基于数字滤波和LOADEST模型的思茅河基流氮磷输出通量估算

为定量解析云贵高原地区河流基流的氮磷输出通量过程，采用最小滑动法、Chapman-Maxwell滤波法、Boughton-Chapman滤波法及递归数字滤波法对澜沧江三级支流思茅河进行了基流分割，基于LOADEST模型模拟了思茅河总径流及基流氮磷输出通量过程，估算了基流的氮磷输出贡献。研究结果表明：Boughton-Chapman滤波法对思茅河基流分割的适宜性较好，基流年均补给量约占思茅河总径流量的66%;基于LOADEST模型构建的思茅河总径流NH₃-N、TP输出通量模型方程判定系数R²分别为81.89%和72.67%,拟合效果较好，二者年均输出通量分别为567.58 t和25.75 t;基流NH₃-N、TP年均输出通量分别为391.57 t和18.87 t,对思茅河总径流氮磷输出通量的年均贡献率分别为69%和73%;在做好陆域氮磷削减的同时，更要充分考虑到对基流氮磷污染的精准防控。     

LOADEST污染物负荷估算模型在寒区的适用性研究

对污染物负荷的估算是掌握河流污染物总量输移的简便方法,也可为流域污染物总量控制及模拟提供数据支撑。采用LOADEST模型利用连续的日流量数据和伊吾河研究区四个汇水口瞬时的总氮及总磷负荷浓度,建立寒区伊吾河流域污染物通量回归方程,对回归方程的有效性进行检验,研究其对寒区月污染物负荷估算的适用性。结果表明:LOADEST模型优选出的各污染物负荷回归方程比较有效,可以对项目区污染物负荷进行估算,能够较真实的反映伊吾河流域各污染物的入河负荷。     

丹江口水库入库非点源污染负荷的计算与讨论

正确估算丹江口水库入库非点源污染负荷对于水源区水环境保护具有重要意义。根据丹江口库区6条主要入库河流汉江、天河、堵河、丹江、老灌河、淇河控制水文站2013年逐日流量数据,采用数字滤波法对基流进行了分割。以逐日流量、河川基流量和代表污染物（CODMn和TP）2013年逐月浓度监测值为基础,采用通量法计算了背景污染负荷和点源污染负荷、非点源污染负荷。结果表明：（1） 6条河流入库流量占总入库流量的95.9%,非点源污染已成为丹江口水库水质变化的主导因素。（2） 汉江是入库污染负荷的最大来源,其次是堵河。（3） 由于非点源污染伴随降雨汇入河道,水库污染负荷主要集中于丰水期,2013年度丰水期CODMn和TP的比例分别达到了80.8%和90.9%。      

基于SWAT模型的中尺度流域径流变化过程模拟

采用黄土丘陵沟壑区耤河流域1962—2008年逐日水文气象数据,基于GIS空间分析功能建立空间和属性数据库,利用SWAT模型对该流域过去47 a的径流变化过程进行了模拟与验证。结果表明:对于年、月尺度径流的校准与验证,模拟值和实测值变化趋势保持一致,但模拟值总体上均偏大;校准期年均流量模拟值的相对误差、与实测值的复相关系数、效率系数分别为15.3%、0.638、0.720,验证期分别为26.0%、0.569、0.511,可见验证期的模拟效果不如校准期的;月均流量也有类似的模拟效果,但不如年均流量模拟效果好。     

基于地形指数模型的白沙河流域逐日流量模拟

地形指数模型的计算方程是建立在动力波方程基础上的,有较好的物理基础。根据现有白沙河流域水文资料和降水资料,选择地形指数模型对白沙河流域逐日流量过程进行模拟,并根据实测资料对模拟结果进行检验。结果显示,用地形指数模型法模拟山丘区流量是可行的,可以为流域非点源污染通量模拟提供合适的水文模型和流量模拟结果。     

数据融合方式下的中型河流流量估算方法研究

基于数字高程获取河道所在地形剖面,应用遥感影像数据提取河流水域宽度,确定断面水力要素,采用比降面积法估算河道断面流量。通过与实测水文数据对比分析该方法适用性,结果表明:该方法下估算的河道断面流量和实测流量之间的相对误差在±25%以内,绝对误差在11. 2～23. 2m3/s之间,基本可满足无监测站点中型河流流量估算需求。     

漓江流域上游非点源污染负荷估算

采用径流分割法(丰枯径流差值法)、降雨量差值法和径流量差值法,基于2005—2014年各月水文和水质数据,进行漓江流域上游非点源污染负荷量的估算。结果表明,径流分割法的非点源污染负荷计算精度最高,丰枯水期污染物负荷差值和流量差值的拟合方程决定系数在0.88以上;基于径流分割法的污染物总负荷计算值和实测值的决定系数在0.91以上,计算值与实测值的结果接近。与氨氮和高锰酸盐指数相比,不同方法计算的总磷非点源污染比例呈现较强的稳定性。径流分割法的计算结果显示,2005—2014年高锰酸盐指数的非点源比例平均值为0.70,氨氮的非点源比例平均值为0.73,总磷的非点源比例平均值为0.74,说明非点源污染对漓江流域上游水质的贡献率较高。     

星-机一体的水力几何形态流量估算方法

河川径流变化的监测是水资源开发及生态建设的基础。但我国仍然存在大范围的水文资料匮乏地区,水资源储量及变化资料的缺失制约着区域社会经济发展。低空遥感及卫星遥感数据能快捷方便地获取河流信息,为此将卫星遥感数据与低空遥感数据相结合,依据水力几何形态理论,通过低空遥感数据建立表征河流水力几何形态的数字模型,在卫星遥感长序列数据的支持下进行流量估算研究,为水文资料匮乏区的中小河流流量监测提供一种新方法。选取位于新疆的玉龙喀什河为研究区,建立表征河流水力几何形态的数字模型,应用卫星遥感数据计算23次不同时期的流量。将计算结果与水文站实测数据对比验证,结果表明,当流量小于200 m³/s时,基于水面宽的水力几何形态流量估算方法效果较好,其中均方根误差结果为4.65 m³/s,对该地区进行精细化的水资源管理时具有较强的参考价值;当流量大于200 m³/s时,同时使用水深和水面宽的水力几何形态流量估算方法具有更好的精度评价结果,80%的流量估算结果在许可误差范围内,对该地区的洪水预报具有参考意义。     

耦合渗漏项的季节性河道洪水演进模型研究

针对北方干旱或半干旱区季节性河道渗漏现象严重问题,为提高流域洪水演进模拟精度,在传统水动力学洪水演进模型基础上耦合河道渗漏项,构建季节性河流洪水演进数学模型。采用霍顿入渗模型描述季节性河道渗漏过程,解决河道渗漏量计算及与基于圣维南方程组洪水演进模型耦合问题;并利用Preissmann四点偏心隐格式与追赶法对模型离散和计算,开发FORTRAN计算程序;最后以大沽河流域实测资料进行验证。结果表明,沙湾庄和南村断面水位与流量过程的模拟值与实测值吻合且变化趋势一致,洪水峰面到达断面模拟时间和实际时间基本一致,研究区各河段来水量、渗漏量的实测值与模拟值相对误差范围分别为-1.66%~0.36%、-3.09%~3.72%,所建模型可满足在现状条件下进行洪水模拟预报的需要。     

黄淮海地区降水随机模拟模型及评价

利用黄淮海地区7个代表站连续42 a的实测降水资料,通过一阶马尔科夫链和伽玛分布函数的联合应用,建立了降水随机模拟模型。利用实测降水数据直接推求和回归模型间接获得的方法,分别模拟了7个代表站100 a的逐日降水过程。结果表明:模拟的降水量和降水天数均与实测值符合良好,两种方法月降水天数模拟值的平均相对误差分别为3.33%、4.01%,月降水量模拟值的平均相对误差分别为2.44%、2.36%;可以采用本文建立的回归模型估算转移概率和伽玛分布参数。     

Co-Kriging Estimation of Nitrate-Nitrogen Loads in an Agricultural River

Daily nitrate-nitrogen (NO₃-N) loads in the Raccoon River, Iowa, were estimated using Ordinary kriging (OK), Cokriging (CK), and a standard rating curve method (LOADEST) based on a dataset of 3451 measurements of NO₃-N concentration collected over 19 years. The CK estimation utilizes the temporal correlation of NO₃-N load with daily discharge and honors the measured points to improve estimation relative to regression based models. Loads were estimated using the observed concentrations and three subsets of the measured data that correspond to three frequencies (weekly, biweekly, and monthly). Results indicated that daily NO₃-N loads were best estimated by CK using measured loads with daily discharge. Daily load estimates produced by OK using weekly data matched well with measured values, but discrepancies emerged when samples were collected less frequently, e.g., biweekly and monthly. For the entire 19-year dataset, compared to measured loads, the estimated total NO₃-N load decreased using OK when samples were collected monthly, but increased using CK. Load estimation using the seven-parameter LOADEST model did not perform well for the Raccoon River because the correlation of NO₃-N concentration to river discharge was poor. For the site studied, weekly and biweekly sampling may be sufficient to estimate daily NO₃-N loads with CK when daily discharge data is available.     

Discharge estimation based on machine learning

To overcome the limitations of the traditional stage-discharge models in describing the dynamic characteristics of a river, a machine learning method of non-parametric regression, the locally weighted regression method was used to estimate discharge. With the purpose of improving the precision and efficiency of river discharge estimation, a novel machine learning method is proposed: the clustering-tree weighted regression method. First, the training instances are clustered. Second, the k-nearest neighbor method is used to cluster new stage samples into the best-fit cluster. Finally, the daily discharge is estimated. In the estimation process, the interference of irrelevant information can be avoided, so that the precision and efficiency of daily discharge estimation are improved. Observed data from the Luding Hydrological Station were used for testing. The simulation results demonstrate that the precision of this method is high. This provides a new effective method for discharge estimation.     

基于无人机正射影像的河道水域动态监测模型的研究——以浙江省宁波市鄞州区为例

利用卫星影像开展河道水域非法占用监测,存在后期数据处理周期长、实时性弱等不足。为此,基于无人机正射影像图提出一种集Mask RCNN网络与图像差值计算的河道水域动态监测模型,通过机器识别改善现存问题。首先对正射影像进行拼接、矫正与分割,获取原始数据集后利用有监督学习方式训练Mask RCNN模型。最后获取河道轮廓图并计算两期同一位置正射影像的差值与阈值对比,来判定河道水域是否发生变化。试验结果表明,在机器识别与人工处理对比中本方法具有平均90%左右的准确率。本模型准确性较高,可辅助作为小型河道水域非法占用的实时动态监测工具。     

城市河流生态适宜性平面蜿蜒度确定方法研究

以北京市南沙河为例,从河流生态和行洪安全的角度出发,对城市河流进行探讨分析,旨在确定适宜城市发展的河流平面蜿蜒形态,为城市河流的规划发展提供理论依据。基于河流生态系统结构功能整体性概念模型,选取流速、水深作为特征性指标,以AUTOCAD散点构建南沙河老牛湾附近河段的不同平面蜿蜒形态数据,利用MIKE21模型对所构建的平面蜿蜒形态进行水动力模拟,并对其模拟结果进行梳理。根据系统分析法探讨城市河流不同平面蜿蜒形态与流速水深分布多样性、所选特征鱼类适宜生存流速水深以及河流的行洪安全要求三方面之间的关系,从而确定了蜿蜒度为1.4的平面形态对南沙河老牛湾附近河段的发展建设更为有利,明确了城市河流生态适宜性平面蜿蜒度的定义。     

基于水文分割法的流溪河干流典型断面非点源污染负荷估算

针对流溪河非点源污染防治较严峻局面,对流溪河非点源负荷进行了研究。2013—2014年,对流溪河干流温泉、牛心岭、人和、河口断面进行了203 d的水质及水量监测。根据监测结果结合水文分割法和平均浓度法对各断面的非点源污染负荷进行了计算,并分析了非点源污染的特点。结果表明:流溪河干流典型断面污染物以NH3-N、TN和TP为主;越往下游,监测断面各指标平均浓度越大,水质越差;上游断面洪水期各主要指标浓度大于枯水期,下游断面则是枯水期各主要指标浓度大于洪水期;监测断面各指标非点源污染负荷占总负荷的比例为44.22%~96.17%,平均为76.99%;从上游往下游,非点源污染物负荷占总负荷的比例在减小;各断面年污染负荷基本上是以洪水期负荷为主,洪水期污染负荷则以非点源污染负荷为主;河口断面污染物年总负荷中,58.74%的TN、67.22%的TP和65.45%的COD来源于非点源污染。非点源污染在流溪河水体污染中占较大比重,对水质影响不容忽视。     

淮河中游汛期——非汛期洪污调度数学模型

针对淮河中游防洪及防污调度的实际需求,在流域现有水文信息平台和水文预报系统的基础上,以一维模拟为主线,通过对水工建筑物、行蓄洪区等河网要素的概化处理,构建了淮河中游汛期-非汛期全过程防洪防污一体化数学模型。模型主要由水文预报模拟、河道水动力模拟、闸坝泵调度模拟、行蓄洪区蓄行功能模拟及河道水质模拟等功能模块组成,并采用水文-水动力-水质相耦合的集成措施,实现淮河中游多闸坝,多行蓄洪区水量水质的联合计算。模型复演了淮河近年来发生的典型洪水事件和水污染物事件,并和实测值进行了比较。结果表明,所建模型能够准确客观地描述研究区的洪水演进规律和污染物输移扩散规律,根据调度准则,汛期可给出任意断面水位、流量要素及行蓄洪区进出洪量等信息,非汛期可以获取污染团下泄的详细过程,为全年淮河中游闸坝群的洪污调度提供模型支撑。     

基于粒子滤波的一维非恒定流模拟多变量校正方法

为减少数值模型的不确定性,将粒子滤波方法引入一维非恒定流水量计算,建立了一维水量模拟的多变量校正方法.该方法通过对水流状态粒子进行统计估值,实现模型状态变量的最优估计.以单一河道洪水演进过程为例,探讨了多变量校正方法在一维非恒定流计算中的性能,分析了粒子数量、状态变量扰动误差和边界条件的不确定性对滤波效果的影响,从准确...     

区域污染负荷特征与控制分析：以宁夏沿黄经济带为例

2017年以来宁夏13条主要入黄排水沟水质基本为劣Ⅴ类,迫切需要推进宁夏沿黄经济带污染防控,保障沿黄城市群高质量绿色发展乃至黄河流域生态安全。针对宁夏沿黄经济带现状污染分析中未考虑污染物入河过程中的减少和点面源污染总体分析不足的问题,以TN、TP、COD、氨氮为污染负荷指标,采用统计数据和考虑入河系数的输出系数法,分析区域污染负荷特征,诊断主要污染源,计算分析点面源污染物排放量和入河量,进行污染物入河量控制分析,提出污染防控的重点和策略。研究表明:2017年研究区TN、TP、COD、氨氮排放量分别为2.23万t、0.15万t、6.16万t、1.00万t,入河量分别为1.03万t、0.03万t、3.31万t、0.44万t,城镇生活污水、农田化肥污染、工业污染物入河量分别占入河总量的55.9%、26.6%和14.7%。污染防控主要策略是城镇污水处理厂出水水质提标至准Ⅳ类,可削减污染物至现状的60.8%;农田亩均化肥折纯量控制在15kg以下,可削减污染物入河量至现状的32%;宁东能源化工基地和工业园区实行近零排放。研究结果为宁夏沿黄经济带生态保护和污染防控治理提供技术支持。     

KALMAN FILTERING CORRECTION IN REAL-TIME FORECASTING WITH HYDRODYNAMIC MODEL

Accurate and reliable flood forecast is crucial for efficient real-time river management, including flood control, flood warning, reservoir operation and river regulation. In order to improve the estimate of the initial state of the forecasting system and to reduce the errors in the forecast period a data assimilation procedure was often need. The Kalman filter was proven to be an efficient method to adjust real-time flood series and improve the initial conditions before the forecast. A new model integrating the hydraulic model with the Kalman filter for real-time correction of flood forecast was developed and applied in the Three Gorges interzone of the Yangtze River. The method was calibrated and verified against the observed flood stage and discharge during Three Gorges Dam construction periods （2004）. The results demonstrate that the new model incorporates an accurate and fast updating technique can improve the reliability of the flood forecast.     

河道生态基流生态经济价值及其时间变化研究

为了解决普遍采用单方水资源价值计算河道生态基流价值的缺陷,以及探索河道生态基流价值定量化计算新方法,采用水力学方法将河道生态基流从径流量中分离出来,并确定河道生态基流对应水面面积,进而采用当量因子法计算河道生态基流价值和并探索分析了河道生态基流价值的时间变化特征。以渭河干流宝鸡段为例进行研究,结果表明:渭河干流宝鸡段的丰水年、平水年以及枯水年的年平均河道生态基流量分别为5.82 m~3/s、3.59 m~3/s和2.76 m~3/s。近21 a来,该段河道生态基流价值在时间上总体呈下降趋势,该价值多年平均值为5.61亿元,单方河道生态基流价值为6.27元/m~3,单方价值与价值总量变化趋势相反。河道生态基流价值年内变化具有明显的周期性,总体呈倒"V"字型,汛期河道生态基流价值比非汛期大,单方河道生态基流价值与之相反。通过相同区域以及相近区域的河道生态基流价值研究成果以及价值变化特征的对比分析,证明研究成果较为合理。该方法可为河道生态基流合理保障提供定量化依据。