基于物理基础与基于栅格的分布式水文模型研究

借鉴分布式水文模型CASC2D的研究并结合中国的情况进行改进。为提高模型的计算速度以及增加模型在中国流域的实用价值,在模型中引入Preissmann隐式差分方法来计算河道汇流并与原模型的显式差分方法进行对比;引入蓄满产流模式计算栅格单元的产流并与原模型的Green-Ampt产流模式进行对比;引入线性水库或滞后演算方法来描述湿润地区地下径流的汇流过程。根据Goodwin Creek和舒家实验流域的概况,拟定具体的研究方案,模型在两实验流域都取得了良好的洪水模拟效果,从而验证了模型结构的合理性和正确性。随着地理信息系统和遥感技术的进一步发展,分布式CASC2D模型将广泛应用于中小流域的洪水模拟和预报。     

柬埔寨环洞里萨湖输电线路工程设计水位分析

柬埔寨环洞里萨湖输电线路主要受湖水、汇入河流和当地沥涝的影响。经过前期搜资准备,利用湖区水文站的水位频率计算成果、实测地形数据、现场勘察、湄公河和洞里萨湖流域的二维洪水模拟成果、泥沙淤积影响,经过相互印证,综合分析后提出较为可靠的沿线洪水淹没条件和洞里萨湖设计水位。     

基于格子玻尔兹曼方法的流域汇流数值模型

本文利用Lattice Boltzmann Method方法分析了坡面水流和河道水流运动方程圣维南方程的特点,提出了流域汇流过程的LBM数值模型,此模型在汇流过程中将地貌因素与水动力扩散相结合以描述坡面水流运动,很好解决了坡面水流的流量分配问题。利用此模型生成的单位线对抚河南城流域14场洪水进行了汇流计算,结果表明所提出的汇流模型用于流域汇流计算具有较好的精度。本研究对于分析坡面水流运动、汇流机制、土壤侵蚀、泥沙输移等诸多领域,具有重要的理论意义。     

分布式降雨输入与汇流模拟对洪峰计算的影响

3000 km2以下中小流域洪水灾害是当前洪涝灾害防治的薄弱环节,提高洪峰预报精度、降低不确定性是当务之急。论文以伊河河源地区东湾流域为例,基于新安江模型和蒙特卡洛抽样方法,通过集总式、降雨集总–汇流分布式、降雨分布–汇流集总式和降雨分布–汇流分布式4种方式,研究降雨分布式输入与汇流分布式模拟对洪峰精度和不确定性的影响。结果表明：（1）降雨分布式输入总体上能够提高洪峰精度,但对于某些降雨空间分布极端不均的洪水,则会扩大洪峰误差;（2）降雨分布式输入使新安江模型汇流参数相互独立,扩大了洪峰计算的不确定性;（3）汇流分布式模拟总体上能够减小洪峰计算的不确定性。研究结果为中小河流洪水预报提供了有益的参考。     

基于虚拟现实的城市溃堤洪水淹没过程仿真

溃堤洪水淹没过程研究对防洪减灾具有重要的现实意义.以哈尔滨市主城区为例,讨论了基于虚拟现实技术建立城市防洪综合信息平台的总体结构,重点研究了城市防洪中溃堤洪水的淹没过程仿真.采用水动力学模型计算法和水深比较法两种方法研究了哈尔滨城区溃堤洪水淹没过程,比较了两种方法的优缺点.将水动力学模型计算结果与连通域搜索方法相结合,实现了三维虚拟环境中洪水演进过程的平滑模拟仿真.     

新一代三峡水利枢纽短期洪水预报系统的构建与检验

本文主要介绍新一代三峡水利枢纽短期洪水预报系统的设计与实现,该系统可利用目前三峡区间多种降雨估测信息源作为系统的输入条件;流域产汇流方面,采用基于地貌特征的流域分布式水文模型GBHM模拟三峡区间降雨径流过程,该模型考虑了汇流区间内不同土地利用类型和土壤类型对山坡产流的影响,能较好地描述研究区域水文过程的时空分布特征;库区洪水演进方面,采用MIKE11中的一维水动力学模型耦合GBHM模型输出区间流量来模拟三峡水库内长江干流河道的洪水演进过程。基于历史资料的模拟结果显示,该预报系统可以较为准确地模拟三峡区间的暴雨洪水、库区洪水演进等一系列水文过程。     

高效高精度水动力模型在洪水演进中的应用研究

针对现有的洪水演进及淹没过程二维数值模型中存在的计算精度不高、稳定性差、计算效率低下等问题,本文提出一套基于GPU加速技术的地表水动力数值模型（GAST）。选用英国莫帕斯小镇百年一遇洪灾为研究对象,模拟5 m和2 m分辨率地形下的城区淹没过程及范围,分析GAST模型的模拟精度、效率及稳定性。研究发现：GAST模型模拟淹没面积与实测结果百分误差仅为0.96% ~ 4.36%,同时计算5 m、2 m分辨率地形用时分别为2.17 h、9.00 h,具有较高的模拟精度、效率及计算稳定性;对比相同输入条件下的MIKE21 FM模型,GAST模型计算精度提升1.07 ~ 19.55倍;GAST模型计算效率提升3.4 ~ 11.78倍,且随着计算网格数的增加效率优势更为明显,故其应用前景广阔。     

城市地区流域洪水过程模拟:以清河为例

城市地区流域洪水模拟是当前洪水过程计算分析的热点和难点,本研究基于Mike洪涝模拟平台的河道一维水动力学模型(MIKE11),综合考虑城市地区不透水下垫面产流、多闸坝调度、城市排水、支流汇入等因素,系统构建了北京市主要排洪河道清河流域洪涝模拟模型,以设计流量、水位资料和实测场次洪水过程资料分别对河道、水工建筑物参数及运行规则进行了验证,模型模拟结果显示模型能够较好模拟城市流域复杂环境条件下的河道结点水位,情景模拟分析不同降雨重现期流域现状河道行洪能力和河湖雨水综合利用能力,显示清河流域具有明显的低水位、大流量的特点,可以满足20年一遇降雨行洪要求。在特大暴雨条件下清河干流中段清河闸至羊坊闸是河道洪涝的重点防护区域。从1年到20年一遇重现期设计降雨条件下,模拟蓄水占总库容的33.5%~54%。研究为城市流域防洪调度和雨水资源利用提供技术支持。     

川中丘陵区小流域分布式水沙模型

以川中丘陵区的解家湾小流域为研究对象,将分布式水文模型与土壤侵蚀产沙模型嵌套,构建了解家湾分布式流域水沙模型。模型基于DEM将流域离散为＂坡面＋沟道＂系统,利用数理方程描述流域水沙过程,坡面单元模拟了降雨、截留、蒸散发、入渗、地表径流、壤中流和地下水、侵蚀产沙过程,沟道单元模拟了汇流演算以及泥沙输移过程。在解家湾小流域的率定和验证结果表明,模型结构合理,水文模块精度良好,侵蚀产沙模块令人满意。通过对不同工况下径流过程的模拟,对径流参数的敏感性进行了检验,表明饱和导水率是模型敏感参数,植被截留影响较小,土壤前期含水量影响壤中流。     

基于地理信息的SCS模型及其在黄土高原典型流域降雨-径流关系中的应用

基于土地利用、土壤类型等信息数据和流域水文、气象资料,应用美国农业部水土保持局研制的小流域设计洪水模型-SCS模型对王东沟流域径流过程进行了模拟.按照集水区自然分水线划分流域子单元,并提出了适合该流域产流计算的CN值表.结果表明,模型所模拟的径流过程与实测径流过程具有较好的一致性,模拟精度在75%以上,说明模型在参数的确定上是较为合理的,可以应用于黄土高原典型流域.为建立分布式水文模型对流域进行生态水文综合评价提供了科学方法.     

利用水文模型研究下垫面变化对洪水的影响

近年来由于人类活动对下垫面的影响加剧,研究下垫面变化对洪水的影响对减少灾害损失有重要的意义。对于海河流域中紫荆关、邱庄、阜平三个流域分别用新安江模型进行洪水模拟,并把洪水按照年代不同分时段,分别进行参数调试。通过比较模拟得到的参数发现,海河流域的调蓄作用有增强的趋势。同时根据流域下垫面的具体情况改进新安江模型,构造了增加补给深层地下水的新安江模型,该模型产流模拟更符合海河流域下垫面的实际情况。以紫荆关流域为例通过对参数S0的调试,说明地下水漏斗对洪水的影响情况。     

洞庭湖流域洪水遭遇规律研究

研究洪水遭遇事件对防洪减灾具有重要意义。目前对于多源洪水遭遇的研究局限于多维非对称型Archimedean Copula,存在公式推导复杂、参数多及拓展性差等缺陷。本文引入椭圆Copula,分别建立洞庭湖流域多源洪水发生时间、时间-量级和过程遭遇模型,推求多情景下多源洪水遭遇概率,全面揭示了流域洪水发生时间、量级和过程的遭遇规律,探明了多源洪水过程遭遇时滞规律,并将模型估计结果与历年同步洪水资料的统计结果进行比较。结果表明,所提模型计算结果符合洪水发生的一般规律,并与实测资料的统计结果基本吻合,保证了分析结果的可靠性和合理性,可为提高流域防洪能力、保障防洪对象安全提供科学依据和有效支撑。     

数据挖掘技术在洪水预报实时校正中的应用北大核心CSCD

实时校正作为提升洪水预报精度的最后一道屏障,是洪水预报的重要组成部分。针对洪水过程与洪水要素校正效果较差的问题,以横江屯溪以上流域为例,在对流域历史洪水数据的降雨径流序列与洪水特征值遴选的基础上,构建了暴雨洪水特征库,提出了一种结合卡尔曼滤波和K最邻近结点算法的联合实时校正方法。结果表明:相较于模型未校正及单一校正方法,联合实时校正方法在减少洪水预报过程中的洪峰预报误差、洪量预报误差及峰现时间误差上更为有效,预见期在6 h及以下时仍可以保持较好的稳定性与准确性。此方法对于提高中小河流洪水预报精度、有效预警和防灾减灾等方面都具有重要作用,同时对研究区域洪水特征具有一定参考价值。     

多方数据融合的山洪灾害模型应用研究

山洪灾害预测是应急管理工作中的一个重要部分,如何实时、准确得到灾害数据并进行关联分析,是灾害调查中的一个难点。研究了洪涝与地质灾害多方数据的感知与融合,通过结合多方数据融合组件、天-空-地的立体网格体系、数据分析引擎与算法模型、数据同化技术、核心专业模型以及人工智能分析等关键技术,搭建出轻量版山洪、泥石流、山体滑坡大数据平台。平台囊括了山洪水情预报模型和小型可视化灾情信息系统,可灵活呈现监测分析结果;耦合二维、三维GIS,实现微观-局部-整体、过去-现在-未来的多方位、高频自动监测-遥感影像解译-流域水文模拟、多视角、多维度展示。此平台内置的数据分析引擎与算法模型通过数值计算形成虚拟监测数据,采用熵值法、热点技术、机器算法等对水位、流量、流速等数据构建统计预测模型,并实现多源数据验证,有助于大幅度减少监测点与运维成本。平台还可将灾害数据关联分析平台与人工指挥决策系统打通,为预测、决策、指挥提供依据。     

水库汛限水位动态控制方案优选研究

在分析水库汛限水位动态控制影响因素的基础上,建立了汛限水位动态控制方案优选评价指标体系,应用丹麦DHI公司研发的MIKE水力计算软件建立了水库下游洪灾淹没损失评估模型.最后以大连市碧流河水库为例,分析计算了在抬高汛限水位后水库下游城子坦镇的洪灾淹没风险损失,并结合水库防洪风险、年平均发电量、洪水资源利用率及供水保证率可靠度四项指标,采用可变模糊优选模型对讯限水位动态控制方案进行优选计算,进而确定了水库实时调度过程中汛限水位动态控制的满意决策方案.     

提高支持向量机洪水峰值预报精度研究

本文引入支持向量机算法进行流域洪水预报建模，同时针对训练样本的不平衡性，提出了一种能进行峰值识别的改进支持向量机算法(support Vector Machine with Peak Recognizer，简称SVMPR)。该算法在结构风险最小化准则的目标函数中适当加大峰值样本的权重，从而提高支持向量机洪水预报模型对洪峰的预报精度。分别采用SVM算法和SVMPR算法对沙溪口流域上洋口站建立洪水预报模型，对比分析表明了SVMPR算法的有效性。     

基于动态临界雨量的小流域山洪灾害分级预警

临界雨量方法在山洪灾害预报预警中应用广泛,然而传统的临界雨量方法以静态临界雨量为主,且无法判别山洪灾害的风险等级。本文发展了基于动态临界雨量方法的山洪灾害分级预警方法,并在福建闽江下游小流域进行应用。方法采用人工神经网络构建成灾流量与风险因子间的统计关系,进而获得无资料地区成灾流量的空间分布,并根据历史重现期划分不同山洪风险等级,得到对应风险等级的临界流量和临界雨量。结果表明：通过考虑流域前期湿润状况,该方法能够显著延长山洪灾害预警的预见期,有效提升对山洪灾害的监测预报能力。此外,相比于传统山洪预警方法,山洪风险等级的划分使得该方法更适用于山洪灾害风险预警的业务应用。     

澄碧河流域降水及旱涝变化特征分析

为了解西南岩溶区流域的降水及旱涝变化特征,选用澄碧河流域1979—2019年12个地面站点实测逐月降水资料,采用Sen斜率估计法、小波周期分析、经验正交函数（EOF）分析及标准化降水指数（SPI）等方法进行分析。结果表明,41 a间澄碧河流域年降水量呈现不显著增加趋势,以30 a为主周期;降水主要分布在夏季,并且呈不显著变化;降水量整体上呈现出由东南向西北递增的格局。EOF分析发现流域呈现出三种降水模式,其主要以全流域降水变化一致为主,其余两种模式均呈现出相反的降水变化。澄碧河流域干旱事件向洪涝事件转变发生在1994年,流域洪涝发生频率大于干旱发生频率,旱涝事件变化在空间上的分布特征具有一定差异性。研究结果对流域防范旱涝灾害具有参考意义。