基于太湖流域模型的城市内涝过程高效模拟

城市内涝的高效模拟对于降低内涝灾害影响、制定防灾减灾措施具有极其重要的意义。本文提出了基于雨篦子耦合地表与管网的城市降雨-产汇流-内涝全过程高效模拟方法, 结合常州市双桥浜城市产汇流与内涝试验基地监测数据, 分别构建了基于高效模拟算法和二维水动力算法的城市内涝模型。根据监测数据对所构建的模型进行了率定与验证, 并分析对比了2种算法在不同降雨事件中的精度与可靠性。结果表明: 太湖流域模型中基于雨篦子的城市水文特征单元高效模拟方法能够较为真实地反映城市内涝的具体特征, 且在模型参数一致的前提下, 其计算效率约为二维水动力算法的780~1 275倍, 能够对城市内涝情况进行快速模拟。     

1939年海河流域洪涝灾害的气象—水文—灾害过程浅析*

1939年为海河流域20世纪特大洪涝灾害年之一。根据历史文献记载及观测资料,从降水过程、洪水过程及受灾情况等方面对1939年海河流域洪涝灾害过程作了梳理,得出以下结论: (1)1939年的洪涝灾害是7—8月份3次大范围集中暴雨导致的,集中降水出现于7月9—15日、7月23—29日和8月11—13日。3次暴雨中心均集中在昌平—紫荆关—中唐梅一带,其7、8两个月份总降雨量最高达到1000 mm以上,向东向西逐渐减小。(2)1939年海河流域诸河径流随着7—8月份集中降雨而出现涨落变化,稍滞后于降水变化1~2天,各河流最大流量和水位出现在7月23—29日集中降水后,并开始涨溢、决口,各河水位至8月底各河上游降雨中止而渐渐回落,9月中旬天津市区各河水位骤落,10月份以后洪水才迟缓退去,而洪水泛滥引发的涝灾一直延续到1940年。(3)1939年洪涝灾害在海河南系和北系都有发生,共造成150多个县市受灾,大部分受灾县市农业减产甚至绝收,被灾耕地面积成数超过8成的县市主要分布在大清河下游沿线、永定河下游沿线和南运河下游沿线靠近天津市的地区。     

TRMM卫星降水反演数据在珠江流域的适用性研究——以东江和北江为例

为评估最新一代TRMM 3B42-V7卫星降水反演数据产品在珠江流域的精度和适用性,选取位于珠江流域下游的东江和北江流域为研究区域,基于地面雨量站点数据评估了该产品的精度和适用性,并结合可变下渗容量（Variable Infiltration Capacity,VIC）水文模型进行了水文模拟验证。对比分析结果表明,在网格尺度上,大多数网格日尺度相关系数达到0.60以上,月尺度相关系数达到0.90以上,3B42-V7产品表现出较好的精度,在区域尺度上精度得到了进一步提高;水文模拟验证分两种情景下进行,情景Ⅰ的结果表明,当水文模型由地面雨量站点数据率定时,3B42-V7产品数据的水文模拟效果不佳,个别区间内存在对洪峰流量明显的低估;情景Ⅱ的结果表明,由3B42-V7产品数据重新率定水文模型时径流模拟效果有了较大改善,说明该产品可在一定程度上作为资料缺乏地区的降水数据来源。     

新疆阿尔泰山区克兰河上游水文过程对气候变暖的响应

额尔齐斯河支流克兰河上游发源于西风带水汽影响的阿尔泰山南坡,主要由融雪径流补给,年内积雪融水可占年径流量的45%.年最大月径流一般出现在6月份,融雪季节4~6月径流量占65%.流域自20世纪60年代开始明显升温,年平均温度从50年代的1.4℃上升到90年代的5.2℃;年降水总量也呈增加趋势,尤其是冬季和初春增加最多.随着气候变暖,河流年内水文过程发生了很大的变化,主要表现在最大月径流由6月提前到5月,月径流总量增加约15%,4~6月融雪径流量也由占年流量的60%增加到近70%.在多年变化趋势上,气温上升主要发生在冬季,降水也以冬季增加明显,而夏季降水呈下降趋势;水文过程主要表现在5月径流呈增加趋势,而6月径流为下降趋势;夏季径流减少而春季径流增加明显.冬春季积雪增加和气温上升,导致融雪洪水增多且洪峰流量增大,使洪水灾害破坏性加大.近些年来气候变暖引起的年内水文过程变化,已经对河流下游的城市供水和农牧业生产产生了影响.     

Effects of different soil and water conservation measures on hydrological extremes and flood processes in the Yanhe River,Loess Plateau,China

The runoff and sediment load of the Loess Plateau have changed significantly due to the implementation of soil and water conservation measures since the 1970s. However, the effects of soil and water conservation measures on hydrological extremes have rarely been considered. In this study, we investigated the variations in hydrological extremes and flood processes during different periods in the Yanhe River Basin (a tributary of the Loess Plateau) based on the daily mean runoff and 117 flood event data from 1956 to 2013. The study periods were divided into reference period (1956–1969), engineering measures period (1970–1995), and biological control measures period (1996–2013) according to the change points of the annual streamflow and the actual human activity in the basin. The results of the hydrological high extremes (HF1_max, HF3_max, HF7_max) exhibit a decreasing trend (P?<?0.01), whereas the hydrological low extremes (HBF1_min, HBF3_min, HBF7_min) show an increasing trend during 1956–2013. Compared with the hydrological extremes during the reference period, the hydrological high extremes increased during the engineering measures period at low (<?15%) and high frequency (>?80%), whereas decreased during the biological control measures period at almost all frequencies. The hydrological low extremes generally increased during both the engineering measures and biological control measures periods, particularly during the latter period. At the flood event scale, most flood event indices in connection with the runoff and sediment during the engineering measures period were significantly higher than those during the biological control measures period. The above results indicate that the ability to withstand hydrological extremes for the biological control measures was greater than that for the engineering measures in the studied basin. This work reveals the effects of different soil and water conservation measures on hydrological extremes in a typical basin of the Loess Plateau and hence can provide a useful reference for regional soil erosion control and disaster prevention policy-making.

     

黄河源区雨季降水与汛期径流量重建及其千年尺度下的演变特征

黄河源区年内降水集中, 洪水风险大, 重建源区雨季降水和汛期径流量对于提高径流预报预测精度及防洪防灾具有重要科学意义和应用价值。本文利用黄河源区及周边筛选的16个树轮年表, 采用嵌套主成分层次贝叶斯回归模型, 估算参数后验分布替代固定值以考虑不确定性, 重建了黄河源区过去1 160 a的雨季降水; 提出了基于年径流的分类占比回归模型, 以考虑汛期径流量与年径流量的一致性, 将黄河源区汛期径流量展延至公元159年。结果表明: ①嵌套主成分层次贝叶斯回归模型的误差缩减值(E_R)和有效系数(E_C)评价指标值均显著高于0, 分类占比回归模型的E_R和E_C值最高分别达0.90和0.88, 重建结果可靠性较高; ②即使在千年尺度下, 1979—1985年亦是较为不寻常的汛期高径流量时期。     

Assessment of satellite-based rainfall estimates in urban areas in different geographic and climatic regions

This paper presents an assessment of the 3B42 research version rainfall product from NASA’s Tropical Rainfall Measuring Mission Multi-satellite Precipitation Analysis (TMPA). The study provides new results of TMPA data accuracy in urban areas and highlights trends associated with the climatological indicators of temperature and relative humidity in cities. Ten years (1998-2007) of TMPA data were analyzed for three case study cities in the United States (Houston, Atlanta, and Las Vegas) and one in Korea (Cheongju), representing semi-arid to humid climates. At each location, an urbanized river basin and non-urbanized river basin were selected and comparisons between TMPA and rain gage observations were made for recorded storm events in the study period, the largest storm events by total depth, and selected hurricanes and topical storms. The results indicate TMPA data match well with rain gage observations at all locations. TMPA is slightly underestimated for semi-arid regions and overestimated for humid regions. The relative magnitude of TMPA rain event accumulation compared to rain gage accumulation is noted to be smaller for urbanized watersheds and high intensity events. The correlation of TMPA accuracy with temperature and relative humidity and the analysis of accuracy by season indicate TMPA is more accurate for convective rainfall events. This suggests a possible linkage between the observed urban-modified temperatures, hypothesized enhanced convection, and improved TMPA accuracy in urban areas.     

太湖流域应对特大洪水防洪工程效益模拟

防洪效益评估对防洪工程投资决策与减灾对策制定具有重要意义。建立集成了与太湖流域防洪效益评估相关的系列模型和方法,包括含降雨产流与平原净雨计算的水文分析方法、由河网水动力学模型和平原区域洪水分析模型组成的大尺度水力学模型、综合流域社会经济和淹没因素的洪灾损失评估模型。模拟了太湖流域遇特大洪水的灾害损失,开展了不同防洪工程应对流域性特大洪水减灾效益的预测分析。结果表明：1999年型200年一遇降雨将会给太湖流域造成高达568.29亿元的直接经济损失,外排动力增强30%至100%的防洪效益介于26.69亿元到45.70亿元之间,新建圩区、太浦河拓宽的防洪效益依次减小,而圩区泵排能力增加30%的防洪效益仅为0.65亿元。基于研究成果提出了增设外排泵站、加强圩区科学调度、通过保险分担风险等应对特大洪水的对策措施建议,为太湖流域特大洪水的防治提供支撑和参考。     

太湖流域应对特大洪水防洪工程效益模拟

防洪效益评估对防洪工程投资决策与减灾对策制定具有重要意义。建立集成了与太湖流域防洪效益评估相关的系列模型和方法,包括含降雨产流与平原净雨计算的水文分析方法、由河网水动力学模型和平原区域洪水分析模型组成的大尺度水力学模型、综合流域社会经济和淹没因素的洪灾损失评估模型。模拟了太湖流域遇特大洪水的灾害损失,开展了不同防洪工程应对流域性特大洪水减灾效益的预测分析。结果表明:1999年型200年一遇降雨将会给太湖流域造成高达568.29亿元的直接经济损失,外排动力增强30%至100%的防洪效益介于26.69亿元到45.70亿元之间,新建圩区、太浦河拓宽的防洪效益依次减小,而圩区泵排能力增加30%的防洪效益仅为0.65亿元。基于研究成果提出了增设外排泵站、加强圩区科学调度、通过保险分担风险等应对特大洪水的对策措施建议,为太湖流域特大洪水的防治提供支撑和参考。     

基于MIKESHE分布式水文模型的降水时间尺度对喀斯特流域径流模拟的影响研究——以红水河系六硐河流域为例

径流形成是流域系统对降水水文响应的结果,其实质也是流域对降水时间和空间上的重新分配。降水作为径流模拟中最大的不确定因素之一,其时空分布特征是影响径流模拟及一系列其它水文问题的主要控制因素。为了探索喀斯特流域降水时间尺度对径流的影响规律,本研究利用MIKESHE模拟技术,结合喀斯特流域独特的地质、地貌、覆被类型及水文特征,对模型的相关参数进行率定,模拟了5场典型洪水的降水径流过程。并且通过改变降水资料的时间尺度,研究降水时间变异对模拟洪水过程的影响。研究表明,在相同的流域下垫面和模型条件下,若累计降水时间增加,同样数量的降水产生的径流总量也会增加,最大的流量出现时间也相对滞后。      

西南河流源区径流量变化规律及其未来演变趋势

采用统计学方法及集合经验模态分解、小波分析、水文模型等多种方法,在对气象水文、湖泊岩芯、树木年轮、气候模式数据进行深入分析的基础上,研究了西南河流源区径流变化规律与历史丰枯规律及其驱动机制,分析了未来气候变化影响下的径流演变趋势。结果表明:三江源地区的径流近50 a整体表现为上升趋势,雅鲁藏布江流域除尼洋河外的其他区域年径流量整体呈不显著下降趋势,气候变化是导致三江源、雅鲁藏布江和怒江流域径流变化的主要原因,其中降水是引起径流变化最关键的因子;主要河流径流不同时间尺度的丰枯演变规律为,雅鲁藏布江中游全新世洪水事件呈现出早晚全新世频繁、中全新世相对较少的特征,近500 a怒江流域重建径流序列存在10个丰水期和10个枯水期,丰枯序列变化主要受季风环流和厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)活动的影响;在未来15~60 a,全球持续增温将使西南河流源区平均年径流深相比近30 a增加6%~14%,而极端径流呈现出“干更干、湿更湿”的变化特征,同时生态因子对径流变化的影响不可忽视。     

1954-2009年窟野河流域降水与径流变化趋势分析

通过窟野河流域温家川水文站流量实测数据及神木气象站降水观测数据,运用累计距平法、R／S法、Mann—Kendall趋势检验法分析1954—2009年间温家川水文站以上窟野河流域降水与径流的年内、年际变化特征。结果表明,窟野河流域汛期降水量和径流量分别占全年降水量和径流量的76．6％和59．19％。20世纪50年代至90年代,径流变化过程基本与降水过程一致,但到21世纪初期,径流量出现明显下降趋势,截止到2009年,径流量已减小到1．25×10^8m3。从季节分配上来看,春、夏、秋三季的降水量呈微弱的降低趋势,而冬季降水却以0．04mm／a的趋势递增。通过对1975—2009年的煤炭开采与径流量的相关关系分析表明,虽然在这期间降水量没有明显的衰减,但是窟野河年径流量从20世纪末开始就出现了明显的减少,这主要是煤炭大规模开采等人类工程活动引发的后果。     

新疆阿克苏河流域洪水演变趋势研究

全球气候变暖将加剧水循环,增大洪水风险。阿克苏河流域位于天山南坡,是北半球中纬度典型的高山流域。本流域不仅有暴雨洪水、冰川和积雪融水造成的洪水,而且还有冰川溃决突发洪水。以阿克苏河的两条支流库玛拉克河和托什干河为研究对象,利用块最大值抽样方法（block maximum）和超定量阈值（peak over threshold,POT）抽样方法提取出1958—2011年的洪水事件,其中基于POT方法在两条支流分别提取106次和112次洪水事件,主要集中在6月、7月和8月份。研究表明：阿克苏河的两条支流库玛拉克河和托什干河的年最大洪水强度分别以8.48 m³?s^-1和3.40 m³?s^-1的速率增加;在洪水发生时间上,以冰川融水补给为主的库玛拉克河,洪水发生时间有提前的趋势,而以降雨和融雪水补给为主的托什干河,洪水发生时间变得更加分散,表现为春季最大洪水提前、秋季最大洪水推后。     

1917年海河流域洪涝灾害过程重建

洪涝灾害历来是影响中国的主要自然灾害之一。根据历史文献记载及观测资料,从天气过程、水文过程、受灾情况等方面对1917年海河流域洪涝灾害的自然过程作了详细梳理。得出以下结论： (1) 1917年洪涝灾害呈现由台风袭扰→集中降水→山洪暴发/河流决口→积水/淹没→受灾的成灾过程。 (2) 7月份2次台风带来大范围暴雨,集中性降水出现于7月20—28日,沿燕山、太行山分布,而9月份2次台风带来的暴雨则使灾情更加严重。 (3) 1917年海河流域各河于7月中旬开始涨溢、决口,9月中旬上游降雨结束后,中下游水位趋于稳定并下降,10月份以后洪水才迟缓退去,而洪水泛滥引发的涝灾影响一直延续到1918年。 (4) 1917年洪涝灾害在海河南系和北系都有发生,南系尤为严重,共造成156个县受灾。受灾田亩级数在5级以上的区域主要集中于海河干流沿线、南运河沿线以及河北省文安县等低洼地区。     

TRMM卫星降水数据在洣水流域径流模拟中的应用

采用地面雨量站点观测降水作为基准数据,评估热带降雨观测计划（TRMM）最新一代卫星降水产品3B42V7的精度;利用站点和卫星两种降水数据驱动栅格新安江模型,采用SCEM-UA算法考虑模型参数不确定性,进行流量过程模拟,评估TRMM 3B42V7在流域水文模拟和预报中的应用能力。数据精度评估显示:在平均意义上,TRMM 3B42V7日降水精度较高,较站点观测低估了6.68%;但在绝对值意义上,TRMM 3B42V7日降水精度较低,绝对偏差达到57.76%;TRMM 3B42V7经过了地面月降水量偏差校准,其精度在月尺度上有较大提高。径流模拟结果表明:TRMM 3B42V7模拟的日径流过程精度较低,有部分洪峰没有捕捉到,但仍能表征径流的日变化特征;月尺度上模拟径流与实测径流吻合较好,能表征径流的季节性和年内变化特征;计算的日尺度和月尺度95%置信区间包含大部分实测流量过程。     

特征加权FCM算法在洪水样本分类中的应用

基于聚类分析和模糊数学的基本原理，对历史洪水建立属性和数值特征的洪水样本，并运用特征加权FCM算法对流域历史洪水特征样本进行聚类分析。在分散式新安江三水源模型的基础上对不同聚类的洪水分别进行参数率定．利用样本特征的模糊识别以提高实时水文预报的精度。     

基于非线性相关性和复杂网络的径流相似性分区

径流相似性分区对径流资料插补移用和区域洪水频率分析具有重要意义。为准确识别水文站网中各站径流特征的相似性和差异性, 提高径流相似性分区结果的准确性, 引入Copula熵方法估算基于互信息的R统计量, 以度量各径流序列间的非线性相关性。在此基础上, 应用复杂网络理论构建以水文站为节点、以对应径流序列间R统计量是否大于给定阈值为节点间连边存在判别依据的径流相似性分区模型, 采用基于边介数的社团检测算法(GN算法)进行径流相似性分区。以鄱阳湖水系的水文站网为实例, 研究结果表明: 径流相似性分区模型具有较高的稳定性和效率; R统计量阈值为0.80时, 径流相似性分区结果最优, 此时水文站网划分为南北两部分共12类分区, 其中北部仅含1类分区; 相比于K均值聚类方法, 复杂网络方法表现更优, 其最优分区结果更为合理。     

基于FloodArea模型的小流域山洪灾害临界雨量阈值初探

针对缺乏水位流量资料的山区小流域地区山洪临界雨量难以确定的问题,以四川省南江河上游流域作为研究区域,基于德国Geomer公司开发的二维非恒定流水动力模型"FloodArea ",利用流域逐时降雨资料,地形高程数据以及土地利用数据,重现南江" 6·28"山洪暴发的动态演进过程,对模拟得到的逐时淹没深度与1~24 h累积流域面雨量求相关,选取预警点淹没深度与累积面雨量的相关系数最高的时效作为预警点致灾临界雨量阈值的预报时效,通过建立预警点淹没深度与预报时效累积面雨量的回归方程,从而获取预警点不同风险等级的临界雨量阈值。结果表明：FloodArea模型能够较好地呈现出此次典型山洪的暴发过程,通过对不同地势预警点临界雨量阈值的对比,最终选取地势较低,位于河流汇口地带、风险等级较高的上两九义校作为南江河上游流域山洪风险预警点。     

黄河流域水文设计成果修订研究

将黄河流域主要控制站/区间的降雨、径流、洪水资料系列延长至2010年并分析其变化特点,在对实测径流还原的基础上,通过降雨径流关系变化分析下垫面变化对径流系列一致性影响,并采用多种方法进行一致性处理,提出3种下垫面情景的天然径流系列并推荐近期I下垫面情景的黄河设计径流成果。分析了影响洪水一致性的因素,对主要影响因素进行还原,对影响黄河中下游常遇洪水量级的因素进行还现,提出黄河流域各站天然设计洪水及中游现状下垫面5年一遇及以下设计洪水。     

基于水动力学模型的沿海城市洪水实时演进模拟

为了准确分析洪涝灾害对防洪体系现状的影响，做出相应的防洪减灾措施，以浙江省台州市灵江下游流域为研究区域，构建了基于Saint-Venant方程的水动力学耦合模型，对河道溃决洪水过程进行实时仿真模拟。综合考虑研究区域地形、气象、水文资料、水利工程、下垫面条件等因素，在一维河网模型和二维水动力学模型耦合衔接中，最大程度还原真实地形中河槽内外的水流交互淹没，借助研究区域内典型台风暴雨资料，率定验证本文建立的一维-二维耦合水动力学模型，检验后的模型可实现灵江下游沿岸城市不同量级设计洪水及历史洪水的实时淹没过程模拟。模型计算结果表明，该模型模拟复杂地形条件情况下流域洪水实时演进过程达到了较高精度，在水系沿程典型断面水位计算值与实测值误差不超过0.1 m。