基于SWAT模型的淮河上游流域设计洪水修订

变化环境下洪水序列的一致性遭到破坏,引发基于统计原理计算的设计洪水可靠性下降,亟需开展非一致性条件下的设计洪水修订研究.以淮河上游流域为研究区域,运用Pettitt检验法和滑动t检验法综合检测年最大洪峰流量序列突变点,在此基础上,采用SWAT分布式水文模型对变异前的洪峰与洪量序列进行还现,利用径流深的模拟结果修订设计洪水,并对修订后的洪水序列进行频率分析.结果表明:(1)淮河上游息县和淮滨站年最大洪峰流量呈现不显著的减小趋势,王家坝站则表现出不显著增加趋势,1991年为各站年最大洪峰流量序列的突变点;(2) 3个水文站率定期和验证期的确定性系数(R2)和Nash-Sutcliffe效率系数(NSE)均满足适用性要求,其中流域出口王家坝站率定期R2、NSE分别为0.77和0.79、验证期分别为0.72和0.74,模拟精度较高;(3)淮河上游流域洪水设计值较修订前略有减小,其中,洪峰流量减小幅度平均值在3.3%～6.1%之间,淮滨站的减小幅度最大;不同时段洪量的减小幅度平均值在1.4%～2.7%之间,整体修订幅度小于洪峰流量的修订幅度,并且洪量的时段越长,修订幅度越小;随着重现期的增大,各洪水指标的修订幅度逐渐减小.本研究对于变化环境下的淮河流域水利工程规划和防洪减灾具有重要意义.     

基于鲸鱼优化算法的长短期记忆模型水库洪水预报

洪涝灾害是世界主要自然灾害之一,优化洪水预报方案对防洪决策至关重要,然而传统水文模型存在参数多、调参受人为因素影响,泛化能力弱等问题。针对上述问题,本文提出基于改进的鲸鱼优化算法和长短期记忆网络构建自动优化参数的WOA-LSTM模型,通过优化神经网络结构进一步增强该模型的稳定性和精确度,并且建立不同预见期下的洪水预报模型来分析讨论神经网络结构与预报期之间的关系。以横锦水库流域1986—1997年洪水资料为例,其中以流域7个雨量站点的降雨以及横锦站水文资料为输入,不同预见期下洪水过程作为输出,以1986—1993年作为模型的率定期,1994—1997年作为模型的检验期,研究结果表明:(1)以峰现时差、确定性系数、径流深误差和洪峰流量误差作为评价指标,相比较于LSTM模型和新安江模型对检验期的模拟结果表明WOA-LSTM模型拥有更高的精度、预报结果更稳定;(2)结合置换特征值和SHAP法分析模型特征值重要性,增强了神经网络模型的可解释性;(3)通过改变神经网络结构在一定程度避免由于预见期增加和数据关联性下降而导致的模型预报精度下降的问题,最终实验表明该模型在预见期1~6 h下都可以满足横锦水库的洪水预报要求,可以为当地的防洪决策提供依据。     

大渡河猴子岩水库入库洪水过程预报-实时校正-概率预报集成

与传统确定性预报相比,洪水概率预报能够为防洪调度决策提供更为丰富的信息。以大渡河猴子岩水库以上流域为研究区,建立新安江次洪模型,并采用动态系统响应曲线进行实时洪水预报校正。在确定性预报校正基础上,建立基于水文不确定性处理器（HUP）的次洪概率预报模型,定量分析预报不确定性,实现入库洪水概率预报。结果表明：(1)利用猴子岩流域2009 2019年水文气象资料,建立的新安江次洪模型整体精度较高,率定期和验证期的洪量和洪峰相对误差均在±20%以内,平均确定性系数分别为0.69和0.72;经动态系统响应曲线校正后,洪峰和洪量误差均有降低,率定期和验证期的确定性系数分别提高0.13和0.09。(2)以2020年3场洪水未来48 h预报降雨为输入,新安江模型预报精度不高,且随着预见期增长而降低,但经动态系统响应曲线校正后,整体预报精度有所提高,洪量相对误差减小幅度超50%,确定性系数提高幅度超60%。(3)HUP次洪概率预报模型提供的分布函数中位数Q50的预报精度在一定程度上优于校正后的确定性预报;提供的90%置信区间覆盖率均在90%左右,离散度均在0.40以下,能以相对较窄的区间覆盖大部分实测值...     

基于Copula函数的连河通江湖泊防洪安全设计:以洪泽湖为例

湖泊作为一种蓄水单元,尤其是大型过水性湖泊,是一种典型的平原型水库,在功能上与山谷型水库具有许多相似之处,但由于其特殊的地理地形构造,使得入湖洪水过程与入库洪水过程存在着较大的差异.在防洪安全设计研究中,山谷型水库关注的多是坝址洪水,即总的入库洪水过程,而对于湖泊来说,还需要关注各个分区的入湖洪水过程对湖区洪水演进的影响.针对大型过水性湖泊入湖洪水特征,本文采用Copula函数构造了多个联合分布函数,提出了一套基于总的入湖洪水过程推导各个分区入湖洪水过程置信区间的方法.以洪泽湖为应用实例,结果表明:1)在联合重现期已知的情况下,该方法能够确定总入湖洪量与洪峰的95%置信区间;2)该方法通过径流相关性分析对入湖河道合并聚类,形成分区入湖过程,既考虑了河道间天然的水文、水力联系,又避免了联合分布函数维度过高的问题;3)在总入湖洪量已知的情况下,该方法能够确定各分区入湖洪量分配95%置信区域.该方法具有较强的统计理论基础,拓展了多变量洪水频率分析技术在水利工程实际中的应用范围.     

基于EFDC模型的深圳水库富营养化模拟

基于EFDC模型构建了深圳水库三维水动力和富营养化定量模拟模型.分别用2009年和2010 2011年流量、水位和水质等观测数据对模型进行了校正和验证,准确地反映了深圳水库的水动力和水质变化过程.在此基础上,假定支流污染截排、水库调度和降低东江引水污染负荷3种情景进行深圳水库富营养化数值模拟,3种情景下库中Chl.a峰值浓度分别降低1.0%、16.4%和46.3%,平均浓度分别降低1.3%、29.8%和29.9%.深圳水库具有良好的交换能力,尚未出现水华暴发,但入库营养盐负荷高,存在较大的富营养化风险;在目前沙湾河污水已经截排的基础上再实施支流污染控制,对水质改善和藻类控制作用已不明显;水库调度和削减东江引水污染负荷对深圳水库水质和富营养化改善明显,能够有效降低水华发生的风险.     

河道型水库水动力特征与气候条件的响应关系

气候条件(降雨、气温)的变化对流域内水资源、河道、湖库的径流影响较大.河道型水库由于具有河道和湖泊的双重特点,受气候条件的影响则更为显著.本文以广东省梅州的河道型水库——长潭水库为例,耦合流域分布式水文模型SWAT与环境流体动力学模型EFDC,研究了河道型水库水动力特征(以水龄表征)与气候条件的响应关系.根据梅县气象站1953-2010年共58年的年均降雨量资料的频率分析,选取降雨量保证率分别为20%(丰水年)、50%(平水年)和90%(枯水年)年份的气候条件作为3种气候方案,对应的典型年分别为1992、1988和2004年,并将各典型年的日均降雨量和气温作为SWAT水文模型的输入条件,模拟了进入长潭水库各主要支流的日均变化过程.并将该流量过程作为长潭水库库区水动力模型的入流边界,模拟了各种降雨典型年情景下长潭水库的水动力变化过程.结果表明,长潭水库库区水龄沿程逐渐增大,呈指数增长的趋势,且受气候条件的影响很大.与丰水年相比,平水年、枯水年年降雨量分别减少了14%和49%,入库径流分别减少了23%和62%,水库出库坝址附近水龄分别增大了66%和247%,支流区域水龄增幅可达81%和290%左右,可见水库水动力特征受气候条件影响很大,而支流区域受气候条件影响更显著.不同气候条件下,河道型水库分别呈现出河道和深水湖泊的双重特性.丰水年时,坝址附近垂向上水体交换频繁,水龄均匀,呈现出河道的特性;平水年与枯水年时,坝址附近水体垂向交换较弱,逐渐呈现出深水湖泊的垂向分层特性.另外,流域分布式水文模型SWAT与环境流体动力学模型EFDC的联用,为弥补历史长系列高频监测资料的缺失,提高湖库水动力模型模拟的精度提供了有效的方法.     

东南沿海水库下游地区基于动态模拟的洪涝风险评估

我国东南沿海地区大多为一些中小流域,这些流域上游多建有水库工程,下游则为人口稠密的平原区,流域调蓄能力小,汇流时间短.同时,随着近年来城镇化快速发展,洪涝风险不断加大.因此,迫切需要开展水库下游不同暴雨重现期下的洪涝风险评估研究,以便为防洪决策提供技术支撑.为此,本文利用遥感、GIS、水文水动力学模型等相关技术方法,建立洪涝动态模拟模型来评估洪涝危险性;采用层次分析法和因子叠加法,从洪涝危险性和洪涝易损性两方面开展洪涝风险综合评估分析.研究表明,通过多学科与多技术手段相结合方法,来模拟预测不同暴雨重现期洪水动态淹没过程,再结合相关社会经济属性,可以有效地评估研究区洪涝灾害的风险,从而为水库调度及流域防洪减灾提供有力支撑.     

中国水库生态学研究的回顾与展望

水库是通过人工筑坝形成的水体,其早期功能主要是防洪、发电、灌溉和航运等,但随着全球水资源供需矛盾的加剧,水库供水成为缓解供水压力的最主要途径.水坝是人类影响地球表面水体最重要的工程建筑,筑坝修建水库利用水资源对全球水环境系统产生了巨大的影响.中国是水资源短缺的国家,水库供水在国民经济发展中发挥着重要作用,大量水库的建成也对我国水环境系统产生了多方面的影响.刘建康先生在1955年发表了我国水库生态学研究的第一篇论文,揭开了我国水库生态学研究的序幕.我国水库生态学大致分为三个阶段,1955-1975年的起步阶段、1976-2000年以水库渔业生产为目标的研究阶段和2001年至今以水库水质管理为目标的研究阶段.当前,水质、水质模拟、富营养化、环境容量和生态调度等已成水库生态学研究中的关键词.我国水库研究主要集中在珠江流域和长江流域,以大型供水水库为对象.在水利学科领域,有大量有关水库水文、水动力学和调度的研究论文,这些工作还未能被以生物和化学为研究基础的生态或环境科学的学者所重视.多数以水库为对象的生态学研究还没有很好地体现水库作为人工湖泊的特殊性.近10年来,中国水库生态学经历了从任务导向到学科导向的生态学研究过渡,有不断增加学科交流的趋势.有理由相信,作为水库大国,中国水库生态学和湖沼学今后将会有一很大的发展,并对我国淡水生态学和湖沼学作出重要的贡献.     

栅格新安江模型在天津于桥水库流域上游的应用

栅格新安江模型是在概念性新安江模型的理论基础上,以栅格为计算单元,结合地形地貌和下垫面特性构建出来的水文模型.在于桥水库流域上游的水平口流域应用栅格新安江模型,研究该地区洪水要素的空间变化以及洪水形成过程,讨论洪水模拟效果来验证模型在半湿润地区的适用性.选取水平口流域1978-2012年的洪水进行模型计算,模拟结果较好地反映了流域产流面积的时空变化,且均达到乙级以上精度.初步表明栅格新安江模型在半湿润地区有较好的适用性.     

太湖1889洪水年的流域水文模拟

由于受到水文观测资料时间短的限制,目前难以认识百年遇机率的极端洪水.为此,本文根据19世纪末历史文献的洪水灾害记录,利用流域水文模型,对太湖1889洪水年的流域产流、入湖汇流等水文特征和过程进行模拟.本研究设计了三套模拟实验:首先在现代气候控制实验基础上对1988-2002年时间系列和特大洪水年进行水文模拟和模型率定校验;其次,采用长江下游19世纪末的气候观测资料驱动,对极端年份1889年逐日洪水过程模拟;最后,为减少1 a洪水年模拟的不确定性,还采用蒙特卡罗Bootstrap法模拟了15 a的流域气候场,在5475 d样本下进行特征年份的水文模拟.模拟结果表明,1889年洪水期间产流在当年6月底达到最大,1%频率的径流深达8.6 mm/d,95%CI的误差在-2.94～3.26 mm/d之间.汇入太湖径流同期达到最大,1%频率的洪水流量达到1286.9 m3/s,95%CI的误差在-128.3～165.7 m3/s之间.根据洪水Log-Normal概率分布,计算1889洪水年的重现期为149 a.经Bootstrap法对误差置信区的模拟,95%CI检验在70～175 a间的重现期可信.该研究为延长20世纪洪水序列、拓展对百年时间尺度的特大洪水的认识提供了动力学模拟方面的科学依据.     

A Monte Carlo study of rainfall forecasting with a stochastic model

A procedure for short-term rainfall forecasting in real-time is developed and a study of the role of sampling on forecast ability is conducted. Ground level rainfall fields are forecasted using a stochastic space-time rainfall model in state-space form. Updating of the rainfall field in real-time is accomplished using a distributed parameter Kalman filter to optimally combine measurement information and forecast model estimates. The influence of sampling density on forecast accuracy is evaluated using a series of a simulated rainfall events generated with the same stochastic rainfall model. Sampling was conducted at five different network spatial densities. The results quantify the influence of sampling network density on real-time rainfall field forecasting. Statistical analyses of the rainfall field residuals illustrate improvement in one hour lead time forecasts at higher measurement densities.     

Information for authors

正SCIENCE CHINA Earth Sciences,an academic journal cosponsored by the Chinese Academy of Sciences and the National Natural Science Foundation of China,and published by Science China Press and Springer,is committed to publishing high-quality,original results in both basic and applied research.     

INTERNATIONAL RESEARCH AND TRAINING CENTER ON EROSION AND SEDIMENTATION(IRTCES)

正Director:Shangfu Kuang,China Vice-directors:Chunhong Hu,China Duihu Ning,China Guangquan Liu,China The International Research and Training Center on Erosion and Sedimentation(IRTCES)was jointly set up by the Government of China and UNESCO on July 21,1984.It aims at the promotion of international exchange of knowledge and cooperation in the studies of erosion and     

Calendar of events

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Dynamic process-response model of river channel development

Feedback mechanisms, which operate upstream through drawdown and backwater effects and downstream through sediment discharge are responsible for channel evolution. By combining these mechanisms with channel processes it euables a dynamic process-response model to be developed to simulate the initial evolution of straight gravel-bed channels. When erosion commences on a land surface, sediment entrained in the headwater reach by hydraulic action is selectively transported, deposited and reworked. This produces a damped oscillation between degradation and aggradation as the channel and valley respond to spatial and temporal variations in sediment calibre and hydraulic conditions. The initial cut and fill phases are responsible for valley incision and floodplain development while secondary and subsequent activity can produce river terraces. Eventually sediment entrainment in the headwaters declines as slopes are reduced. Subsequent channel evolution is relatively insignificant because it is dependent on local weathering activity producing material that can be transported on declining slopes. Therefore landforms produced during the initial phase of development, when local weathering was non-limiting, dominate the landscape.