基于栅格垂向混合产流机制的分布式水文模型

根据已有产流机制的研究结果,提出了当土壤含水量大于栅格蓄水容量时会产生径流的栅格蓄水容量概念,以及通过栅格植被根系层深度和田间持水量计算流域内各点栅格蓄水容量的栅格蓄水容量计算方法,并在充分考虑流域内植被类型、土壤类型和土壤水分参数对流域蓄水容量分布影响的基础上,应用栅格垂向混合产流机制描述植被根系层的水量变化,从而避免了对复杂的土壤水运动过程的直接描述.甸子流域的应用结果表明,基于栅格垂向混合产流机制的分布式流域水文模型对多年连续序列模拟的效率系数达到0.744,年均径流深误差为1.18-mm,相对误差为2.18%.此模拟结果对于寒旱区的水文过程模拟来说是可以接受的.     

结合新安江模型和TOPMODEL模型对流域土壤水分空间分布模式的描述

改进型新安江模型利用双抛物线型曲线来描述流域土壤蓄水容量的空间分布及进行产流计算,双抛物线型曲线有一种内在结构,能够利用同一组参数对流域空间上同时存在的多种土壤水分模式进行描述,然而,这一曲线为统计积分表达式,需要利用流域降雨径流观测资料通过最优率定来确定.传统的TOPMODEL模型利用湿润指数或土壤一地形指数,对流域内每一点的土壤水分进行预测.然而,TOPMODEL模犁假定整个流域处于稳定状态,且地下水位与地面平行.这种简化处理使得TOPMODEL模型并不适用于流域每一点,本文结合新安江模型双抛物线型曲线和TOPMODEL型湿度指数,充分利用流域降雨径流观测资料和分布式地形数据.对不同的土壤水分模式在广东省珠江三角洲双桥流域空间上的分布进行了确定,研究得出了该流域划分TOPMODEL模犁适用范围的湿度指数临界值.     

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。     

城市地表产流特性与计算方法分析

分析了城市地表雨水产流特性，讨论了城市地表雨水产流的计算方法，通过比较分析得出：对城市不透水区，降雨损失主要以初损中的洼蓄为主，若精度要求较高，宜采用蓄满产流中的指数分布计算方法或变径流系数法；若精度要求一般，可采用SCS曲线法或综合径流系数法．对于城市透水区域，降雨损失主要以下渗为主，若精度要求较高，宜采用结合下渗曲线公式的下渗曲线法；若精度要求一般，可采用指标法。     

基于大孔隙下渗理论的产流模型及其应用

闸述了大孔隙下渗机理和大孔隙流产生的条件,并结合土壤基质下渗以及大孔隙和土壤基质水分交换过程,建立了超渗产流模型．将该模型应用于滦河水系的柳河流域,估算了流域的产流量,推求了流域的径流过程．在模型的率定期和检验期,径流总量相对误差大部分在20％以内,Nash效率系数大部分超过70％,说明该模型可以用于以超渗产流模式为主要产流方式的流域径流模拟．     

垂向混合产流模型在无资料地区山洪灾害临界雨量计算中的应用

临界雨量是山洪灾害预警的重要指标.采用垂向混合模型进行净雨过程计算减小了流域降雨分布及流域下垫面不均匀对山洪灾害临界雨量计算的误差,尤其在短历时高强度暴雨或流域前期影响雨量不大的条件下,更有适用性,更能真实地反映实际情况,计算成果优于新安江三水源模型和基于初损稳损的暴雨洪水查算手册方法.采用上述3种方法计算临界雨量,典型流域——湖北省巴东县沿渡镇罗溪河2014年9月2日发生的山洪灾害实际降雨量与垂向混合模型计算成果最接近,后者比前者偏大23%,另外两种方法偏大约40%.采用垂向混合模型进行净雨过程计算,所得临界雨量与蓄水容量抛物线指数B、反映下渗空间分布特征的参数BF变化成反比,与反映下渗率影响的系数KF成正比,但这些产流参数对模型影响均不敏感.在无资料地区难以进行参数率定的情况下,根据经验确定参数引起的临界雨量值不确定性不显著.     

DHF模型及其在微计算机上的应用

DHF模型是大伙房流域降雨逞流模型简称,由超渗产流模型和变强度、变汇流速度单位线组成,经多年验用和修改,已基本完善。产流模型把下垫面分为表层、下层和地下水储存三部分,表层蓄水容量、流域平均总下渗率(F)和下层下渗率皆用N次抛物线分配,各层下渗曲线都用指数曲线表示。产流计算基本公式:式中Y——总迳流深;R——与净渗雨强,表层蓄水量、蓄水容量有关的下渗强度; ua,u0——下层蓄水量及蓄水容量;B—F的流域分配系数;uN——与ua相应的 纵坐标值;Z——与雨强有关的参数。单位线计算公式:式中M——与流域面积、时段长有关的比例系数;…     

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。     

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。     

适合沼泽湿地地区的分布式次降雨径流模型

根据流域降雨径流的基本过程,在充分考虑了流域下垫面水文要素和各种参数的空间异质性的基础上,建立了一个网格型的分布式次降雨径流水文模型.模型基于DEM将流域离散为栅格计算单元,将整个流域降雨径流过程分为产流和汇流两大部分.产流采用考虑地表覆被类型和土壤类型的SCS模型;汇流根据水流特性分别采用运动波方程和Muskingum-Cunge法基于分级汇流的思想进行汇流演算.模型结构简单、参数较少,大多数参数可利用DEM、土地利用类型图直接获取,少数敏感参数通过率定确定.应用研究区内的实测数据对模型进行检验,结果表明:确定性系数都在0.8以上,洪量和洪峰的相对误差基本在10%以内,峰现时间的绝对误差不超过2小时,其结果令人满意.     

川东丘陵区柏木林水土保持措施径流调控效果对比

川东地区是我国重要的生态功能区。针对该区域由于水土流失导致的柏木林生态服务功能日益下降的现状,通过天然降雨下坡面径流小区降雨径流原位观测试验,对比分析了3种坡面水土保持措施径流调控的效果。研究结果表明：当场降雨在一定阈值内：总雨量9.6-51.0mm,平均雨强3.4-31.9mm.h^-1,随着雨量增大、雨强增强,措施径流小区径流调控能力逐渐增强,对照径流小区的平均径流系数达到了措施径流小区的 1.8倍,措施径流小区平均入渗率达到了对照径流小区平均入渗率的3.6倍。水平阶、垒穴/培土和综合措施最大可消减径流峰值的54%、46%和55%,最大可减少坡面径流总量的59%、39%和38%。中雨时,垒穴/培土措施和综合措施消减径流峰值、减少坡面径流总量的效果优于水平阶;大雨、暴雨时,水平阶优于垒穴/培土措施和综合措施,尤其是短历时、强降雨。综合消减径流峰值、减少径流总量的作用来看,在川东雨季多短历时、暴雨的气候特点下,水平阶能够发挥最优的水土保持效果。     

屋面雨水收集缓解城市内涝时效分析

针对屋面降雨散落造成城市地面产生径流形成内涝等问题,本文通过对现有的蓄水池结构进行改造,在蓄水池底部设置不同孔径d的排水孔,使得降雨时雨水先收集到蓄水池降雨后缓慢排入土壤或地下管网,达到延长排水时间,降低径流峰值从而降低地下管网堵塞几率。通过设计实验和模拟分析得出以下结论：土壤渗透系数I大和排水孔径d小时排放到土壤的效果最好;排水孔径d越小,雨水进入地下管道时间越长所降低的径流比ψ越高;设计相同体积蓄水池时,底面积A越小蓄水量越大。通过理论和实际验证蓄水池改进技术的可行性,为治理城市内涝提供一种新方法。     

降雨对山仔水库典型样地地表径流氮磷营养盐流失的影响

根据福州市第二水源地山仔水库周围库区的典型土地利用方式,选取了3个具有代表性的实验样地,调查该区域不同土地利用类型土壤降雨前后含水率及其氮磷营养盐空间变化特征,结果表明:不同土地利用类型土壤中营养盐空间分布具有明显差异,相对于杉竹林,水田与旱地两种类型土壤营养盐流失风险高,且各土地利用类型均表现出5～10 cm处营养盐含量最高,流失量最大的一致规律,其中硝态氮和速效磷是地表降雨径流土壤氮磷营养物质流失的主要方式.     

南阳膨胀土裂隙扩展及室内降雨入渗实验研究

膨胀土在含水量降低时发生干缩开裂,给工程带来了极大的危害,其中降雨条件下裂隙膨胀土渗流问题是一
个典型的膨胀土工程问题。制备6 个相同的南阳重塑膨胀土样,在相同的环境下分别脱湿96,79,63,48,39,30 h,通
过数码拍照得到不同时刻试样表面裂隙图片,通过分析得到试样表面裂隙率;为了衡量裂隙在深部方向的发育情况,
使用煤油进行渗透实验,得到煤油入渗系数与脱湿时间、平均含水率、表面裂隙率的关系曲线;在油渗实验结束后进行
室内模拟降雨入渗实验,得到裂隙膨胀土入渗率的变化规律。通过对实验数据整理分析发现试样脱湿时间、试样平均
含水率、试样表面裂隙率、煤油入渗系数、降雨入渗实验径流开始时间、试样入渗率之间有良好的相互关系,降雨入渗
实验初期入渗率较大,入渗率随时间衰减很快,在15 min 内降低了两个数量级,脱湿时间越长的样初期入渗率越高,
衰减的也越快;入渗率在较短的时间内就开始趋于稳定,稳定后的入渗率随试样表面裂隙率线性增长,增长到一个峰
值后迅速降低。     

热带不同植被边坡水文效应室内模型试验

结合海南地区台风强降雨规律,对三种植被条件的粉土边坡模型进行了人工降雨试验,为热带生态护坡的植被选择提供依据。通过测量两次降雨过程中的总降雨量、地表径流量、雨水渗出量、坡体储水量及相应时间,对三种植被条件边坡的水文效应开展了分析。相较于裸土边坡,细叶结缕草边坡和肾蕨边坡均具有较好的抗雨水冲刷能力,肾蕨边坡更占优势。降雨前后,裸土边坡渗透性大幅降低;细叶结缕草边坡渗透性有所下降,但不明显;肾蕨边坡渗透性则显著提高。肾蕨边坡良好的储水持水能力在一般情况下是有利于边坡稳定的,但在长期干旱后遭遇强降雨时,也有可能因其储水能力太强而给边坡稳定带来不利影响。相比之下,裸土边坡和细叶结缕草边坡的储水和持水能力均较差。综合比较来看,一般情况下,肾蕨的水文效应对于保持边坡的稳定性是最有利的。     

降雨条件下多层土坡入渗机理与稳定性分析

基于VG(Van Genuchten)模型多层土含水率方程,建立了考虑边坡倾角的含水率与基质吸力控制方程,提出了土层间渗透系数比不同的情况下多层土坡入渗深度计算方法.通过在Geo-Studio软件中的Seep/w板块建立多层土的一维和二维模型,分析雨水入渗过程中土层交界面处饱和滞水区形成过程及不同降雨条件下多层土坡稳定性变化规律,并验证本文计算方法的正确性.结果表明:多层土坡降雨过程中,土层交界面处体积含水率、孔隙水压力变化范围较大,对于各层渗透性不同的多层土坡,在同一降雨强度下,渗透系数比越大,则交界面处滞水向下消散的速率折减得越多,交界面处孔隙水压力变化范围越大;多层土坡在交界面处出现饱和滞水区后孔隙水压力急增,导致土抗剪强度骤降,进而引发土坡稳定性系数大范围下滑.上述结论为降雨边坡预警工作提供参考依据.     

非饱和均质砂土边坡降雨入渗和稳定性分析

为了研究降雨入渗诱发滑坡的机制,通过选取典型的土性参数,利用有限元法使用软件SEEP/W对均质砂土边坡进行饱和一非饱和渗流分析,模拟边坡降雨入渗的全过程,得到降雨入渗过程的入渗量、浸润深度和含水率的瞬态分布,再利用Bishop法使用软件SLOPE/W进行边坡稳定性分析,搜索并计算最危险滑动面,得到该类型边坡的瞬态安全系数.     

考虑二维降雨入渗的非饱和土边坡稳定性分析

以非饱和土边坡体积含水率为控制变量,基于非饱和土水分运移基本方程建立了二维降雨入渗计算模型,并编制了计算程序.充分考虑降雨中的水平和垂直入渗及降雨过程中土体入渗能力的变化,建立了可考虑体积含水率变化的非饱和土边坡稳定性分析模型,实现了边坡稳定性的实时分析,并可搜索最危险滑裂面.通过具体工程案例的分析可知,边坡中的体积含水率与边坡的稳定性有密切的关系,其中边坡初始含水率影响最大,而降雨强度则较小.降雨对浅层边坡稳定性影响较大,随着降雨时间的增加,含水率由浅到深逐渐减小,而最危险滑裂面则逐渐向浅层移动.     

坡面土壤分散—径流挟沙动力学模型及应用

将坡面土壤侵蚀过程中的受力状态变化分为粘聚态、分散态、挟沙扩散态三种动力结构状态,揭示出土壤分散与径流挟沙的动力学机理;建立降雨、径流、土壤水、入渗、土壤阻力等动力—能量转化方程,进而建立以土壤分散、径流挟沙物理模型为核心的坡面土壤侵蚀动力学模型及参数体系,研发出土壤侵蚀动力学模型基本参数的有效辨识途径与方法.利用陕西...     

降雨入渗条件下土壤水同位素变化实验

 通过输入比初始土壤水富集轻同位素且同位素组成稳定的降雨进行室内降雨入渗实验,研究土壤水氢氧同位素在土壤中变化情况。实验结果表明,降雨在入渗过程中,降雨同位素与初始土壤水同位素发生混合稀释,出流同位素组成随时间减小,最后趋于稳定,接近降雨同位素组成;出流氢氧同位素关系线斜率由以初始土壤水和降雨同位素组成为端点的混合线斜率决定;通过曲线拟合出流同位素随时间的变化函数关系,确定其传递函数分布为指数-活塞流模型分布,且氢同位素和氧同位素的传递函数相同。