黑龙江干流凌情特征及影响因素分析

鉴于黑龙江地处高寒地带凌情特征明显,且洪水多发对黑龙江省造成了严重的损失,定量描述了黑龙江干流11个水文站点的开封河日期、封冻天数和冰厚,分析了凌情影响因素。结果表明,近50年来,封冻日期推迟、解冻日期提前、封冻天数和冰厚逐渐减少,累积负积温与封冻天数、冰厚呈负相关;当年10月至次年4月气温均值与封冻日期、解冻日期相关性良好, 但风速和日照时长与凌情特征相关性不显著,水位与开封河日期相关性不显著。     

基于多 GPU 数值框架的流域地表径流过程数值模拟

与传统概念性水文模型相比,二维水动力模型可提供更丰富的流域地表水力要素信息,但是计算耗时太长的问题限制其推广应用,提升二维水动力模型的计算效率成为当前数字孪生流域建设工作中的关键技术难题之一。采用基于Godunov格式的有限体积法离散完整二维浅水方程组建立模型,通过消息传递接口(message passing interface, MPI)与统一计算设备架构(compute unified device architecture, CUDA)相结合的技术实现了基于多图形处理器(graphics processing unit, GPU)的高性能加速计算,采用理想算例和真实流域算例验证模型具有较好的数值计算精度,其中,理想算例中洪峰的相对误差为0.011%,真实流域算例中洪峰的相对误差为2.98%。选取宝盖寺流域为研究对象,分析不同单元分辨率下模型的加速效果,结果表明：在5、2、1 m分辨率下,使用8张GPU卡计算获得的加速比分别为1.58、3.92、5.77,单元分辨率越高,即单元数越多,多GPU卡的加速效果越明显。基于多GPU的水动力模型加速潜力巨大,可为数字孪生流域建设提供有力技术支撑。     

变化环境下的水源涵养能力评估研究进展

水源涵养功能属于生态学与水文学的交错领域，是近年来的研究热点。水源涵养功能包涵广泛，水源涵养能力是针对不同区域特点和具体研究对象对水源涵养功能的量化评估。将水源涵养能力定义为一个区域的最大持水能力，与区域的气候、土壤、植被等因素有关，并且由区域持或蓄的水量应能够补给地表或地下水，为区域的工农业发展提供相对稳定的水源，讨论了区域水源涵养能力的组成和影响因素，分析了变化环境下气候条件和人类活动对水源涵养能力的影响。此外，水源涵养能力表征在干旱区和湿润区有所不同。基于上述观点，总结了水源涵养能力的评估方法及其适用条件与优缺点，并在此基础上，进一步讨论了水源涵养能力评估的研究方向，以期为生态水文学发展和环境治理提供科学参考。     

VIC模型在三江源地区产汇流模拟中的应用

基于大尺度陆面水文模型VIC模型,以纳什效率系数、相关系数及相对误差为评判标准,对三江源地区产汇流过程进行了模拟分析。结果表明:三江源地区产流存在明显的时间和空间分布,产流主要发生在6～9月与降水的空间分布相吻合,且受东亚季风的影响,产流量随纬度的升高而减小;VIC模型能较好地模拟三江源地区年内及年际流量的变化过程,具有较高的模拟精度,具体表现为纳什效率系数在0.65～0.80之间,黄河源区、长江源区、澜沧江源区相对误差分别为-0.3%、8.8%、-15.2%,可见VIC模型在三江源地区具有较高的适用性,能用于该地区水文过程的模拟及气候变化对水资源影响的研究。     

松花江流域极端气象水文要素分析

利用松花江流域1961-2018年逐日降水及逐日径流数据资料,基于11个极端降水指标和5个极端径流指标,采用趋势分析法、Mann-kendall非参数检验方法、Mann-kendall突变检验法、克里金插值法、皮尔逊相关系数等方法分析了松花江流域极端降水及极端径流事件的变化特征、地区性差异和规律,同时分析了极端降水和极端径流事件间的关联性。结果表明：除持续干期指数（Consecutive dry days,CDD）和降水强度指数（Simple daily intensity index,SDII）外,其余指数多年平均值均呈现出第二松花江流域为高值区,松花江干流流域次之,嫩江流域为低值区,各极端降水指数的空间趋势分布和突变年份也体现出区域差异性;各极端径流指数的变化趋势和突变年份分别相近,且都呈微弱变化趋势;在不同时间尺度下,极端降水与极端径流事件的相关系数均通过99%显著性检验,由于松花江流域汇流速度较慢,当时间尺度为30天时极端降水与极端径流事件表现出最为显著的关联性。     

雅鲁藏布江流域近18年来植被变化及其对气候变化的响应

基于MODIS(moderate resolution image spectroradiometer) NDVI(normalized difference vegetation index)数据、DEM数据、1∶100万中国植被类型图,运用Mann-Kendall趋势及突变点检验法对2001—2018年雅鲁藏布江流域不同海拔梯度和植被类型的NDVI进行提取,分别在时间和空间尺度上分析其年际变化并探究流域NDVI变化与植被类型和气候因子的相关性。结果表明:全流域尺度、不同海拔梯度和不同植被类型近18年的NDVI年际变化均呈增长趋势且在2013年之后呈现明显的增长趋势。在空间尺度上,80%的流域近18年来NDVI呈增长趋势,植被状况得到较好的改善;流域NDVI在海拔小于等于3 500 m时主要受针叶林和阔叶林的影响,大于3 500 m且小于等于5 000 m主要受灌丛、草原及草甸的影响,大于5 000 m受高山植被和草甸影响较大;流域植被的NDVI受降水和气温的影响较大,其中温度的影响略强于降水;气候变化对流域植被的影响具有滞后效应,在该条件下流域植被的NDVI与气候因子的相关系数由大到小为草原、草甸、灌丛、高山植被、针叶林、其他植被、阔叶林。若一种植被类型受气温的影响大于降水,其对气温变化的响应也会更为敏感;反之,若该植被类型受降水的影响大于气温,则会对降水变化的响应更为敏感。     

黄河源区冻土变化特征及其与温度的关系

利用黄河源区9个气象站1997—2018年的逐日气温、地表温度和冻土深度资料,使用线性趋势分析法,基于ArcGIS的反距离权重插值法、高程插值法和相关系数法,对黄河源区温度和季节性冻土最大冻结深度以及封冻期起止时间进行分析,研究最大冻结深度与温度的相关关系。结果表明：黄河源区季节性冻土的最大冻结深度分布具有较明显的纬度分带性和垂直分布性,纬度较高地区大于纬度较低地区,海拔较高地区大于海拔较低地区。同时纬度高海拔高的地区相较于纬度低海拔低的地区来说,冻土冻结起始日出现的更早,解冻日出现的更晚,封冻期更长;黄河源区季节性冻土的冻结起止时间均发生了变化,大致表现为冻结起始时间延后,冻结消融时间提前,封冻期缩短,不同地区变化幅度有所不同,源区平均缩短速率为8 d/（10 a）。近20年来,源区绝大部分地区气温、地温和负积温均呈现不同程度的上升趋势,冻土最大冻结深度呈波动减小的趋势,最大冻土深度和冬季平均气温地温、周期内平均气温地温、负积温均呈负相关关系,其对负积温的响应最为显著,相关系数R=-0.762 7。这说明负积温每上升100 ℃,最大冻土深度将减少7.07 cm     

基于模式集成的松花江流域气候模拟预估

以松花江流域为研究对象,采用CMIP5已发布的9个气候模式,模拟1951年～2000年历史降水和气温的月数据,对比实测资料运用3项数理统计指标评估模式的模拟性能;各模式降尺度后应用到4种集成方法。模拟结果表明,Can ESM2和MPI-ESM-MR模式模拟效果较好,多元回归集成表现最佳。利用优选的2个模式方法预估流域下游佳木斯站在RCP4. 5气候情景下未来逐月的降水和气温,并以预估的降水气温为因子构建线性回归模型计算流域未来径流的月变化过程。预估径流结果可为水资源管理及洪旱防治提供数据参考。     

基于MODFLOW与ANN耦合的泉流量模拟研究

针对人类活动影响下岩溶地区泉流量难以预测的问题,基于地下水数值计算模型———MODFLOW和人工神经网络两者的优点,尝试将两者结合建立松散型耦合模型。以河南省安阳市小南海泉域的泉流量预测为例,探索耦合模型的原理和算法,并与单纯MODFLOW模拟的结果相比较。由确定性系数、相对误差和相关系数3个指标来看,MODFLOW模拟结果分别为0.79、4.98%和0.84,MODFLOW-ANN耦合模型的模拟结果分别是0.88、-1.22%和0.89。研究结果表明,耦合模型吸取了MODFLOW的地下水数值分析功能和人工神经网络的非线性逼近能力,能很好地模拟出泉流量峰和谷的变化,提高预报精度,可以用于模拟泉流量的动态变化过程,该研究对泉域岩溶地下水的进一步开发利用具有一定的参考价值和指导意义。     

已建区排水管网评估及多尺度分区改造策略

为评估已建区现状排水管网情况并以问题为导向提出针对性的多尺度分区管网排水能力提升优化策略,以北京市东城区为例,构建基于InfoWorks ICM的城市综合流域排水模型,选用两场实测降雨分别进行参数率定及模型验证,结果表明模型具有较高的精度与可靠性。在此基础上,利用该模型对1a、3a、5a、10a四种不同设计重现期、历时1h降雨情景下的排水管网排水能力进行模拟,分三个尺度对研究区域模拟结果的分析如下:(1)城市尺度的管网排水能力不足1a一遇、1～3a一遇、3～5a一遇、5～10a一遇、10a一遇的管线长度比例分别为52%、10%、4%、6%、29%;(2)地块尺度功能分区排水能力排序为:公园绿地≥居民小区商务行政办公区商业区;(3)道路尺度的主次干道管线排水能力不足1a一遇、1～3a一遇、3～5a一遇、5～10a一遇、10a一遇的管线长度比例分别为38%、9%、4%、7%、42%。针对不同尺度下排水管网排水能力的现状评估结果,诊断并分析排水能力不足的问题及成因,以期通过系统性的管网现状评估及优化方案,为国内其他老城区的管网排水能力提升提供一套适用性的优化改造策略。