时空变源混合产流模型及其在小流域洪水模拟中的应用——以四川省、甘肃省的4个小流域为例

近年来山洪灾害造成的人员伤亡和财产损失不断增加,基于GIS和遥感数据的水文模型为山洪预报提供了新的思路。利用DEM和遥感数据提取小流域基础属性并划分地貌水文响应单元,利用垂向混合产流计算产流量,采用包气带非饱和土壤计算下渗,建立垂向上的时空变源混合产流模型。利用时空变源混合产流模型,模拟四川省和甘肃省4个流域多场次洪水过程,通过SCE算法进行参数率定和产流分析。结果表明:模型模拟与实测数据基本吻合,纳什效率系数均超过0.8;四川和甘肃两省小流域受到下垫面信息影响,主导产流成分不同。模型能够提供较为精确的山丘区流域洪水预报。     

小流域暴雨山洪水文模型与水动力学方法计算比较分析

针对小流域暴雨山洪精细模拟问题,提出了小流域时空变源混合产流模型,以小流域为单元构建了暴雨山洪分布式模拟模型,开发了可视化时空变源分布式水文模型软件FFMS和水动力学计算软件FHMS。以宝盖寺小流域场次暴雨洪水计算为例,分别采用水文学和水动力学方法计算了小流域暴雨山洪过程,并分析了两种方法的计算精度、效率、实用性等。案例研究结果表明:(1)水文与水动力学方法均可实现小流域暴雨山洪的模拟,模拟结果与实测基本一致;(2)对于无资料小流域暴雨洪水计算,水文学建模速度快,计算效率更高,水动力学方法建模和计算效率更低;(3)在复杂地形条件下暴雨洪水形成机理、演进过程模拟方面,水动力学计算结果更加精细和准确;在山区中小流域洪水预报预警方面,水文学方法更加实用。     

山洪灾害防治理论技术研究进展

我国山洪灾害防治基础薄弱,在支撑全国山洪灾害防治项目建设过程中,中国水利水电科学研究院成立项目组,组织开展山洪灾害防治理论技术研究和产品研发,取得了一系列重要成果,初步建立了山洪灾害防治理论技术体系,应用于我国山洪灾害防治实践,对此进行总结介绍,主要包括:①形成了基于山洪灾害自然和社会双重属性山洪灾害防治方略和理论技术框架;②分析了山洪灾害时空分布特征和山洪灾害形成机理;③系统研究了山丘区小流域水文特征,创建了全国小流域基础数据集;④提出了有中国特色的山洪灾害群测群防模式;⑤研究制定了44项山洪灾害防治行业标准或规范性技术文件;⑥提出了山洪灾害调查评价和风险评估技术方法;⑦开发了X波段测雨雷达强降雨监测技术和非接触式水位-流速-流量一体化山洪监测新方法;⑧研发了时空变源混合产流模型和中国山洪水文模型;⑨提出了多阶段渐进式山洪监测预报预警技术路线和动态预警指标分析方法。     

不同植被覆盖流域对不同设计暴雨雨型的响应

为揭示山区不同植被覆盖流域对不同设计暴雨雨型的响应规律，更合理地分析山区暴雨洪水,以四川省大邑、关口、汉王场流域为研究区域，应用时空变源混合产流模型，对在不同重现期设计暴雨雨型条件下的降水在不同植被覆盖的流域上形成的水文过程进行分析。研究结果表明：时空变源混合产流模型在四川省3个流域均具有较好的适用性；四川省大邑、关口、汉王场流域林草植被覆盖率为汉王场>关口>大邑流域，径流系数、平均径流系数、洪峰模数、平均洪峰模数均为大邑>关口>汉王场流域；在不同重现期条件下，径流系数随着暴雨雨型雨峰位置后移而逐渐减小，洪峰模数则不断增大；在不同设计暴雨雨型条件下，随着重现期的不断增大径流系数先增大后逐渐减小而后趋于稳定状态，而洪峰模数则是不断增大。     

基于地形坡度的SCS模型优化 ——以长峪城小流域为例

由于SCS模型结构简单、计算参数少且易于获取,被广泛应用于水文资料缺少地区的产流估算。SCS模型中的径流曲线数CN作为主要参数对产流模拟结果有重要影响,但现有水文土壤分类标准提供的CN值不能很好地适用于地形复杂的流域中。通过坡度和土地利用类型对CN值进行优化,使用田寺、汤河口等径流试验场数据对模型优化进行精度验证分析,并将SCS模型应用在北京长峪城小流域,根据长峪城小流域的地形特征和治理措施优化CN值,得出治理前后产流情况从而对涵养水源进行效益评估。结果表明:优化后的SCS模型能够较好地适用于不同径流场的产流计算,模型模拟精度提高3.6%～11.4%。在径流场中的模拟不能直接应用于整个小流域中,应结合实地情况和现有水文资料对CN值进行优化,提高SCS模型计算的精度,为小流域综合治理评价中的涵养水源效益评估提供参考。     

龙门山区小流域降雨产流数值模拟研究

龙门山区小流域常由暴雨引发山洪泥石流等灾害,但由于数据的缺乏而无法明确其产流机制及发展过程.本文选取四川省龙溪河地区的山区小流域碱坪沟作为研究区域,利用基于物理概念的模型InHM对该流域的降雨产流过程进行分析.与实测流量数据的比较表明该模型在碱坪沟流域有较好的适用性.基于模拟结果分析了该流域土壤含水率以及地表/地下交换水量(入渗/出渗)在产流过程中的分布特征,结果表明:(1)土壤含水率以及地表/地下交换水量(入渗/出渗)在流域内不同位置分布不均匀;(2)在河道周边,Dunne产流机制占主要地位;(3)出渗常发生在河道周边;(4)流域内存在地下径流,且在总径流中占较大比例.该研究证实了InHM模型在西部山区小流域水文模拟中的适用性,也加深了对碱坪沟流域产流机制的了解,进而有助于明确该地区山洪泥石流灾害的产生机制.     

河南“21·7”暴雨洪水风险模拟及对比分析

2021年7月河南省遭遇极端强降雨,引发严重城市内涝和流域局部洪水,造成重大社会影响和生命财产损失。重点分析了"21·7""暴雨情况及主要河段的洪水过程,并与河南"75·8"特大暴雨洪水进行对比;基于时空变源混合产流模型,建立了覆盖河南省山区小流域的分布式水文模型,利用国家山洪灾害风险预报预警平台,计算得到了"21·7"特大暴雨洪水河段、沿河村落的危险等级;并基于下垫面现状条件,对"75·8"暴雨洪水进行了复盘,探讨了"75·8"降雨条件下,河段和沿河村落成灾情况,进而对比了"21·7"和"75·8"暴雨洪水和河段、沿河村落危险情况。研究成果可为后续灾害调查、推演复盘、总结评估等提供参考。     

具有空间分布的超渗产流模型

基于下渗在流域上分布不均的现象和霍顿下渗公式,提出了具有空间分布的超渗产流模型。经检验,该模型对半干旱半湿润地区小流域短历时降雨产流的计算效果良好;由于其模型参数的物理意义清晰,可通过试验来确定,因此有较强的适用性。     

数字滤波在灌区小流域径流分割中的应用初探

研究灌区径流分割,对于认识灌区产流过程及其特点,提高水资源的利用率和实施科学的灌区水管理具有重要的意义。以湖北省漳河灌区内的水库小流域为研究对象,基于小流域2004~2006年的产流资料,运用数字滤波技术进行灌区小流域径流的水源划分。该技术方法提供3个通道滤波,结合实际情况计算得到基流分割参数,并分析了不同计算时段的基流指数等参数的差别及其原因。研究结果表明,针对灌区小流域径流分割,数字滤波技术具有客观、操作简便而快速、采用的参数较少,以及精度高等优点,对认识灌区产流机理具有重要意义。     

山区小流域径流系数计算方法探讨

应用Mein-Larson入渗模型计算山区小流域径流系数,解决了无降雨资料的小流域产流计算问题,为建立山区小流域骤发性暴雨山洪预报模型奠定了基础。     

考虑降雨空间变化的流域产流模型

本文从确定性与随机性相结合的途径出发，将超渗产流模型与降雨空间变化的频率特性有机结合，引入流域降雨产流计算中，经在黄土地区四个流域的初步应用，表明模型具有模型具有物理概念明确，弹性大的特点，对不同面积大小的流域均具有良好的适用性。     

HEC-HMS 模型在江西省山区中小河流洪水预报中的适用性研究

山区洪水暴涨陡落,常造成严重经济损失和人员伤亡,实现中小河流洪水预报在防洪减灾中十分重要。为探究HEC-HMS 分布式水文模型在江西省山区中小河流的适用性,以蜀水流域为研究区,构建了基于HEC-HMS 的蜀水流域分布式水文模型,选用2013-2019 年间的12 场降雨对模型进行参数率定、敏感性分析和洪水过程模拟。结果表明：模型参数中CN 值为最敏感参数;模型预测值与实测值结果显示洪峰流量和峰现时间合格率均为91.67%,径流深合格率为100%,确定性系数均高于0.7;HEC-HMS 模型在蜀水流域中有较好的模拟效果,可为江西省山区中小河流域洪水预报提供参考。     

TOPMODEL模型在半湿润地区径流模拟分析中的应用及改进

为了使TOPMODEL模型结构更合理,并能够用于半湿润地区或半干旱地区的径流过程模拟,文章对TOPMODEL模型的蒸发产流模块以及汇流模块进行改进,在蒸发产流模块中添加植被冠层截留蒸散发模型和Holtan超渗产流模型,汇流模块中坡面汇流采用瞬时单位线模型,河道汇流采用马斯京根河道洪水演进模型。通过对半湿润地区流域内降雨径流过程的模拟验证,表明通过对TOPMODEL模型的改进,模型对半湿润地区的降雨径流过程模拟精度有很大的提高,拓展了TOPMODEL模型适用范围。     

吉林省水文分区及检验方法研究

文章论述通过暴雨洪水产汇流参数分析法检验,得到各水文分区的暴雨洪水产汇流参数地理变化规律。解决了各个水文分区内任何地点对水文资料的移用,为区域代表水文站网的合理布设提供了科学依据。     

Assessing Downstream Impacts of Detention Basins in Urbanized River Basins Using a Distributed Hydrological Model

It is widely recognized that urban development alters infiltration capacity and enhances its spatial variability, but also constrains watercourses into narrow channels making them unable to contain the runoff that is generated by relatively small, but intense, rainfall events. Network of detention basins are designed to reduce the flood peak by temporarily storing the excess storm water and then releasing the water volume at allowable rates over an extended period. This paper shows the use of a distributed hydrological model for the assessment of effectiveness of a network of detention facilities in a heavily urbanized river basin. The distributed hydrological model FEST was used to assess design hydrograph and, in parallel to design the seven detention basins optimized for the specific purpose of maintaining the flow rate within the range of the maximum allowable discharge. This permitted to estimate the design hydrograph considering both the spatial variability of soil infiltration capacity and routing characteristics induced by each detention basins along the main river. Results indicate that on-stream detention ponds can increase duration of the critical event and runoff volume of design flood with possible negative implications on downstream facilities.     

Estimation of a Unique Pair of Nash Model Parameters: An Optimization Approach

Water resources planning and management requires hydrologic models to estimate runoff from a catchment. For catchments with limited data, the choice of model and identification of its parameters is very important for development of a direct runoff hydrograph. A method is presented to determine a unique pair of hydrologic parameters of the Nash Model, number of linear cascade (n) and storage coefficient (k), using optimization based on Downhill Simplex technique. In this study physical parameters of the catchment are derived from (SPOT) satellite imageries of the basin using ERDAS software. Four different objective functions of varying complexity are tested to find the best solution. Weighted root mean square error (RMSE) and Model Efficiency (Nash-Sutcliffe coefficient) are used to evaluate the model performance. Using the NASH model, a direct surface runoff hydrograph (DSRH) is developed. Kaha catchment is part of Indus river system and is located in the semi-arid region of Pakistan. This catchment is dominated by hill torrent flows and is used in this work to demonstrate the applicability of the proposed method. Ten randomly selected rainfall-runoff events are used for calibration and five events are used for validation. Model results during validation are very promising with model efficiency exceeding 93% and error in peak discharge under 8%. The sensitivity of the Nash model output in response to variation in hydrologic parameters n and k is also investigated. When evaluating the hydrologic response of large catchments, model output is more sensitive to n as compared to k indicating that the runoff diffusion phenomenon is dominant compared to translation flow effects.     

基于流溪河模型的中小河流洪水预报方法

针对中小河流缺乏河道断面资料而无法实际应用分布式水文模型的问题,以流溪河模型为原型,假定河道断面为矩形,采用卫星遥感影像估算河道断面尺寸,通过实测洪水资料优选模型参数,提出了中小河流洪水预报的流溪河改进模型。应用于江西省典型中小河流——太平江流域的结果表明:河道分级越多,模型模拟的洪水的洪峰流量越大、次洪径流系数越大;洪峰出现时间越提前,模拟的洪水过程的效果越好,精度越高;改进的流溪河模型对50场洪水模拟的相关系数达0.92,洪峰误差均值为5.54%,最大不超过20%,平均峰现时间差为0 h;洪水过程的预报结果可评定为甲等。该模型可应用于中小河流实时洪水预报中。     

基于TOPMODEL的中小河流分布式洪水预报模型及其应用

近年来广东省中小河流洪水灾害频发,研究中小流域洪水预报模型对预防洪水灾害具有重要意义。本研究改进了传统的TOPMODEL模型,以栅格为单元构建了基于TOPMODEL的中小河流分布式洪水预报模型,并以高田水上游流域为研究对象,采用SCE-UA优选算法对1975—2008年的8场洪水进行参数优选,并对2010—2012年的4场洪水进行模型验证。模拟结果表明,本次预报在率定期和验证期平均确定性系数为0.85,径流深预报合格率为92%,峰现时间预报合格率为100%,模型模拟效果较为理想。用改进后的模型研究了某场洪水汇流过程不同时刻的空间分布情况,表明改进后的TOPMODEL模型能够直观地反映洪水的时空变化,模型具有一定的合理性和实用性。     

降雨径流模型在故县水库入库预报中的应用研究

根据故县水库入库控制站卢氏站及以上地区的水文资料,采用超渗产流与蓄满产流相结合的产流模式、纳希瞬时单位线单元汇流模型以及马斯京根多河段连续流量演算的河道汇流模型,研究探讨故县水库入库流量及水量的预报方法,并利用该模型在2011年9月洛河上游秋汛洪水期间进行了作业预报,取得了满意的结果,可作为故县水库调度的决策依据之一。