华北地区分布式蓄超空间动态组合TOKASIDE-D模型研究

为探究我国华北地区由于下垫面和降水时空分布不均匀产生的地下水超采严重和产流机制混合多变(蓄满与超渗产流随着时间和空间发生交替主导)等问题的解决办法,在基于物理基础的分布式模型TOKASIDE的基础上,通过降雨和土壤含水量之间的判定关系,动态识别蓄满产流和超渗产流网格,构建分布式蓄超空间动态组合模型(TOKASIDE-D),并选择华北地区的北辛店流域进行验证和分析。结果表明,与原模型相比,TOKASIDE-D模型在北辛店流域的洪水模拟精度有较为明显的提升,径流深误差合格率由44%提升至56%,洪峰误差合格率由44%提升至78%;TOKASIDE-D模型能够准确捕捉降雨、土壤含水量等动态因子对产流模式的控制效应。     

基于栅格的分布式超渗产流水文模型构建及比较

利用具有物理机制的Green-Ampt下渗方法并考虑降雨间歇土壤含水量再分配计算栅格内产流;同时考虑河道排水网络的水量交换,采用逐栅格的Muskingum-Cunge演算法进行汇流,构建了基于栅格的分布式超渗产流水文模型(Grid-GA模型).同时还建立了基于子流域的Green-Ampt水文模型、以及增加超渗产流机制的新安江模型.将这3个模型以及新安江模型应用于半湿润的沂河高里流域,结果表明,4个水文模型均能很好地进行水文过程的模拟,证明所构建的模型结构合理.     

分布式格林-安普特降雨径流模型研究

构建了一种基于网格计算流域蒸散发及产汇流的分布式格林-安普特降雨径流模型,并选择陕北黄土高原地区两个半干旱流域为研究区域,研究该模型在半干旱地区的应用效果。结果表明：在两个半干旱流域,分布式格林-安普特降雨径流模型的应用效果好于GA-PIC模型和格林-安普特模型,尤其对于洪峰的模拟精度更高;分布式格林-安普特降雨径流模型中基于网格的坡面汇流与河道汇流模块能够更准确地计算出径流汇集到流域出口断面的时间;分布式格林-安普特降雨径流模型能更精确地计算出流域不同位置的产流过程,并准确地模拟流域产流面积分布情况;半干旱地区降雨时空分布不均,超渗产流主要受降雨强度的影响,降雨观测精度对径流预报精度影响较大。     

格林-安普特降雨径流模型改进及初步应用

将基于土壤及降雨资料计算得出的具有物理基础的下渗能力分布曲线引入格林-安普特降雨径流模型,选择中国和美国2个半干旱流域作为研究区域,将改进后的格林-安普特模型与原模型及新安江模型进行模拟对比,研究改进后模型的应用效果及其在半干旱地区的适用性。结果表明:在2个半干旱流域,改进格林-安普特模型模拟结果均好于原始格林-安普特模型及新安江模型;增加的具有物理基础的下渗能力分布曲线能够更好地反映流域内各位置下渗能力随降雨和时间变化的特点,更加精确地计算出流域内下渗量及产流量;半干旱地区洪水多由短时强降雨引起,产流主要以超渗地面径流为主,降雨观测精度和降雨强度对模型模拟精度影响较大;改进格林-安普特降雨径流模型能够在半干旱地区洪水预报中发挥作用。     

考虑水库泄水影响的逐网格汇流演算方法

为将网格新安江(Grid-XAJ)模型更好地应用于受水库泄水影响地区的洪水模拟及预报,以横排头流域为研究区域,基于水库真实地理位置,利用分段马斯京根(MK)法、逐网格MK法、逐网格Muskingum-Cunge-Todini(MCT)法对比分析水库泄水对模型汇流计算的影响。结果表明:3种方法对洪峰的模拟情况均较好,率定期与验证期全部洪水的平均合格率均为100%;逐网格MK法与分段MK法全部洪水的平均径流深合格率均为76.9%,小于逐网格MCT法(84.6%);与分段MK法相比,逐网格MCT法与逐网格MK法可以反映上游水库泄水对汇流过程中流量在流域中时空分布的影响;逐网格MCT法在逐网格MK法的基础上进一步考虑了下垫面河道的真实情况;总体而言,逐网格MCT法对于受水库泄水影响流域的洪水预报具有较强的适应性和可靠性。     

基于Holtan产流的分布式水文模型

基于GIS与DEM技术,构建基于Holtan产流的分布式水文模型(Grid-Holtan模型)。模型以栅格为计算单元,栅格产流采用基于Holtan下渗方法的超渗产流计算,坡面汇流和河道汇流均采用逐栅格的一维扩散波水流演算模型模拟。将Grid-Holtan模型、陕北模型与新安江模型应用于半干旱的沁河孔家坡流域。结果表明,Grid-Holtan模型、陕北模型的模拟效果好于新安江模型,GridHoltan模型洪峰模拟效果更好。     

坡度对坡面降雨产流规律的影响

通过建立概化坡面模型,设置不同坡度下的单层无限深均质各向同性梯形壤土剖面,在不考虑蒸散发和土壤水分滞后效应的前提下,假定若干初始土壤含水量,借助Hydrus软件,在给定时空分布均匀降雨的条件下对Richards’方程进行数值计算以探索坡度对霍顿型降雨产流过程的影响。结果显示产流基本随坡度增加而减小,而初始土壤含水量增加将抑制坡度对产流的影响,用幂函数可以较好地近似产流和坡度之间的关系。     

不同坡度和前期土壤含水率下裸地和草地的降雨产流试验分析

坡度和前期土壤含水率是降雨产流过程的重要影响因素。为探讨其对降雨产流过程的影响,采用人工降雨模拟试验,对太行山前平原区不同坡度和前期土壤含水率下草地和裸地降雨产流过程进行了研究。结果表明:(1)草地和裸地的径流量均随坡度和前期土壤含水率的增加而增大,且裸地在稳定阶段的产流量以及累积产流量均高于草地;同时,前期土壤含水率较高时,累积产流量与降雨历时呈现出分段函数的关系;(2)径流系数、产流滞时以及入渗率随坡度和前期土壤含水率的增加分别呈现出增大、减小和减小的趋势,且两影响因素对草地径流系数、产流滞时及入渗率的影响程度均强于裸地;(3)裸地和草地的入渗率均随坡度和前期土壤含水率的增加,其变化速率逐渐增大,且较其他入渗模型,Horton入渗模型可以很好地估算土壤入渗率以及入渗量。通过试验研究,以期为进一步探索太行山前平原区降雨产流规律提供参考。     

考虑空间变异性的统计产流模型研究

针对控制产流过程的降雨等主要因素在空间分布不均匀的特征,提出了考虑空间变异性的统计产流模型．引入一个新的概率密度函数描述每个时段降雨的空间变化,采用土壤下渗容量曲线描述流域土壤下渗能力的空间变化,利用土壤水蓄水容量曲线表征土壤蓄水容量空间分布不均匀性．采用超渗产流模式根据降雨与下渗能力的联合概率分布计算地表径流的空间统计分布,通过推导得到计算地表产流量的准解析表达式;采用蓄满产流模式根据下渗与土壤蓄水容量曲线计算地下径流．选用黄河支流伊河东湾流域的资料对模型进行了验证,并将其结果与新安江模型产流结果进行对比,表明模型在该半湿润地区具有一定的适用性．     

不同水文模型在半干旱地区的应用比较研究

分别采用新安江模型、HEC模型和TOPMODEL模型对滦河宽城流域进行洪水模拟计算,认为蓄满产流模型可以进行半干旱地区洪水模拟和预报分析,在计算时段为3 h的情况下,采用历史水文资料无法区别出产流模式.如果采用超渗产流一类的模型,计算时段要小于0.5 h.     

新安江模型与垂向混合产流模型的比较

从实时洪水预报模型通用性角度出发，对新安江模型与垂向混合产流模型进行比较研究．选用青峰岭水库流域、危水水库流域资料分别采用这两个模型进行模拟计算．计算结果表明，在湿润地区，新安江模型和垂向混合产流模型都能取得好的成果；在半干旱地区，新安江模型应用效果不太理想，垂向混合产流模型能取得比较令人满意的结果．     

基于BP神经网络的坡面降雨产流预测

为预测坡面降雨产流,基于坡面降雨产流的非线性特性,引用3层BP(Back-Propagation)网络建模方法,对B市密云水库流域石匣小区水土保持监测小区的坡面降雨产流进行了研究。模型输入层变量数为5个,分别代表坡度、坡长、降雨强度、降雨历时、土壤的有效糙率,输出层变量数为坡面降雨产流量,利用野外小区实测数据,对上述网络进行了训练,学习100次后网络趋于收敛,训练样本集误差达到2.040 96×10-10,小于预设精度,预测样本的平均相对误差为1.67%。该模型的建立与实践,为坡面降雨产流预测的研究提供了新的方法。     

湿润地区中小河流山洪预报方法研究与应用

针对湿润地区中小河流,提出2套山洪预报方案:一是对于有资料地区,建立基于新安江模型的山洪预报方案;二是对于无资料或资料缺乏地区,采用API-Nash模型,即采用降雨-径流经验相关法进行产流预报,采用Nash模型进行汇流预报。以皖南山区屯溪流域为例,分别用2套方案对流域的次洪过程进行模拟。研究结果表明：2套方案均取得良好的应用效果,洪量合格率比较一致;对于洪峰合格率和确定性系数,新安江模型的模拟结果优于API-Nash模型。     

移动降雨时空分布对坡面产流的影响

降雨的时空分布是影响坡面水文响应的重要因素之一。本文结合实测物理模型实验数据与基于物理概念的数值模型Intergrated Hydrology Model(InHM)研究降雨的时空分布对坡面产流的影响。利用收集到的实测物理模型数据对数值模拟结果进行参数率定、验证后,再分别对均匀与非均匀分布降雨条件下的坡面产流情况进行数值模拟,通过分析两者间的模拟结果的差异,可以定量化地研究降雨时空分布对坡面产流所产生的影响。研究结果表明:均匀空间分布与不均匀空间分布降雨引起的坡面产流存在相当大的差别,由降雨空间分布的不均匀性带来的产流峰值的变化差距可以超过40%;也验证了在降雨移动产生的时间变化下,产流峰值随着移动方向与坡面方向间角度的增大而逐渐减小。     

基于数值试验的山坡尺度降雨产流关系

山坡是流域水文响应的基本单元,对山坡降雨产流关系特别是山坡降雨产流的阈值现象的研究,有助于增进山坡水文过程的了解,进而改进流域的降雨径流模拟。本研究利用经过野外实验详细验证的二维山坡水动力学数值模型THRM,借鉴统计物理的思路,将土壤水分运动由微观网格升尺度到宏观山坡。通过数值试验分析山坡尺度降雨径流关系的特征,结果显示:山坡尺度降雨径流响应普遍存在阈值-线性的两阶段规律,即降雨低于某阈值时不产流,大于该阈值后降雨量与产流量呈现线性关系。数值试验还揭示了降雨阈值出现的过程机理,即降水入渗至土壤-基岩界面,填满基岩地形的凹陷后,交界面土壤水分达到近似饱和状态,山坡达到蓄满状态,土壤基岩交界面成为水流的优先通道而开始产流。山坡产流的降雨阈值可以认为是使山坡蓄量空间充满的降雨量。定义山坡蓄满后降雨量与产流量的相关系数为山坡产流系数,研究表明降雨阈值随着坡度的增加而减少,而山坡产流系数随着坡度的增加而增大。     

基于网格水滴的汇流模拟计算方法

为探究网格水滴汇流方法的预报精度及物理性质,并验证其在缺资料或无资料地区的适用性,以蓄满产流为原理,结合网格新安江模型进行产流计算,构建了基于网格水滴的汇流模型。以湿润地区屯溪及其嵌套子流域和半湿润地区东湾及其嵌子套流域为研究对象,假设嵌套子流域为缺资料地区,在不重新率定参数情况下对屯溪和东湾内部嵌套子流域进行模拟验证。结果表明：相同流域内,基于网格水滴的汇流模型综合模拟精度随着子流域面积减小而降低;模型在屯溪流域模拟精度达到甲级,其嵌套子流域模拟精度基本满足需求;在东湾流域模拟精度达到乙级,其嵌套子流域模拟精度除洪峰合格率外均达丙级;模拟结果验证了网格水滴汇流模型在缺资料流域的适用性。     

优选雨量站权重改进降雨输入的洪水预报方法

降雨是驱动水文模型进行洪水预报的重要输入数据,降雨资料短缺给洪水预报工作带来极大挑战．引入边缘雨量站降雨数据,基于随机优选方法,构建优选雨量站权重改进降雨输入的新安江模型,对资料短缺流域进行洪水预测,并在石灰窑以上流域进行试验研究．与泰森多边形权重相比,优选权重改进降雨输入的产流预报精度有显著提高,率定期、验证期产流合格率分别从60%、40%提高至100%、60%,汇流预报精度略有提升;改进降雨输入后的新安江模型的优选参数更符合流域产汇流特征,提升了模型参数的合理性．所提优选雨量站权重改进降雨输入的洪水预报方法,对类似降雨资料短缺流域洪水预报具有重要的参考价值．     

太湖流域平原水文试验区降雨产流过程特征研究

为研究太湖流域平原地区降雨产流特征,选取金坛水文试验区开展降雨产流过程观测,提取影响次降雨产流的特征要素,剖析典型蓄满、超渗产流案例中的产汇流过程。结果表明：试验区以蓄满产流机制为主,超渗产流现象较少。长历时小雨强条件下试验区产流过程可分为补给土壤水、填洼和排水沟出流、全面出流、雨止消退4个阶段。排水沟出流阶段径流系数小,以排水沟面积承接雨水出流为主;全面出流阶段为蓄满条件下的超渗产流,雨强阈值约0.1mm/min,径流系数大。前两个产流阶段在短历时强降雨中同时发生。若全面出流阶段土壤尚未蓄满,则仍有较大比例雨水入渗,属传统意义上的超渗产流;若土壤已蓄满,则为蓄满条件下的超渗产流。     

不同坡面单元人工降雨产流试验与分析

土壤前期含水率、坡度、雨强和植被是降雨产流过程的重要影响因子.目前,利用人工降雨产流试验对降雨产流机制的研究主要集中在黄土高原干旱地区和南方湿润地区,关注华北平原地区的较少,为探究不同因素对华北地区降雨产流过程的影响,利用河北工程大学临洺关校区人工模拟降雨试验平台,分析了不同降雨情景下地表径流产流响应的差异性.结果 表明:产流起始时间随土壤前期含水率、坡度和雨强的增大而减小,且受土壤前期含水率的影响更显著,产流量随时间变化呈现先增加后平稳的趋势;裸地坡产流起始时间小于自然草地,在起始产流至达到稳定临界点的时段内,裸地和草地坡产流量与产流历时呈现对数关系;累积产流量与降雨历时呈线性函数分布,拟合优度均在0.9以上.相较植被和坡度而言,土壤前期含水率和雨强是影响试验单元产流最重要的两大因素.通过上述不同情景、不同因素的试验差异分析研究,以期为构建适用于华北平原的产汇流模式提供理论依据和数据支撑.     

土壤初始含水量对黄土坡地水分运动与转化特征的影响

通过室内模拟降雨试验,研究了水蚀条件下初始含水量分别为1.3%、5.7%、9.7%、14.2%和18.9%时黄土坡地水分的迁移特征。结果表明随着土壤初始含水量的增加,坡面产流开始时间提前,坡地平均径流系数和径流量呈线性增加趋势;坡面径流含沙量与土壤初始含水量呈抛物线关系,在9.7%含水量左右存在最小值;土壤初始含水量越高,坡地累计入渗量越小,雨水转化为土壤水分的比率越小。在土壤初始含水量较高的雨季,建议采取保护性耕作措施,增加雨水入渗率,减少水土流失量。