变化环境下设计洪水计算方法研究——以辽宁省为例

针对气候变化及人类活动影响下流域水循环及其伴生过程发生改变、水文非一致性增强以及原有设计洪水计算方法已不能满足水利工程规划设计及防洪减灾的突出问题,以辽宁省为例,开展了变化环境下设计洪水计算方法研究。采用皮尔逊Ⅲ型、波尔Ⅻ型等10种频率分布曲线进行配线,确定了适合辽宁干旱半干旱地区的波尔Ⅻ最优线型,且辽西22站拟合度均在0.95以上;基于GAMLSS模型,建立了考虑气候变化的辽宁省设计洪水计算非一致性模型,该模型能够反映变化环境对设计洪水的影响;基于近20 a数据,完善了辽宁省无(缺)资料地区设计洪水计算方法,完善后的计算方法的计算成果精度更高。研究成果已在辽宁省水利工程规划设计中得到了应用,并在松辽流域部分地区得以推广,对其他地区设计洪水的计算也有参考价值。     

典型LID措施对城市降雨径流过程影响

为探讨海绵城市建设中低影响开发(low impact development,LID)措施对城市降雨径流的影响,以深圳市光明区某居民小区为研究对象,通过建立区域SWMM模型,分析不同LID措施及其组合对城市雨洪过程的影响。利用研究区几场典型的降雨径流数据对模型校核验证,结果表明：构建的SWMM模型可以较好地模拟研究区降雨径流过程,纳什效率系数为0.868,峰值流量相对误差0.186,模型模拟效果较好;LID对径流峰值和总量都有削减作用,并在一定程度上延缓峰现时间,且LID布设面积越大,LID对径流的削减效果越明显;组合布设方案对径流的调控效果优于单独布设方案,单独布设方案中径流量削减效果最好的是透水铺装,峰值流量调控效果最好的是绿色屋顶,下沉式绿地的径流调控效果在三者中最差。因此,LID布设结构以及布设面积均对城市降雨径流产生影响,合理布设LID在一定程度上可以有效缓解城市内涝。     

以地形为基础的HSC产流模型在辽西半干旱丘陵流域的适用性

采用以地形为基础的HSC产流模型(HAND-based storage capacity curve),以典型半干旱丘陵区的辽宁省叶柏寿流域为研究区,检验模拟效果。在只改变产流模块的情况下,把HSC线型同HBV(hydrologiska byrans vattenbalansavedlning)模型的beta函数、新安江模型的蓄水容量曲线、基于雨强阈值的超渗模型进行比较后发现,在进行长时间序列模拟时,极端高洪峰流量过程对径流的模拟结果有很强的影响。传统模型依赖参数率定,普遍存在参数过拟合现象,即为了提高洪峰流量模拟精度,导致优化的产流参数严重背离物理意义和假设。研究提出的产流模型基于HSC线型并耦合根系区蓄水容量反演的MCT方法,参数物理意义明确且无需率定,可避免传统模型存在的为提高对少数洪峰流量的模拟精度而产生的参数过拟合现象,因此在率定期和验证期其洪水模拟精度表现更为可靠和稳定。     

干旱半干旱地区流域水文模型的适用性

以干旱半干旱地区的辽宁省东白城子和叶柏寿流域为研究实例,通过建立新安江模型、辽宁西部非饱和产流模型和时变增益模型,利用场次洪水观测资料进行模型的率定与验证,比较分析场次洪水在率定期与验证期的模拟预报效果,最后讨论分析了3种水文模型在干旱半干旱地区洪水预报的适用性.结果表明,以蓄满产流为核心的新安江模型不适用于干旱半干旱地区,适用性最差;辽宁西部非饱和产流模型较新安江模型模拟效果有所提高,但仍无法满足洪水预报的精度要求;考虑降雨强度的时变增益模型模拟效果最优,在干旱半干旱地区的适用性最强,具有良好的发展潜力.     

基于水文水动力耦合模型的深圳市典型区域城市内涝模拟

以深圳市某典型区域为研究对象,基于暴雨洪水管理模型(storm water management model, SWMM)和二维水动力模型LISFLOOD-FP构建了研究区水文水动力耦合模型,模拟了典型暴雨下研究区的内涝时空演进过程,结合设计暴雨和设计低影响开发(low impact development, LID)情景,探讨了不同重现期设计暴雨情景下研究区内涝积水分布,分析了不同LID布设措施对内涝积水深度的削减效果。结果表明：典型暴雨情况下研究区最大模拟积水深度为0.57 m,与实测内涝验证数据基本相符,模型能较好地适应研究区的内涝模拟。随着设计降雨重现期的增大,研究区的最大内涝积水深度和积水范围也逐渐增大,不同LID设施对内涝积水的削减效果都逐渐减弱,在100 a重现期时仅有约10%的削减率,且组合式LID和绿色屋顶的内涝积水深度削减率大于透水道路和下沉式绿地。     

1960-2019年三北地区潜在蒸散发的变化及归因

基于1960―2019年三北地区396个气象站点数据,通过K-means方法将三北地区划分为5个子区域,使用Segmented方法诊断了三北地区潜在蒸散发(potential evapotranspiration,PET)变化趋势的转折点,采用偏微分法定量评估了相对湿度(RHU)、净辐射(R_n)、温度(T)、风速(U₂)等气象要素对PET趋势变化的贡献。结果表明：三北地区大部分站点年PET的变化趋势在1992年前后发生转折,在1960―1992年,面平均年PET呈现显著减少的趋势(-1.753 mm/a²),而1992―2019年,面平均年PET呈现显著增加的趋势(1.927 mm/a²);三北地区PET变化对相对湿度最为敏感,其次为净辐射和风速,对温度的变化相对最不敏感;1960―1992年,三北地区PET减少趋势主要由风速的下降引起,其中研究区北部受风速的影响比南部更强烈;1992―2019年,相对湿度的减小和温度的上升是导致三北地区PET增加的主要驱动因素。相较而言,相对湿度对研究区东部PET...     

流量数据误差对水文模拟不确定性分析的影响

基于普适似然不确定性估计(generalized likelihood uncertainty estimation,GLUE)分析框架,通过在其似然函数的定义中考虑实测流量数据的误差,建立新的似然函数L2,并与广泛使用的似然函数纳希效率系数L1进行对比,分析讨论了流量数据误差对流量模拟不确定性估计结果的影响.通过淮滨...     

基于TVGM-SWMM模型的城市雨洪模拟

通过耦合城市时变增益非线性模型（time variant gain model-urban, TVGM-urban）和暴雨洪水管理模型（storm water management model, SWMM）,模拟并分析了不同类型的城市下垫面产流非线性变化过程。以深圳市光明新区海绵城市建设示范区为研究对象,基于耦合的TVGM-SWMM模型,模拟了该地区的降雨-径流响应过程,并进一步分析了不同低影响开发（low impact development, LID）模式布设面积对径流调蓄的影响。结果表明：1）在大多数情况下,TVGM-SWMM模型的模拟效果优于SWMM模型,其原因在于前者考虑了城市地区降雨径流的非线性响应关系,并且强调了降雨强度对产流的影响;同时,TVGM-SWMM模型需要的产流参数较少,减少了对城市地区基础数据资料的需求;2）在不同设计暴雨重现期下,TVGM-SWMM模型模拟的径流过程更加符合降雨变化情况,对应的洪峰流量与最大雨强相关性更高;3）研究区LID设施的径流调蓄能力与其布设面积成正相关,其效果随暴雨重现期的增长相对减弱;相同布设面积情景下,下沉式绿地的调蓄效果优于绿色...     

长江模拟器的理论方法与实践探索

长江大保护是新时期国家重大战略之一。以水为纽带的长江经济带绿色发展面临诸多难题，如流域上、中、下游、左岸和右岸以及陆海统筹的系统治理，长江保护法实施的监管，变化环境下流域综合规划管理等。2019年提出了“长江模拟器”的构想，本文在此基础上系统总结了其概念和内涵，构建了长江模拟器的系统框架，即本质是以长江流域为对象，以流域水循环为纽带，将自然过程与人文过程相耦合而研发的流域模拟系统及科学装置。在明晰长江模拟器功能和应用、关键科学问题及学科需求等基础上，阐述了长江模拟器的理论体系，包括地球系统科学理论、经济社会科学理论、信息科学理论3大类；构架了长江模拟器的方法体系，包括5大类关键技术(智能感知技术、数据融合技术、计算支撑技术、应急处理技术和服务构建技术)、4大类主要方法(计算资源调配方法、数值模拟计算方法、人工智能模拟方法和优化决策调控方法);总结了长江模拟器面向6大方面的服务体系，即科技创新服务、综合治理服务、政府决策服务、应急管理服务、公众文化服务和数据应用服务。最后介绍了目前已开发的“长江模拟器1.0”应用实例。通过长江模拟器的建设，可为大江大河流域综合协调管理，也可为水利、环境保...     

南水北调中线工程水源区与海河受水区干旱遭遇研究

基于Copula理论,以标准化降水蒸散指数(SPEI)为干旱指标,建立了南水北调中线工程水源区与海河受水区汛期、非汛期及全年SPEI的联合分布,并结合未来气候模式数据,研究了变化情景下南水北调中线工程水源区与海河受水区各时期干旱遭遇概率变化及其对工程运行风险的影响。研究结果表明:过去几十年,南水北调中线工程水源区与海河受水区总体呈现变旱趋势;在RCP4.5和RCP8.5两种未来气候变化情景下,水源区与海河受水区汛期、非汛期及全年同旱事件发生概率较现状有不同程度的增加,尤其汛期遭遇同旱和非汛期遭遇同重旱的概率明显增大,增加的幅度分别达到2.99%~6.1%和2.67%~3.63%。在未来变化情景下,水源区与海河受水区干旱遭遇变化可能会对工程运行带来风险,因此,有必要研究相应的适应性对策以保证工程的正常安全运行。