基于信息熵理论的流域瞬时单位线

基于流域汇流是一种受确定性和随机性因素影响的随机现象，从流域的瞬时单位线等价于水质点在流域内流达时间的概率密度函数入手，引入信息熵理论，提出了一种流域瞬时单位线。这种模型的数学菜同于Ｎａｓｈ瞬时单位线，具有概念不禁，计算简单等优点，并且计算精度等同ａｓｈ时单位线，以圩缺乏水文资料地区的汇流计算也是可行的。     

伽玛分布地貌瞬时单位线

本文以概念性元素“特征河长河段”的响应函数作为水质点传播时间的概率密度函数，建立了具有水动力学基础和伽玛分布地貌瞬时单位线模型，推导出了三级，四级和五级流域的地貌瞬时单位线，并对其性质作了分析，详细讨论了参数的约束条件和求解参数的方法，实例检验表明，模型结构合理，内罚函数法求解比较有效，模型拟合精度较高。     

逆高斯分布地貌瞬时单位线

本文假设水质点在河道状态传播时间的概率密度函数服从逆高斯分布，并根据地貌瞬时单位线理论建立了逆高斯分布地貌瞬时单位线模型。推导了三级流域的瞬时单位线，并对其性质作了分析。     

基于Nash 瞬时单位线法的渗透坡面汇流模拟

基于Nash瞬时单位线法,结合Horton土壤入渗经验模型,并考虑植被对降雨的截流作用,建立了渗透坡面汇流计算的数学模型。以矩形坡面为研究对象,基于其汇流时间-面积特性,结合等流时线法,推导建立了Nash瞬时单位线参数n、K的确定方法。其中,参数n的值为1.0,K的值与坡面汇流时间相等,相当于单一线性水库。应用本文建立的模型,对林地渗透坡面降雨径流进行计算,并与实测值进行比较。结果表明,计算值与实测值的变化趋势基本吻合,初步验证了本文方法的合理性。     

基于Nash瞬时单位线法的渗透坡面汇流模拟

基于Nash瞬时单位线法,结合Horton土壤入渗经验模型,并考虑植被对降雨的截流作用,建立了渗透坡面汇流计算的数学模型。以矩形坡面为研究对象,基于其汇流时间-面积特性,推导建立了Nash瞬时单位线参数n、K的确定方法。其中参数n的值与坡面汇流时间-面积曲线指数相等,K的值与坡面汇流时间相等。应用本文建立的模型,对林地渗透坡面降雨径流进行计算,并与实测值进行比较。结果表明,计算值与实测值的变化趋势基本吻合,初步验证了本文方法的合理性。     

单位线的发展及启示

单位线的建立及其发展,并得以成功应用,是水文科学的重要成就之一。寻觅、回顾了单位线的起源,论述了单位线在处理复杂、特殊的流域汇流现象时的创新性,以及半个世纪以来水文学家为揭示单位线实质采用系统论、物理学、概率论等途径所作的努力及取得的成果。提出了分析和使用单位线所不可忽视的前提条件。由于建立在"网格水滴"概念上的流域汇流计算方法,既能保持单位线法和等流时线法的优点,又能克服这两个方法的缺点,因此有可能在数字高程模型(DEM)支撑下成为新一代的流域汇流计算方法。     

Evaluation of three unit hydrograph models to predict the surface runoff from a Canadian watershed

The predictability of unit hydrograph (UH) models that are based on the concepts of land morphology and isochrones to generate direct runoff hydrograph (DRH) were evaluated in this paper. The intention of this study was to evaluate the models for accurate runoff prediction from ungauged watershed using the ArcGIS^® tool. Three models such as exponential distributed geomorphologic instantaneous unit hydrograph (ED-GIUH) model, GIUH based Clark model, and spatially distributed unit hydrograph (SDUH) model, were used to generate the DRHs for the St. Esprit watershed, Quebec, Canada. Predictability of these models was evaluated by comparing the generated DRHs versus the observed DRH at the watershed outlet. The model input data, including natural drainage network and Horton's morphological parameters (e.g. isochrone and instantaneous unit hydrograph), were prepared using a watershed morphological estimation tool (WMET) on ArcGIS^® platform. The isochrone feature class was generated in ArcGIS^® using the time of concentration concepts for overland and channel flow and the instantaneous unit hydrograph was generated using the Clark's reservoir routing and S-hydrograph methods. An accounting procedure was used to estimate UH and DRHs from rainfall events of the watershed. The variable slope method and phi-index method were used for base flow separation and rainfall excess estimation, respectively. It was revealed that the ED-GIUH models performed better for prediction of DRHs for short duration (≤6 h) storm events more accurately (prediction error as low as 4.6–22.8%) for the study watershed, than the GIUH and SDUH models. Thus, facilitated by using ArcGIS^®, the ED-GIUH model could be used as a potential tool to predict DRHs for ungauged watersheds that have similar geomorphology as that of the St. Esprit watershed.     

基于误差原理的瞬时单位线法参数敏感性研究

计算暴雨洪水的瞬时单位线法在我国应用较广,瞬时单位线法的地理参数、产汇流参数和暴雨参数等原始参数往往存在一定的误差,会通过误差传播使地面径流过程产生相应的误差.采用多元函数一阶泰勒公式展开瞬时单位线法基本方程,可得到各参数一阶代数精度的误差传播方程.结果表明:暴雨的相对误差传播具有一定的放大效应;流域面积的相对误差会导致地面径流过程等量的相对误差;下渗量的相对误差传播敏感性总体相对较小,局部仍有可能较大;线型参数n、K的加大,会导致地面径流峰值减小,上涨段更平瘦、回落段更丰满,并存在不显著的峰值发生时间后移趋势.     

流域汇流计算的逆高斯分布模型

将水流在天然流域中的汇集过程概化为在多级河网中的汇集，从而建立了一种新的具有物理基础的过高斯分布瞬时单位线流域汇流模型。该模型不仅能用于地面净雨的汇流计算，还适用于总净雨的汇流计算。同时，在参数优选方面，提出了包括峰现时差因素在内的几种简化多目标函数，取得了明显效果。     

Evaluation of the Adequacy of Statistical Distribution Functions for Deriving Unit Hydrograph

The unit hydrograph (UH) is one of the commonly employed techniques for the determination of flood hydrographs. Since the UH satisfies all the properties of a probability distribution function (PDF), it seems logical that PDFs can be employed for deriving the UH. In practice, the gamma distribution function has been commonly employed to derive the UH. In this paper, Beta (Beta), Exponential (EXP), Gamma (GM), Normal, Lognormal (LN), Weibull (WB), Logistic (LG), Generalized logistic (GLG) and Pearson Type 3 (PT 3) distribution functions were employed for the derivation of UH. Parameters of these distribution functions were estimated using the real coded genetic algorithm optimization technique. These distributions were tested on the 13 watersheds of different characteristics and it was observed that except for the EXP distribution function, most other distribution functions produced UHs which were in satisfactory agreement with observed UHs. However, three-parameter distributions GLG, PT 3 and two parameter LG were not capable of reproducing UHs for large watersheds having drainage areas of 3,360 and 4,300 km². For such large watersheds WB reproduced UHs satisfactorily. Combining the overall performance of the distributions over 13 watersheds, the order of ranking the suitability of distributions were as: GM > PT 3 > Beta ≥ GLG ≥ LN > WB.     

单元嵌套网格产汇流理论

凭借大数据可以精细刻画降雨空间分布和下垫面空间变异性的优势,提出了大数据背景下考虑降雨空间分布和下垫面空间变异性对流域产汇流影响的计算方法,即单元嵌套网格剖分流域的方法。通过引入网格水滴的概念揭示了流域瞬时单位线的物理本质,对由RodriguezIturbe和Valdes所提出R-V地貌瞬时单位线理论进行补充,分析了等流时线法和单位线法的局限性,提出的单元嵌套网格产汇理论既克服了等流时线法和单位线法的缺点,也吸取了它们的优点,为在大数据支撑下统一等流时线和单位线法提供了可行性。     

水文随机变量二维分布及其应用

基于概率论对具有任意分布函数的两水文随机变量之间的关系进行了识别。对服从二维正态分布的水文随机变量之间的关系特点进行了分析。论述了寻求一般二维分布的Copula函数法和形变函数法的理论基础,指出Copula函数法的实质是通过一个连接函数将两个具有相关关系的变量的边际分布耦合成二维分布,而形变函数法的实质则是抓住二维分布的条件均值和条件方差两个主要数字特征,通过形变函数来构建二维分布。最后对二维分布在水文资料插补展延、概率水文预报、非一致性样本频率分析、水工程风险率确定、设计洪水、干支流洪水及洪潮遭遇组合、地貌瞬时单位线等水文学问题中的应用进行了剖析与展望。     

Improved PSO algorithm based on chaos theory and its application to design flood hydrograph

The deficiencies of basic particle swarm optimization (bPSO) are its ubiquitous prematurity and its inability to seek the global optimal solution when optimizing complex high-dimensional functions.To overcome such deficiencies,the chaos-PSO (COSPSO) algorithm was established by introducing the chaos optimization mechanism and a global particle stagnation-disturbance strategy into bPSO.In the improved algorithm,chaotic movement was adopted for the particles'initial movement trajectories to replace the former stochastic movement,and the chaos factor was used to guide the particles' path.When the global particles were stagnant,the disturbance strategy was used to keep the particles in motion.Five benchmark optimizations were introduced to test COSPSO,and they proved that COSPSO can remarkably improve efficiency in optimizing complex functions.Finally,a case study of COSPSO in calculating design flood hydrographs demonstrated the applicability of the improved algorithm.     

基于耦合概率密度方法的河渠突发水污染溯源

以水动力计算为基础,依据正向浓度概率密度与逆向位置概率密度的耦合关系,构建了以污染源位置和释放时间为参数的相关性优化模型,并利用微分进化算法实现了模型的求解。在此基础上,根据污染物正向浓度概率密度函数构建优化模型确定了污染物强度。耦合概率密度方法将突发水污染溯源问题转换为两个最小值优化问题,原理简单,求解方便,实现了污染源参数的解耦。在求解优化模型时,将梯度概念引入到微分进化算法中,提高了搜索效率。将所提出的溯源方法运用于仿真实验案例以及南水北调中线应急示范工程实例,结果表明,模型溯源效果好、模拟精度高,溯源结果对于河渠突发水污染事件应急处置具有一定指导意义。     

基于R-Vine Copula函数的极端降水联合分布模型及风险识别

在边缘分布函数优选的基础上,采用条件Copula函数和Vine图结构,构建基于R-Vine Copula函数的极端降水联合分布模型,以河南省4个气象站的实测数据进行模型验证和对比分析,并对极端降水指标进行了风险识别。结果表明：构建的模型可以描述变量之间的不同尾部特征,保持原序列Kendall和Spearman相关系数等统计特征,整体精度优于基于C-Vine Copula函数构建的极端降水联合分布模型;河南省年降水量与降水强度、最大1 d降水量与最大5 d降水量的概率分布密切相关,各指标对联合概率密度的影响程度呈现出空间异质性。     

基于Copula函数的水文随机变量和概率分布计算

水文随机变量和分布计算是推求设计洪水地区组成、梯级水库下游设计洪水等的重要内容,对于水库下游水利水电工程规划设计与管理、城市防洪风险评估等至关重要。传统的水文随机变量和分布是根据二维变量函数分布推导而来,边际分布必须为同一类型分布,其应用受到限制。本文根据二维随机变量和概率分布定义,运用条件Copula函数和积分变换原理,严格地推导了二维相依随机变量和概率分布计算公式,以及Gamma分布、P-Ⅲ分布两类常用边际分布下变量和的分布概率计算公式,该计算公式仅为条件Copula函数的一维积分,避免了概率组合离散求和法数据转换的信息失真,克服了传统多变量分布要求边际分布为同一类型分布。以清江流域水布垭水库至隔河岩水库3h洪量组成为例,给出了水文随机变量和分布的计算方法。文中模型与计算方法以期为我国设计洪水地区组成和梯级水库下游设计洪水计算提供理论支撑。     

水电机组流道压力钢管等锈蚀问题分析

对乌江渡发电厂^#2机组流道的压力钢管、蜗壳、固定导叶、活动导叶等金属材料锈蚀问题进行了论述。从防腐处理、水库运行、水质、机组运行情况等方面对锈蚀的原因进行了简要分析,提出了处理办法。     

漳河上游水质时空分异特征及污染源识别

为研究漳河上游水质的时空分异特征及潜在污染源,利用多元统计方法对2013年漳河上游20个断面25个水质指标的实测数据进行了分析研究。结果表明:漳河上游水质在空间尺度上分为2组,A组靠近源头、水量充足的河段及水库调节区,水质较好;B组多在浊漳南源中下游及浊漳干流,工业排污量大,水质污染较严重;B组的主要污染因子为重金属、营养盐等,显示出B组断面受工业污染的影响比较大。漳河上游水质年内变化分为2个时段,1—3月水质恶劣,4—12月水质较好;1—3月的主要污染因子为有机污染,并识别出6个主要污染源。     

论湿地研究与中国水利——迎1999年“世界湿地日”

经过沼泽学者的长期系统研究和近３０年野生生物学者及其世界性组织的努力，湿地研究进入一个多学科协作的全球生态环境系统的研究新阶段．水科学技术与湿地的水因素、水条件的控导息息相关．本文就湿地的界定和描述、分类和编目、勘查和统计、试验和监控、开发和利用、保育的管理、规划和评价、经济和立法等８个方面讨论这一新的学科分支的发展前景．     

都江堰灌区渠首优化配水模型探讨

结合都江堰灌区水量调度情况,针对渠首优化配水模型和方法进行了探讨。通过对灌区调度配水关键因素的分析,基于灌区整体经济效益函数和作物阶段分水函数构造,讨论了制定都江堰渠首实际水量调配方案。该方案通过试用取得了预期效果,为都江堰灌区水资源优化调度提出了可行的方案。