流域水文模型的参数全局敏感性分析

基于LSPC构建内蒙大佘太流域水文模拟模型, 利用Morris和Sobol两种全局敏感性分析方法, 识别水文敏感参数及敏感下垫面类型, 评估不同敏感性分析方法和模型输出度量方法对敏感性分析结果的影响。主要结论如下: 1) 模型对日、月两尺度的径流模拟效果好, 模拟值与观测值的决定系数R²>0.6, 纳什系数NSE>0.5, 说明LSPC模型适用于对内陆干旱半干旱地区的流域水文模拟; 2) 两种敏感性分析方法对参数敏感指数排序和敏感参数识别均有影响, 而MAE和MSE两种度量方法的影响主要体现在敏感参数识别方面; 3) 敏感水文参数为下层土壤含水量(LZSN)和地下水蒸发系数(AGWETP), 敏感下垫面类型为草地、耕地、林地和水域, 与大佘太流域的降水和土地利用类型有关。     

常州市不同下垫面污染物冲刷特征

为研究城市硬化下垫面降雨径流对污染物的冲刷特征, 选取常州市5类典型硬化下垫面, 采样监测2015年3-8月期间6场降雨径流及污染物浓度变化过程, 得到以下结果。1) 地面径流污染物EMC均值高于屋面径流; 地面径流SS和COD浓度超过水质标准Ⅴ类1.34倍和2.59倍; 屋面径流COD和TN浓度超过水质标准Ⅴ类1.8倍和 2.6倍。屋面径流中溶解态COD和TN分别占全量的72.78%和57.99%; 地面径流溶解态TN占全量的61.59%。2) 径流初期污染严重, 随着降雨过程逐渐降低, 最终趋于稳定。各下垫面污染物初期浓度从大到小依次为水泥地面、沥青地面、铺装地面、平屋面、斜屋面。冲刷过程中, 随雨强增大, 各下垫面污染物浓度升高, 呈波动式变化。各下垫面污染物均有冲刷初期效应, 下垫面初期冲刷强度从强到弱依次为平屋面、斜屋面、水泥地面和沥青地面。前期降雨强度越大, 污染物初期浓度越大, 初期效应越显著。降雨强度为大雨时, SS 浓度呈指数型衰减。降雨强度为小雨时, SS浓度先稳定, 随着降雨变密集开始逐渐减小。降雨强度为暴雨, 但降雨过程集中在中后期时, SS浓度呈先增大随后减小的趋势变化。3) 指数冲刷模型对屋面和水泥地面污染物径流冲刷模拟效果较好, 斜屋面、平屋面、水泥地面全量污染物冲刷系数分别为0.871, 0.765和0.025 mm⁻¹, 屋面冲刷强度远大于地面。斜屋面溶解态COD与颗粒态COD冲刷系数相近, 冲刷强度大。平屋面、水泥地面的颗粒态COD冲刷系数均大于溶解态COD, 颗粒态COD冲刷强度更大。     

典型山地城市雨水径流污染负荷时空分布

为了了解山地城市雨水径流污染特征,选取坡度大、绿地比率高的典型山地区域,研究在各降雨等级条件下、不同下垫面的初期雨水污染物时空分布特性及不同污染物指标间相关性。结果显示：径流污染在降雨初期有最大值,其后各污染指标随时间变化迅速下降,且雨强越大趋势越明显;不同下垫面初期雨水径流水质优劣顺序为砖石>硬化铺装>绿地,不同雨强初期雨水径流水质优劣顺序为中雨>大雨>暴雨;研究区域内地表径流中总氮(TN)主要以溶解态输出,总磷(TP)则以颗粒态输出;绿地的产流中颗粒态氮磷要显著高于其他下垫面,暴雨下雨水径流中颗粒态氮磷也显著高于其他雨强;在不同雨强及下垫面条件下,悬浮颗粒物(SS)与高锰酸盐指数(COD_Mn)、TP、TN、溶解性总磷(TDP)、溶解性总氮(TDN)均高度正相关。说明山地型绿地存在一定水土流失情况,污染负荷较集中于初期雨水中,而且随雨强增大更加明显,SS对各污染物浓度的变化具有显著影响。因此,控制初期雨水中SS含量是降低山地城市雨水径流污染物含量的有效途径。     

北京校园区降雨径流产污特性及其对水环境的影响

城市降雨径流产生的非点源污染是城市水污染的重要来源。该文以北京清华大学校园区为例,研究校园区的降雨径流污染特征及其对水体环境的影响。选取校园内道路、屋顶和绿地等不同的下垫面类型,采用天然降雨径流取样和人工降雨实验相结合的方式,对降雨径流的水质进行了化验分析,得到不同下垫面的降雨径流水质特性。结果表明:屋顶和道路径流以氮素污染为主,绿地径流以总磷TP和化学需氧量COD污染为主;通过降雨前后河道水质检测,分析了地表径流对河流水体环境质量的影响;最后对比分析了绿化屋顶和普通屋顶的径流水质表明,绿化屋顶具有较好的减污效果。     

广州城区雨水径流非点源污染特性及污染负荷

以广州市新河浦社区部分排水区为研究对象,将研究区域划分为居住区、马路、草地3种典型下垫面,在各典型下垫面分别进行若干场雨水径流水质监测,主要分析雨水径流中的化学需氧量(COD)、生物需氧量(BOD5),以及总悬浮物固体(TSS)、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮等污染物的浓度,探讨TSS和COD的相关性,揭示污染物的时空变化规律和径流的初期冲刷效应。基于暴雨径流管理模型(SWMM)建立了研究区域降雨径流非点源污染的模型,根据研究区域的水质监测资料率定模型参数,结果表明:水样中TSS和COD的相关性不明显;居住区、马路存在较为明显的初期冲刷效应,草地的初期冲刷效应不如居住区和马路明显;所建立的非点源污染模型具有较高的精度,利用该模型分别模拟不同重现期、不同降雨类型及不同下垫面类型的非点源污染负荷,所得负荷量结果较为合理,可以为城市雨水径流非点源污染的控制提供参考依据.     

秦淮河流域典型排涝泵站前池水质与降雨特征响应关系

为分析排涝泵站前池水质与降雨特征的响应关系,对南京市城区秦淮河沿线2个排涝泵站前池水质以及降水量开展高频在线自动监测,结合回归树方法分析了不同降雨强度、前期干旱时间条件下排涝泵站前池水质变化规律,探讨了不同类型排涝泵站前池水质的主要影响因素。结果表明:晴雨天均有生活污水汇入的A泵站前池氨氮质量浓度在大雨强下降低,中雨强下先升高后降低,小雨强下平缓上升,A泵站前池污染物质量浓度主要受降雨强度和次降水量影响;主要接收降雨径流,雨量大时有生活污水溢流汇入的B泵站,前池污染物质量浓度在大雨强下先升高后逐渐降低,中雨强下降低,小雨强下变化不大,B泵站前池水质主要受次降水量、前期干旱时间和降雨强度影响;2个泵站前池CODMn质量浓度变化与降雨的响应规律相似,但更多受到与前期干旱时间关联的地表径流冲刷作用影响;连续降雨均导致泵站前池氨氮质量浓度和CODMn质量浓度波动变化较大,而前期干旱时间越长,降雨发生后泵站前池水质越差。     

海绵城市雨洪控制中雨水径流水质变化规律分析

在充分利用水资源的理念下,对海绵城市某公司不同取样点的雨水水质进行检测。介绍了研究区域的详细情况,给出雨水采集方法、实验方法和水质指标检测方法。选择研究区域4个不同下垫面的屋面和路面作为雨水取样点,分析了雨水径流水质随降水时间的变化规律、雨水径流水质随降水强度的变化规律和不同下垫面影响下雨水径流水质变化规律。结果表明,降雨初期雨水污染程度较高,雨洪控制中衡量雨水径流水质指标含量相对较高;随着降雨时间的增加,水质逐渐好转并最终趋于稳定;短时暴雨和强度消耗时长降雨相比,径流污染负荷明显更高;舍弃前10 min的初期径流雨水后,水质明显更好,说明海绵城市雨水利用潜力很高,可作为第二水源。     

降雨径流的多重环境效应研究

为探究地表降雨径流的多重环境效应,选择广州市某校园教学区路面、生活区路面和办公楼屋面3种下垫面对其降雨径流进行监测,分析了微生物量、微生物活性、氮磷以及悬浮颗粒物的变化特征,并探讨了下垫面和雨前干期对微生物的影响、径流中氮磷营养盐的赋存形态以及污染物间的相关性。结果表明：不同下垫面降雨径流的环境效应存在较大差异,应针对其特征制定不同的径流控制对策;下垫面和雨前干期是影响降雨径流中微生物的重要因素,屋面径流微生物量与微生物活性的事件平均浓度EMC是路面径流的3.04倍与2.19倍;溶解态氮和颗粒态磷是降雨径流中营养盐的重要输出形态,降雨初期氮磷污染物浓度较高,随降雨时间延长浓度逐渐下降并趋于稳定值;随降雨径流迁移的主要是小于100μm的颗粒物,相关性分析表明TSS与TP、COD_cr呈显著正相关,去除悬浮物是控制降雨径流污染的有效途径。     

基于Budyko假设的三江源径流变化特性及量化分离

根据1956—2012年气象和水文站点的降雨、气温、蒸发等实测和相关数据,采用线性趋势法、非参数MannKendall法和Spearman法,分析了三江源地区降雨、气温、NDVI(归一化植被指数,normal difference vegetation index)和径流变化特征,并采用基于Budyko假设的互补关系权重因子法量化分离气候和下垫面对径流影响。结果表明,长江源和澜沧江源降雨量呈显著增加趋势,三江源气温呈显著增加趋势,黄河源NDVI呈显著增加趋势。长江源、黄河源和澜沧江源径流量10年变化幅度分别为6.54亿m³、-2.05亿m³和1.54亿m³。所使用的互补关系权重因子法不仅可以准确地计算出径流年均值的变化,并且量化分离时无需假定气候和下垫面变化对径流变化具有相同的贡献特征。总体来说,长江源、黄河源气候和下垫面变化对径流的影响为正贡献;但是澜沧江源α(权重因子)等于1.0时下垫面变化对径流的影响为正贡献,而α为0.5和0时下垫面对径流的影响为负贡献。长江源、黄河源和澜沧江源气候变化对径流的贡献分别为55.21...     

降雨径流的多重环境效应

为探究地表降雨径流的多重环境效应,选择广州市某校园教学区路面、生活区路面和办公楼屋面3种下垫面对其降雨径流进行监测,分析了微生物量、微生物活性、氮磷以及悬浮颗粒物的变化特征,并探讨了下垫面和雨前干期对微生物的影响、径流中氮磷营养盐的赋存形态以及污染物间的相关性。结果表明:不同下垫面降雨径流的环境效应存在较大差异,应针对其特征制定不同的径流控制对策;下垫面和雨前干期是影响降雨径流中微生物的重要因素,屋面径流微生物量与微生物活性的事件平均浓度EMC是路面径流的3.04倍与2.19倍;溶解态氮和颗粒态磷是降雨径流中营养盐的重要输出形态,降雨初期氮磷污染物浓度较高,随降雨时间延长浓度逐渐下降并趋于稳定值;随降雨径流迁移的主要是小于100μm的颗粒物,相关性分析表明TSS与TP、CODcr呈显著正相关,去除悬浮物是控制降雨径流污染的有效途径。     

华北平原区典型下垫面退水过程研究

以位于邯郸永年区的河北工程大学降雨-径流-灌排试验场为依托,进行数场人工模拟降雨试验,分别探讨了华北平原区典型下垫面河道径流、地表径流和各层壤中流出流的退水特征。对各种出流方式对比结果表明, 河道径流和地表径流在降雨停止后迅速消退,且很快退水完毕;壤中流退水往往在地表径流退水的后半程开始,其退水历时最长, 流量最小。影响因子分析表明, 降雨强度对退水流量的影响比较明显地表现在河道径流方面,即随降雨强度的加大,河道径流的退水流量呈幂函数上升趋势;降雨量对各层壤中流总退水流量的影响显著,即随着降雨量的增大,壤中流退水流量呈幂函数增大趋势;降雨历时对各种方式的退水流量影响均不明显。雨强还影响退水流量在总径流量中的分配比例,河道径流、地表径流、壤中流1和和壤中流2出流的退水流量分别占总流量的0.72%、8.6%、1.71%和0.19%,退水流量占总流量的12.31%。当雨强小于2mm/min时,随着雨强的增大地表径流退水流量所占比例呈直线增加趋势,但当雨强增加到2mm/min以上之后,地表径流退水流量所占比例反而下降了;随着雨强的增加,壤中流总退水流量所占比例呈对数函数逐渐下降的趋势。计算结果表明, 该区退水常数可以分河道径流、地表径流退水和壤中流退水2类, 其数次降雨平均值分别为 0.85 和 0.95。这一结果为进一步研究水文过程乃至流域尺度的退水过程提供了借鉴。     

PSO-MLP模型预测降雨对府河氨氮的影响

为研究白洋淀上游的保定市区降雨径流对府河水质的影响,采用府河2019年、2020年的常规水质监测数据,基于粒子群算法(particle swarm optimization, PSO)和多层感知机(multi-Layer perceptron, MLP)建立PSO-MLP水质预测模型。分别使用PSO-MLP、MLP、一维水质模型进行对比预测。结果表明：与一维水质模型相比,PSO-MLP平均绝对误差减少64.5%～74.7%;与MLP模型相比,PSO-MLP平均绝对误差减少6.6%～12.6%。选取2021年7月的一次典型降雨对府河膳马庙、安州和南刘庄3个控制断面进行预测,表明PSO-MLP泛化能力更强,预测误差更小,优于一维水质模型和MLP模型。所建立的府河PSO-MLP水质预测模型,可以提前4 h准确预测府河各断面氨氮浓度,平均绝对误差小于0.3 mg/L,可应用于保定市区降雨径流对府河水质污染的预测预警,避免降雨径流通过府河影响白洋淀水质。     

Characteristics of surface runoff in a sandy area in southern Mu Us sandy land

To better understand the key role of biological soil crusts (BSCs) in redistribution processes of limited water resources in semi-arid sandy ecosystems, surface runoff over BSCs in a sandy area in the southern Mu Us sandy area was observed in this study. The results indicated that runoff occurred twice among six rainfall events during the experimental period. Runoff yields varied among types of BSCs, and that they increased in the following order: light algae crusts, dark algae crusts and moss crusts. These findings showed that runoff yields were increasing with the development of BSCs. The percentage of runoff in individual rainfall events increased from light algae crusts to moss crusts, which indicated that the redistribution ratios of different types of BSCs differed. Surface runoff of BSCs may be influenced by rainfall, rain intensity, degree of water saturation of the BSCs before the rain and degree of development of BSCs. Formation of BSCs on the surface of sand dunes changed the spatial distribution pattern of water in this semi-arid sandy ecosystem, which increased the heterogeneity of resources such as water and nutrients. Therefore, making appropriate disturbances of BSCs during storm season is beneficial to maintaining the balance of natural resources in the semi-arid sandy ecosystem.     

高速公路边坡水土流失机理与养护管理研究

对重庆市梁忠高速公路填方路基边坡土壤开展室内模拟降雨试验,分析不同降雨强度和坡度条件下坡面产流和产沙的规律;结果表明:在0. 6 mm/min、0. 9 mm/min、1. 2 mm/min降雨强度条件下,起始产流时间随坡度呈减小趋势,当土体坡度一定时,起始产流时间不断减小,地表径流强度随着降雨强度的增大而增大;当降雨强度一定时,土体的起始产流时间随土体坡度增大逐渐减小,从而反映出地表径流强度不断增大;降雨强度对土壤侵蚀的临界坡度有一定影响,但两者具体变化关系需进一步研究。另外,通过高速公路边坡水土流失机理进行了研究,展开了高速公路边坡水土流失主要诱因分析,提出了科学的高边坡的养护管理措施。     

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。