降雨空间分布上,当降雨集中在下游时,临界雨量值最小,越容易达到警戒流量,但降雨空间分布对临界雨量的影响小于前期影响雨量的影响,且这种影响会随前期影响雨量的增加而不断减小。

对两种不同取样方法Pilgrim&Cordery设计雨型的比较研究

选取北京市观象台1941—2013年共73 a的逐分钟降雨量资料,以60 min和120 min两个历时一年一遇的降雨量作为临界阈值,提取降水场次样本,采用Pilgrim&Cordery法推求北京市短历时设计暴雨雨型。各历时的雨型样本选样分别采用自然降雨过程(方法一)和最大历时过程(方法二)。结果表明:两种方法的60 min和120 min雨型分布形状一致,均为单峰型,雨峰位置靠前;但在降雨量分配比例上,两种方法存在差异,自然降雨过程的60 min和120 min雨型雨峰所在时刻降雨量占总雨量的比例比最大历时过程的分别高3.79%和5.83%。

自然降雨雨型变化对坡面细沟间侵蚀的影响

通过野外微小区原位观测试验,基于降雨过程中降雨的集中时段对2017—2021年34次侵蚀性降雨雨型进行划分,系统分析雨型变化对黄土坡面细沟间侵蚀的影响及坡度效应。结果表明:研究区以前期型降雨为主,占总场次的52%,中期型和后期型降雨各占24%。中期型降雨对总产流量的贡献(25.56%±3.83%)显著低于前期型(36.70%±2.07%)和后期型(37.74%±4.01%)(p<0.05)。不同雨型场均径流量依次为后期型>中期型>前期型,后期型和中期型降雨显著高于前期型。而降雨的场均产沙量则表现为后期型>前期型>中期型,且后期型降雨显著高于中期型(p<0.05)。雨型对细沟间侵蚀影响的坡度效应变化不明显,但随着坡度增大,后期型降雨的场均径流量和产沙量均大于前期型和中期型,说明后期型降雨的产流产沙对坡度变化相对较为敏感。次降雨径流量、坡度和降雨参数组合与次降雨产沙非线性拟合中,方程决定系数后期型(0.939~0.942)>中期型(0.776~0.845)>前期型(0.220~0.537),说明区分雨型模拟可提高模拟精度。

不同降雨重现期暴雨强度及雨型分析

城镇排水系统规划及海绵城市设计受到暴雨重现期及雨峰位置参数选取的重要影响。基于此,本文运用不同降雨重现期下的暴雨强度及芝加哥雨型分析方法,对研究区的暴雨强度及雨型变化进行研究。结果表明:研究区内的降雨强度将受到降雨重现期显著的影响,降雨重现期及雨峰位置参数的选取将显著地影响暴雨强度及雨型分布。研究结果对理解典型性缺水城市不同暴雨重现期及雨峰参数下暴雨强度的变化及雨型分布具有一定的参考价值,为海绵城市规划及片区排水系统工程设计提供理论指导。

P&C雨型在城市排水计算中的适用性分析

为了分析Pilgrim&Cordery雨型在城市排水计算中的适用性,选用江苏省沭阳县中心城区连续35年的降雨资料,分别采用Pilgrim&Cordery法、芝加哥法推求短历时设计暴雨雨型。在分析两种雨型雨峰位置和形状差异的基础上,选用某小区作为典型区域,构建基于SWMM的小区排水模型,采用不同雨型计算小区排水流量,由模拟结果可知不同重现期下小区出水口Pilgrim&Cordery雨型与芝加哥雨型的峰值流量和水量均相差不大,因此认为Pilgrim&Cordery雨型与芝加哥雨型一样在城市排水计算中具有适用性,并可为其他城市短历时设计暴雨雨型分析提供参考和借鉴。