降雨时程分布对山洪灾害预警影响初步研究

由降雨时间分布的不均匀性带来的流域产流峰值的变化较大,在同一个流域,成灾流量及其它条件相同,但降雨过程不同,所需要的临界降雨量是不同的。因此,山洪灾害预警实践中,通常会因为实际的降雨过程与拟定山洪灾害预警指标所依据的雨型不一致而导致预警不准确。以云南省云县爱华镇田心村下轻木林和涌宝镇涌宝村岔河两个典型小流域为研究对象,构建雨量时程分布不均匀程度计算模型,以介于[-1,1]的无量纲不均匀系数表示降雨的时程分布特性,分析降雨时程分布不均匀系数与临界雨量的相关关系。结果表明:不均匀系数介于-0.8~0.8之间的14种雨量分布模式所引起的临界雨量变化在6.3%~29.6%之间,降雨时程分布越不均匀,临界雨量越小,其中主雨峰偏后的更为明显,说明流域降雨时程分布对山洪灾害预警影响显著。因此在山洪灾害预警实践中应根据实际的降雨过程对预警指标适当修正。     

太湖流域平原河网降雨时程分布变化的洪水响应

近年来太湖流域平原河网地区洪涝灾害频发,居民的人身及财产安全受到了严重危害。降雨是导致本区域洪水的主要因素,其中最具代表性的降雨类型为梅雨和台风暴雨,由于二者时程分布特性有较大差异,其致洪机理也有所不同。以探究降雨时程分布对洪水过程的影响为目的,以太湖流域武澄锡虞水利分区为研究对象,采用MIKE 11与MIKE 21构建一、二维耦合水动力模型,利用实况洪水过程对模型进行率定验证,采用该模型对研究区域进行不同设计工况的模拟,讨论了次雨量、降雨历时以及降雨时程分布变化对太湖流域平原河网地区洪水过程的影响。结果表明:降雨时程分布对平原河网河道洪水过程有显著影响,其中长历时降雨对雨峰位置的后移较为敏感,短历时暴雨则受到降雨时间变差系数变化的影响较大,而次雨量变化则对二者都有显著影响。     

新安江模型在嫩江流域洪水预报中应用

根据嫩江流域的地形和降雨特点,选用新安江降雨模型来建模,预报时段长达6h.文章详细介绍了建模的具体过程,模型结构、参数、以及参数的虑定等.通过新安江对嫩江流域洪水预报方案的编制,可以看出预报方案精度受多因素影响,但最基本的还是雨量资料.以河道汇流为主且区间雨量测站密度相对较大的预报站点,预报方案合格率相对较高.同时,通...     

基于降雨时空不确定性的山洪灾害三级预警模式

为提高山洪灾害预警精度,以栾川流域为例,根据基尼系数和峰值雨强位置系数,概化包括偏前均匀型、偏后集中型等9种特征雨型,并通过总雨量重现期和峰值雨强条件概率,确定各种雨型的峰量关系,设置降雨重心从上游到下游偏移的5种降雨空间分布情景。在此基础上,探讨降雨时空分布不确定性对临界雨量的影响,建立临界雨量数据集,构建三级临界雨量预警模式,并通过4场雨洪资料对该预警模式进行检验。结果表明：当前期影响雨量为0.2W_m(W_m为流域最大蓄水量)、降雨重心在中游时,偏前均匀雨型比偏后均匀雨型24 h临界雨量大17.52%～23.87%,偏后均匀雨型和偏后集中雨型的临界雨量范围相差5.19%～6.53%;前期影响雨量为0.5W_m时,情景1(降雨重心在上游)对应的12 h临界雨量比情景5(降雨重心在下游)大31.61%～48.94%,流域降雨时空分布对山洪灾害预警影响显著。因此,所构建的考虑降雨时空不确定性的三级预警模式运行结果合理可靠,可为其他中小流域的山洪预警提供技术参考。     

基于SCS模型和新安江模型的雨量预警指标综合动态阈值对比

为了解决下垫面条件复杂性和前期影响雨量不确定性给小流域山洪预警带来的难题,选取广东省罗定市太平镇太北村和罗镜镇大平岗村两个小流域作为研究对象,通过水位流量关系和致灾水位插值得到致灾流量,由致灾流量通过三角汇流曲线反推得到临界产流量,考虑前期影响雨量的因素,分别通过SCS模型和新安江模型反推得到动态临界雨量,并与广东省用国家新技术方法算出的临界雨量进行对比。结果显示,两种模型在临界雨量的计算上均满足预警要求,但基于新安江模型计算得出的结果偏安全,在山洪预警中更加可靠。     

雨量站网分布对雨量插值算法及径流响应的影响

为比较雨量站网密度及分布对不同空间插值算法的影响,选取6种雨量站密度的不同分布,采用4种空间插值算法对研究区2006—2014年的日降雨进行插值,并将面均雨量作为新安江模型的输入,分析和比较其降雨径流响应。结果表明:①雨量站网空间分布越均匀,降雨插值误差越小,其径流模拟的精度也越高;②在雨量站网均匀布置的情况下,各空间插值算法的插值结果差异较小;雨量站网布置不均匀时,站点数目越少各空间插值算法插值结果差异越大;③计算点雨量时,考虑空间变量的克里金法能更准确地计算日降雨的结果;计算面雨量时,不同插值算法间差异较小,建议选用计算简便的插值算法,比如泰森多边形、反距离权重法。     

基于雷达和雨量站的权重校准法研究及其应用

利用雷达测量降雨可获得流域面上的瞬时降雨分布,但数据有一定的误差,可利用雨量站实测资料修正。以湖北省白莲河水库流域为例,首先运用集对分析方法确定雷达估算降雨场的Z~I关系,然后结合流域雨量站点对雷达估算降雨量进行校准。在此基础上提出了一种基于雷达和雨量站点资料的权重校准法,通过雨量站确定流域内各网格的降雨量级,对各网格的雷达测量降雨量精度进行调整,以充分发挥两种降雨估算方法各自的优势,得到比较理想的流域面雨量,最后将其输入到三水源新安江洪水预报模型,与其他降雨估算方法进行比较,洪水预报精度有一定提高。     

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。     

考虑前期影响雨量的张家坟流域径流模拟与水资源量核算

考虑前期影响雨量的径流模拟可量化水资源形成过程,核算降雨水资源量,提升水资源精细化管控水平。以张家坟流域为例,构建新安江单区间和三区间径流模拟模型,并基于前期影响雨量进行频率分析,分析2021年“7·12”场次降水前期影响雨量值,调整模型参数模拟径流过程,实现水资源量核算目的。通过P-Ⅲ生成张家坟流域前期影响雨量值的频率曲线,建立土壤含水与前期影响雨量关系,分析不同前期影响雨量下径流影响,发现前期影响雨量与径流存在正相关关系。建立张家坟流域新安江单区间和三区间径流模型,根据前期影响雨量值调整模型K值和WM进行径流模拟,通过模拟结果进行张家坟降雨量、蒸发量、场次径流总量、河道汇入组成径流量及土壤入渗量核算。本研究提出基于前期影响雨量调整新安江模型参数模拟径流方法,实现对水资源量的分类、分区及分场次核算,为智慧水务下水资源精细化管控提供技术支持。     

变权模糊模型在黄土高边坡稳定性评价中的应用

影响黄土高边坡稳定性的因素众多且部分具有明显的不确定性。本文在现有的模糊模式识别模型评价黄土高边坡稳定性的基础上,考虑影响黄土高边坡稳定性因素所具有的客观性,提出了一种基于变权模糊理论评价黄土高边坡稳定性的方法。该方法首先通过相对隶属度理论求得待评价黄土高边坡稳定性分级标准的相对隶属度矩阵,再利用变权理论对指标因素进行赋权,最后通过变权模糊模型求得边坡稳定性评价等级特征值,达到对边坡稳定性评价的目的。将该模型应用于某黄土高边坡工程并与常权法和极限平衡法结果进行对比,结果表明使用变权模糊理论更科学,可以应用于相关工程领域。     

改进的新安江模型在贵州印江河流域的适用性及对比分析

将变动态存储系数法引入新安江模型河道洪水演算,从而对新安江模型进行改进,基于贵州印江河流域印江水文站2000-2010年水文资料,分析了改进新安江模型在研究流域的适用性并和传统新安江模型模拟结果进行对比分析,基于改进新安江模型,定量分析不同计算时段和不同蒸发输入对水文模拟的影响。研究结果表明:改进的新安江模型适合于研究流域的水文模拟,相比于传统新安江模型,改进新安江模型在相对误差和确定性系数两个指标中都有所提高,其中相对误差均值减少1.08%,确定性系数均值提高0.0182;计算时段越短,次洪模拟精度越高;相比于实测蒸发皿,双源蒸散发作为蒸发输入模拟的年径流深相对误差平均减少0.75%,确定性系数平均提高0.0139。研究成果可以为印江河流域的水文模拟提供参考价值。     

水工钢闸门主梁模糊失效概率计算方法研究

为合理计算水工钢闸门主梁模糊失效概率,分别将主梁相对变形当作一个随机变量及三个变量的组合,采用积分法、当量随机化方法及蒙特卡罗法进行了计算。当相对变形为一个随机量时,采用积分法及当量随机化方法计算,两者的差别在于积分法用隶属函数描述模糊限值,当量随机化方法是将模糊限值当量作为一个随机量。当相对变形看作三个变量的组合时采用蒙特卡罗法进行计算,该方法考虑了三个变量的分布特性,更符合实际情况,模糊限值也用随机量表示。计算表明,积分法与当量随机化方法结果相近,验证了当量随机化方法的精度;蒙特卡罗法结果与相对变形服从正态分布时、用当量随机化方法计算的结果接近,故主梁相对变形服从正态分布更为合理。三种计算方法中,当量随机化方法计算失效概率相较于其它方法有计算过程简便,效率高的优点。     

地下水数值模拟不确定性的贝叶斯分析

本文在常用的确定性地下水流数值模型的基础上,提出了基于贝叶斯原理的不确定性分析方法,并通过算例,针对几种常见的不确定性因素,定量地描述了其对模型参数和模拟结果的影响。相较于传统的蒙特卡罗法等不确定性分析方法,该方法不仅考虑了先验的参数不确定性,而且考虑了模拟结果与观测资料的相似度,因此其结果更加符合实际情况。此外,该方法能够被用于风险分析,可为地下水资源评价及开发利用提供科学的依据。     

基于Monte Carlo方法的地表水地下水耦合模拟模型不确定分析

为分析参数的不确定性对地表水地下水耦合模拟模型输出结果的影响,本文运用Monte Carlo方法对地表水地下水耦合模拟模型进行不确定性分析,并根据不确定性分析结果进行生态恶化风险评估。以石头口门水库上游饮马河汇水流域为例,建立地表水地下水耦合模拟模型,并运用HydroGeosphere(HGS)软件求解。利用局部灵敏度分析方法甄选出耦合模拟模型中灵敏度较高的参数,作为随机变量。最后,运用Monte Carlo方法对耦合模拟模型进行不确定性分析。为了减少不确定性分析过程中的计算负荷,应用Kriging方法,建立耦合模拟模型的替代模型。结果表明:地表水地下水耦合模拟模型中灵敏度较高的参数为渗透系数、孔隙度和曼宁粗糙系数,其中渗透系数的变化不仅对耦合模型中地下水水位产生影响,也对地表水流量产生影响;Kriging替代模型可以在保证一定精度的条件下大幅度减少计算负荷;风险评估结果表明,在当前的水资源开发利用条件状态下,研究区地下水生态环境恶化风险的概率为6%,地表水生态环境恶化风险概率为15%。     

Predicting Variability in a Lake Ontario Phosphorus Model

The prediction of a model always has a degree of uncertainty. Because the level of uncertainty is inversely related to the value of information contained in the prediction, there is a need to quantify the uncertainty. One approach to estimate prediction uncertainty is first-order error analysis. In this method, the error in a characteristic (variable or parameter) is defined by its first nonzero moment (the variance). Errors are propagated through the model using first-order terms in the Taylor series, and the variances are then combined to yield the total prediction uncertainty. An alternative approach to model prediction error analysis is Monte Carlo simulation. In this technique, probability density functions are assigned to each characteristic (variable or parameter), reflecting the uncertainty in that characteristic. Then, values are randomly selected from the distribution for each term and inserted into the model, to calculate a prediction. Repeating this process a number of times produces a distribution of predicted values, which reflects the combined uncertainties. These two approaches (first-order error analysis and Monte Carlo simulation) are applied to Lake Ontario data using a steady state mass balance phosphorus model. Comparisons are made which suggest guidelines for the use of each.     

水库洪水调度方式模糊风险分析

为了计算水库洪水调度方式综合风险,建立水库洪水调度方式的模糊风险模型。该模型通过水平截集三角模糊数,以风险识别指标值的区间变化表示多种风险源对调度方式风险的影响。结合随机模拟蒙特卡洛方法,计算出水库洪水调度方式模糊风险的区间值。实例分析表明,模糊风险能够表示不同程度的风险,较确定的风险指标值更符合实际,可为决策者提供更多的决策信息。     

Integrated modelling under uncertainty in watershed-level assessment and management.

Uncertainty in water quality model predictions is inevitably high due to natural stochasticity, model uncertainty, and parameter uncertainty. An integrated modelling system (modified-BASINS) under uncertainty is described and demonstrated for use in receiving-water quality prediction and watershed management. A Monte Carlo simulation was used to investigate the effect of various uncertainty types on output prediction. Without pollution control measures in the watershed, the concentrations of total nitrogen (T-N) and total phosphorus (T-P) in the Hwaong Reservoir, considering three uncertainty types, would be less than about 4.4 and 0.23 mg L(-1), respectively, in 2012, with 90% confidence. The effects of two watershed management practices, wastewater treatment plants (WWTP) and constructed wetlands (WETLAND), were evaluated. The combined scenario (WWTP + WETLAND) was the most effective at improving reservoir water quality, bringing concentrations of T-N and T-P in the Hwaong Reservoir to less than 3.4 and 0.14 mg L(-1), 24 and 41% improvements, respectively, with 90% confidence. Overall, the Monte Carlo simulation in the integrated modelling system was practical for estimating uncertainty and reliable in water quality prediction. The approach described here may allow decisions to be made based on the probability and level of risk, and its application is recommended.     

基于蒙特卡罗模拟的混凝土坝渗流性态区间综合评价

针对混凝土坝渗流性态评价过程中专家单值打分主观性较强等问题,采用区间评分的形式,引入权重因子表征专家评价水平差异,利用区间概率分布函数描述专家意见分歧程度,提出了基于区间宽度的主观权重修正方法,在此基础上利用蒙特卡罗模拟法进行渗流性态综合评价。采用该方法对某混凝土坝7号坝段的渗流性态进行了综合评价,评价等级隶属于基本正常及以上的概率为99.9%,评价结果为基本正常,与实际运行情况相符,表明基于蒙特卡罗模拟的区间评价法应用于混凝土坝渗流性态评价是可行的,可用于不确定性高、单值赋分难度大的工程评价。     

泾河流域水沙联合分布特征分析及其不确定性评估

径流与泥沙是非独立的二维随机变量,若要对流域实现水沙并举的科学管理方案,开展水沙联合概率分析显得尤为必要。而在联合概率分析中,水沙样本系列容量一般较小,使得联合设计值估计具有不确定性。以泾河流域为例,本文提出基于蒙特卡洛法的两变量联合设计值不确定性量化方法。该方法基于Copula函数建立水沙联合分布模型,推求两变量联合设计值的最可能组合模式,利用蒙特卡洛抽样法分析样本不确定性对水沙联合设计值的影响,计算两变量设计值置信区间。结果表明,OR重现期为20年的情况下,联合设计值95%二元置信区间表现出较大的不确定性,对流域工程设计值的确定提出了巨大挑战,且随着重现期水平的增加,联合设计值的不确定性随之增加。     

Uncertainty Analysis of a Two-dimensional Hydrodynamic Model

First-Order Second Moment (FOSM) and Monte Carlo analysis were applied to characterize the uncertainty in selected water levels and velocities simulated by a two-dimensional hydrodynamic model of the Upper St. Lawrence River downstream from Lake Ontario. The analysis utilized an application of the Resource Management Associates’ RMA2 model. Both FOSM and Monte Carlo analysis provided similar estimates of uncertainty, with Monte Carlo analysis results being 15% less than FOSM. Based on the findings of this work, the FOSM is preferred. FOSM provides a conservative estimate of the uncertainty and it is simpler to apply than Monte Carlo analysis, requiring less information and fewer model executions. FOSM also provides an immediate indication of the primary contributors to the uncertainty in the output, where Monte Carlo analysis requires additional effort to do the same. Results indicate that the parameter describing bottom resistance using Manning's n contributed more to model uncertainty than other factors investigated. The uncertainty in and sensitivity in Manning's n is large which results in a significant amount of uncertainty in the model outputs is contributed by this parameter. The calculations described in this study show that uncertainty analysis is a practical addition to the two-dimensional hydrodynamic modelling process. It provides insight to the model developer, quantifying how good the model actually is. It also provides a measure of the accuracy of the model for future model developers or clients using hydrodynamic modeling outputs