基于特征分析的设计降雨过程分析与计算

设计降雨是工程水文计算的重要内容.为提高设计降雨的客观性及工程水文计算的区域适用性,选取河北省永年站1980—2018年逐小时降雨观测数据为研究数据,在分析其降雨年际、年内分布特征的基础上,以降雨量、降雨峰值、降雨历时、峰值比四个特征作为关键要素,采用以降雨量和降雨历时为变量的排频法,分别对永年站汛期、非汛期的典型降雨过程进行设计和分析.结果表明：永年站近39年降雨过程具有明显的丰平枯交替变化特征;汛期典型降雨过程的降雨量为16.5 mm、降雨峰值为6.2 mm、降雨历时为3 h、雨型为单峰靠后;非汛期典型降雨过程的降雨量为15.9 mm、降雨峰值为2.6 mm、降雨历时为10 h、雨型为单峰居中;汛期设计降雨过程具有历时短、峰值大、变化急且降雨量集中于后部的特点;非汛期设计降雨过程具有历时长、峰值小、变化缓且降雨量主要集中在中后部的特点.不同时期特点迥异的设计降雨过程较好地反映了区域降雨的时程特征,可为城市防洪排涝的计算、科学灌溉制度的制定提供参考.     

长白山天池地区泥石流激发雨型与临界雨量

长白山天池景区内受多条泥石流沟威胁,为降低泥石流灾害造成的损失与威胁,通过收集与整理该区域内泥石流活动历时资料与相应的降雨资料,分析各沟泥石流灾害暴发的降雨过程,获得长白山天池地区的泥石流激发雨型的特征,并研究相关降雨参数(小时降雨强度、历史累计雨量、前期有效降雨和降雨历时)与泥石流灾害爆发之间的关系,得到了长白山天池地区泥石流灾害暴发的临界雨量值。经研究表明,长白山天池地区泥石流激发雨型分为长期持续降雨与长期间断降雨两类,长期持续降雨型的前期不间断降雨持续时间长,总降雨时间也持续较长,泥石流在降雨强度逐步达到临界值时暴发。长期间断降雨较长期持续降雨来说,总的降雨时间更长。该降雨类型的降雨强度存在多次由零到极大值增大再降低的重复过程,直到最终松散堆积体饱和至临界值导致泥石流暴发。经统计与分析得出,长白山天池地区泥石流灾害暴发的防范雨量与预警指标(临界雨量),以历史累计降雨量43.5 mm或前期有效降雨32.7 mm可以作为防范值,以小时降雨强度19.7 mm/h作为泥石流临界雨量,对不同的激发雨型特征与临界雨量的研究能够为长白山天池地区的泥石流灾害监测预警提供科学依据。     

降雨型堆积层滑坡降雨阈值及预警模型研究——以王家坡滑坡为例

堆积层滑坡在降雨作用下,累积位移曲线呈现不规则的“阶跃”状.针对此类型滑坡,将滑坡所处的地质条件与滑坡的变形特征相结合,进而建立合理的预警模型,是提高滑坡预警精度的必要手段.本文以王家坡滑坡为典型研究案例,在分析降雨、滑坡位移以及位移速率等监测资料的基础上,确定王家坡滑坡的位移回落时间、降雨阈值.考虑滑坡变形对降雨的响应机制,将实际降雨工况分为当期降雨和前期降雨+当期降雨两种类型,通过数值模拟分析降雨条件下王家坡滑坡的稳定性,对传统的经验性降雨阈值进行改进,针对当期降雨,建立降雨诱发滑坡失稳滑动的I-D阈值曲线,针对前期降雨+当期降雨,建立滑坡破坏的A-I-D阈值曲面.最后,基于改进的I-D阈值曲线和A-I-D阈值曲面建立了王家坡滑坡4级预警模型.     

典型喀斯特石漠化地区降雨产流产沙特征

为分析喀斯特石漠化地区降雨对水土流失的影响,以贵州省关岭-花江石漠化治理示范区2018年雨季17次侵蚀性降雨的产流产沙数据为例,对水土流失监测径流小区的次降雨特征、降雨产流产沙特征及两者相关性进行分析。结果表明:研究区不同土地利用方式坡面次降雨径流系数平均值为0. 175,降雨大部分入渗。不同径流小区降雨产流产沙存在显著差异,5块样地产流大小为柚木(Tectona grandis)地火龙果(Hylocereus undulatus Britt)地裸地花椒(Zanthoxylum bungeanum Maxim)地荒草地,产沙大小为柚木地火龙果地裸地荒草地花椒地。植被覆盖度、土壤厚度对坡面降雨产流、产沙均影响较大,土地利用方式及植被类型对坡面降雨产沙影响次之,对降雨产流影响较小。对径流小区的次降雨径流深、次降雨产沙模数及描述次降雨特征的各指标进行相关性分析,降雨产流与次降雨量之间相关性最好,5块样地平均相关系数为0. 864;降雨产沙与降雨总动能之间相关性最好,5块样地平均相关系数为0. 785。     

不同降雨强度下滑坡表面冲蚀体积试验

在山区,降雨导致的土壤冲蚀是产生堆积物、改变地貌地形的主要因素。其过程复杂并且受如降雨强度、地表粗糙度等多种因素影响。为研究不同降雨强度条件下降雨对滑坡表面冲蚀的体积指标特性,采用实验室模拟降雨试验平台进行实验,Golden Surfer软件直接读取堆积体体积、3D模拟模型研究降雨与输出数量关系等方法,再现了以体积量直接输出的堆积物与降雨之间的关系。结果表明:降雨过程中,坡体深部土壤体积含水率变化较小,浅层土壤孔隙水压与含水率变化较大;降雨初期,降雨入渗有效提高表层孔隙水压力,地表径流小,带沙能力弱;随降雨时间增加,地表径流强度增加是提高水流冲刷力的主要因素,累计冲蚀堆积体体积随降雨强度增加而增大,但是增速减小,其主要原因是降雨后期,地表形成冲刷沟壑,累计冲蚀堆积体体积受地表粗糙程度限制;通过对降雨时间、降雨强度以及冲蚀堆积体体积进行三维拟合,发现三者幂函数曲线的拟合较好。     

黄土边坡降雨入渗规律试验

为研究降雨对边坡稳定性的影响,利用人工模拟降雨装置和路堤土工模型,进行了不同初始含水量和不同降雨条件下黄土路堤边坡湿润锋和入渗率的试验,探索了黄土路堤降雨入渗过程,分析了黄土路堤边坡稳定性对降雨历时和降雨强度的敏感程度及入渗变化规律.结果表明:雨水入渗路堤土呈先快后慢的趋势,湿润锋从规则向不规则逐渐转化;入渗率与边坡初始含水量、路基压实度和降雨历时成反比关系,与降雨强度基本无关.     

基于室内试验的降雨型滑坡机理研究

结合福建山区典型降雨型滑坡特点,建立室内人工降雨滑坡试验模型,从降雨强度入手,模拟降雨型滑坡的发生过程,探求降雨强度对降雨型滑坡的影响机理.利用有限元法建立考虑滑坡因子的数值模型,进行渗流和稳定性分析,得到降雨强度与滑坡启动时间的关系公式,数值仿真结果与试验结果基本一致,所得结果有益于降雨型滑坡机制的深入研究.     

考虑降雨中心的遥测降雨三步修正

分析流域降雨的分布规律,在遥测三步降雨误差抗差修正的基础上,进一步改进降雨中心的权函数,提出考虑降雨中心的抗差修正方法.运用闽江七里街流域1988~1998年45场洪水的暴雨资料,比较考虑降雨中心和不考虑降雨中心2种方法的修正结果和探测效率,结果表明,考虑降雨中心的方法增强了修正结果的稳定性,提高了实时洪水预报的精度.     

降雨条件下饱和-非饱和土坡的渗流分析

运用饱和-非饱和渗流有限元法模拟降雨条件下饱和-非饱和土坡暂态渗流场的变化情况,分析降雨强度、降雨历时以及土壤饱和渗透系数等参数对非饱和土坡基质吸力的影响.分析结果表明:当饱和渗透系数较大、降雨强度小时,降雨入渗充分,孔隙水压力梯度变化大;饱和渗透性小时,降雨影响的深度变浅,基质吸力逐渐丧失;降雨初期,孔隙水压力梯度变化最明显,在降雨8 h之后,基质吸力完全丧失,对于土坡稳定安全不利.     

前期降雨作用下边坡滑坡模型试验

为研究前期降雨对边坡稳定性的影响,基于云南省龙江水电站近坝库岸边坡滑坡区实测降雨资料,通过自行研制模型试验装置,进行前期降雨作用下室内边坡滑坡模型试验,分析前期降雨作用下的边坡滑坡特性。研究表明:前期降雨作用是引起边坡滑坡的主要因素,由于前期降雨作用下雨水在边坡坡面进行了充分入渗,导致边坡土体强度减小,引起非饱和土中基质吸力丧失或减小,再次降雨极易引起边坡滑坡;前期降雨作用引起边坡滑坡类型为浅层牵引式滑坡。     

小尺度空间自然降雨的均匀性分析

为了给降雨发生装置的均匀性指标提供参考,依据模拟降雨均匀性的测试方法,进行了1 m×1 m小尺度自然降雨的均匀性实验和风对自然降雨均匀性的影响实验,并对各项指标进行了评估。结果表明:在小尺度范围内,自然降雨过程的空间均匀性较好,4个均匀性指标之间具有较好的一致性,其中均匀度系数CU≥98%,降雨面离差系数C≤0.02,降雨不均匀系数η≥0.96,降雨比值系数α≥1.03;风会导致测试区域内降雨量测量值偏小,但是其对小尺度空间降雨事件的均匀性影响较小,因此,消除风的影响对自然降雨的小尺度空间均匀性的提高并不显著,但是能够显著减小测试点的随机偏差。     

基于雨滴谱函数的降雨动能理论计算模型

降雨动能是刻画降雨侵蚀能力的一个重要指标，广泛地应用于土壤侵蚀模型研究. 基于大量试验观测资料所给出的降雨动能与降雨强度的经验关系，受观测手段和条件的限制，难以普适推广使用. 文中结合试验资料分析，研究和建立了基于雨滴谱函数和雨滴终点速度的降雨动能理论计算模型，并给出了体积比动能和时间比动能的理论计算方法. 结果表明：在降雨强度近似不变的条件下，降雨动能与降雨强度间更符合幂函数关系；通过改变雨滴形状参数，可以计算不同类型的降雨动能. 通过与其他研究者根据实测资料所得的经验公式的对比分析表明，对于不同地点和不同类型的降雨动能，本计算模型都可以给出十分接近的理论估算，并且地形和风对降雨动能的影响也可以被有效地考虑.     

降雨对非饱和土路基含水量的影响分析

降雨对非饱和土路基的含水量具有较显著影响。基于路基内部水运动原理,分析了降雨对路基的浸润作用;研究IEM和FDEM降雨模型雨水入渗路基机理,导出了降雨作用下雨水入渗路基深度公式;研究了降雨作用下非饱和土路基的饱和一非饱和流,基于一般渗流方程,初步推出了降雨作用下非饱和土路基的饱和一乍饱和渗流公式。分析结果表明,降雨作用下的路基渗流的深度可达100.0cm以上,含水量的变化可达15％。     

滇中3种林冠层对降雨的再分配作用

 与云南松林、常绿阔叶林比较,对滇中区域桉树林的林冠层对降雨的再分配特点进行研究.结果表明,不同植被类型降雨再分配比率受到自身特性与环境影响较大.场降雨与连续降雨的降雨再分配比率不同;场降雨事件中,云南松林的林冠截留率较大;除云南松林在降雨量和雨强较小时,树干茎流比率较小,达到2.40%以外,穿透降雨和树干茎流的分配比率接近;连续降雨事件发生时,3种群落林冠截留、穿透降雨和树干茎流分配比率一致,穿透降雨量、茎流产生量与降雨量成正相关,林冠截留趋于恒值.     

北京市通州区降雨时空特征分析

利用1973 — 2018年通州区17个气象站的逐日降雨数据，统计小、中、大、暴雨4个等级降雨发生频次和降雨累积值，分析不同等级降雨空间分布特征；采用百分位阈值法、滑动平均法等方法，分析极端降雨阈值及时空演变规律. 结果表明:1）通州区降雨95%阈值范围为44.1~50.2 mm，99%阈值范围为74.5~93.5 mm，99%阈值更能体现极端降雨事件.2）99%阈值的极端降雨发生在6 — 9月，主要在8月上旬、7月下旬、6月底7月初. 宋庄镇北部和西集镇东部较易发生极端降雨事件；副中心范围内的张家湾镇北部和潞城镇西北部较易发生极端降雨事件.3）极端降雨发生的频次整体呈减小趋势，北部和东部呈上升趋势，西南地区呈下降趋势，在空间上有明显的分界线.4）西集镇东部极端降雨频次、极端降雨量和极端降雨量贡献率不仅处于较高值，而且年际变化呈上升趋势，应为重点关注区域.      

近56年来中国四季降雨事件演变特征的空间差异分析

全球气候变化背景下不同季节降雨及其贡献率的空间分异特征是学界关注的焦点问题之一。本文采用535个站点的日值降水数据分析了1961-2016年中国四季降雨的空间差异性。结果表明：①中国四季降雨雨量和雨日具有明显的“东南高-西北低”的空间分异特征,而中国四季降雨雨量和雨日贡献率的空间格局相比前者差异较大。②在变化趋势上,中国四季降雨雨量和雨日及其贡献率在冬季增加趋势最明显,夏季减少趋势最明显。在波动特征上,中国四季降雨雨量和雨日及其贡献率波动特征在冬季最大,夏季最小。③不同季节降雨雨量和雨日的差异表明季风边缘区是中国四降雨的重要分界线。四季降雨雨量和雨日贡献率的差异特征与前者相比差异较大。降雨贡献率有助于深化认识全球气候变暖背景下的降雨变化特征。     

降雨入渗的边坡稳定评价方法

针对热带与亚热带地区由于降雨引起的边坡失稳,采用数值模拟方法,基于Mein-Larson降雨入渗模型,提出了均质无限长非饱和土边坡在均匀降雨强度下,由于基质吸力的变化,导致土体强度指标的变化,从而发生边坡破坏的条件。结论表明,在降雨强度大于土壤的饱和渗透系数并且降雨持时满足一定的时间下,降雨才可能土坡失稳。     

降雨雨型和强度对土边坡稳定性影响分析

自然界绝大多数滑坡都是在降雨期间发生的.研究降雨诱发滑坡机制具有十分重要的意义.选取南京板桥河某堤段边坡,利用SLOPE/W和SEEP/W耦合进行土坡稳定性分析.通过建立不同降雨雨型和降雨强度影响下的土坡仿真模型, 并对暂态渗流场进行相应的数值计算,分析了不同降雨雨型和强度对土坡稳定性的影响.计算结果分析表明:(1)边坡安全系数随降雨雨型的变化而变化;(2)降雨持时相同,边坡安全系数随降雨强度增大而降低;(3)只有经过一定的降雨持时,安全系数才会明显变化.     

前期降雨对非饱和覆盖层边坡性状及稳定性的影响

基于非饱和渗流及非饱和抗剪强度理论,以前期降雨强度为变量,对考虑前期不同降雨强度下的边坡体积含水率、有效应力场、位移场以及边坡稳定性变化过程进行数值模拟分析,得到前期降雨强度变化对覆盖层边坡性状以及稳定性的影响。研究结果表明:前期降雨强度越大,无差别降雨作用后边坡各位置含水率越大,对边坡最终含水状态起决定性影响的是前期降雨强度;无差别降雨过后,边坡相同位置的有效应力与前期降雨强度成反比,边坡深部有效应力下降幅度较小而边坡坡脚处有效应力下降幅度较大,边坡坡脚处位移与前期降雨强度呈正比;无差别降雨过后,边坡安全系数随着前期降雨强度的增大而减小,前期降雨对边坡稳定性的影响主要表现在前期降雨强度越大,边坡初始安全系数越小。     

降雨特性对滑坡孔隙水压力影响的试验研究

【目的】降雨条件是中国诱发滑坡灾害的根本原因,探讨滑坡体内孔隙水压力对降雨特性的响应关系是揭示滑坡成灾机制的关键环节。【方法】递增型降雨和中峰型降雨是重庆境内诱发滑坡灾害的主要降雨型式,据此采用模型试验方法分析滑坡体内孔隙水压力对降雨特性的响应问题。通过模型试验,得到了滑坡体内孔隙水压力随降雨历时的系列变化曲线。【结果】降雨作用下滑坡体内孔隙水压力的变化过程可分成缓变阶段、激增阶段和稳定阶段,且仅在激增阶段后期和稳定阶段时滑坡体才达到饱和状态;递增型降雨条件下各测点记录的孔隙水压力峰值点线斜率小于中峰型降雨条件下孔隙水压力峰值点线斜率,表明中峰型降雨更易使滑坡体达到饱和状态;滑坡表面的裂缝可显著影响降雨入渗特性,裂缝以下部分滑坡体更易发生变形和破坏;运用非饱和土力学理论对试验结果进行了科学解释。【结论】研究成果对于进一步研究降雨对滑坡稳定性的量化作用有积极意义。