基于降雨入渗的Newmark模型改进及地震滑坡危险性预测研究

滑坡是一种破坏性非常强的地质灾害,其中地震与降雨均为诱导滑坡发生的关键因素。从降雨期间发生地震的角度考虑,基于Green-Ampt降雨入渗模型对Newmark模型进行改进,推导两因素耦合作用下的边坡安全系数F_S。以云南省鲁甸县某一区域为例,分别开展无降雨、降雨无积水与降雨积水三种情况下的地震滑坡危险性预测及坡度与入渗深度因子对位移影响分析。通过比较上述三种情况,得到研究区域内的Newmark累积位移分布及危险性区划。结果表明：与未降雨情况相比,后两种情况下地震滑坡高危险程度区域面积占比计算区域随着降雨时间的增加从1%分别提高至9%、12%,滑坡低危险程度区域面积从51%分别降低至35%、33%;坡度值与入渗深度值越大,滑坡位移越大,危险性越高。Newmark改进模型充分考虑了降雨对地震滑坡产生的促进作用,能更好地反映出研究区每个场点相对的滑坡危险性,对滑坡危险性预测具有一定指导意义。     

鄱阳湖流域径流模型

流域径流是鄱阳湖主要来水,建立鄱阳湖流域径流模型对揭示湖泊水量平衡及其受流域自然和人类活动的影响具有重要意义.针对鄱阳湖-流域系统的特点:流域面积大(16.22×104km2)、多条入湖河流、湖滨区坡面入湖径流等,研究了相应的模拟方法,建立了考虑流域土壤属性和土地利用空间变化的鄱阳湖流域分布式径流模型.采用6个水文站1991-2001年的实测河道径流对模型进行了率定和验证.结果显示,模型整体模拟精度较高.其中,赣江、信江和饶河均取得了较好的模拟结果,月效率系数为0.82-0.95;抚河和修水模拟精度略低,为0.65-0.78.模型揭示了研究时段内年平均入湖径流总量为1623×108m3,其中,赣江最多,占47%,其次为信江和抚河,分别占13%和12%,湖滨区坡面入湖径流约占4%,其余24%来自饶河、修水以及其它入湖支流.模型将用于评估流域下垫面或气候变化引起的入湖水量变化,为湖泊水量平衡计算提供依据.     

我国典型沙漠(地)流动风沙土的深层渗漏量及动态变化

土壤水分是干旱生态系统的重要制约因素,一直是干旱区研究和生态建设的热点和难点问题,对降雨的深层土壤渗漏水量仍缺少定量观测研究.本文采用作者自主研发的YWB-01型土壤深层水分渗漏计量仪对毛乌素沙地等4大沙漠(地)的流动沙地测试记录了降雨入渗到150 cm以下深层土壤的渗漏水量,连续2年的资料表明:(1)降雨的深层渗漏水量自东向西由半干旱区向干旱区递减,其中:乌审旗流动沙地渗漏水总量高达508.4 mm,占同期降雨量58.4%,磴口的渗漏水量为23.8 mm,占降雨量13.9%,而阿拉善左旗和右旗未测试到渗漏水量,但≥25 mm的强降水对干旱和半干旱区流沙地深层土壤水分的渗漏补给具有重要作用;(2)渗漏水量的季节变化与降水的变化趋于一致,但有一定滞后,在降雨量较大地区,二者变化的相似性更强;(3)单次较强降雨在降雨开始的40~55 h后出现一个渗漏水量峰值,渗漏速率增加较快但其减少相对缓慢,持续渗漏过程长达150 h左右,降雨量越大,渗漏水量峰值就越高,渗漏水量所占降雨量的比例也越高;受降雨强度、雨量和历时的共同作用,就低强度、长历时和单次降雨量大的降雨事件更有利于降雨对沙地深层土壤的渗漏补给;(4)受土壤冻融作用的影响,在快速消融期3月份出现一个小的渗漏补给峰值.研究结果对我国干旱和半干旱区沙地水资源的准确评估和合理利用及生态建设具有现实指导意义.     

基于质量平衡的太湖氮、磷自净能力计算

以太湖为研究对象,利用2010年实测的进出太湖的水量和水质资料计算了太湖水体自净能力,在分析河道入湖、降雨、调蓄量等入湖水量水质基础上,探索了基于质量平衡原理的太湖总氮、总磷自净能力计算方法.结果显示,通过考虑出入湖负荷量的方法得到太湖总磷和总氮的自净率约为48%和42%,采用基于质量平衡原理得到太湖总磷和总氮的自净率分别约为52%和49%.另外,还分析了这两种方法的优缺点,提出进一步研究太湖自净能力的工作方向.     

巢湖流域塘西河上游分流制系统降雨径流污染特征及初期冲刷效应

研究城市径流水质变化及初期冲刷效应对控制与治理城市径流污染具有重要指导意义.对塘西河上游6次降雨径流水质水量进行监测分析,计算次降雨径流平均浓度(EMC)和单位面积次降雨径流污染负荷(EPL),作M(V)曲线图研究初期冲刷现象.结果表明:降雨径流中悬浮物(SS)、化学需氧量(CODCr)和总磷(TP)的EMC值相对较大;SS的EMC值波动最为显著;总氮(TN)、TP、COD_(Cr)、SS间的EMC值均呈正相关;TN的EMC值与降雨量呈负相关性.各污染物EPL值与各降雨特征间均呈正相关性,经估算2015年研究区在6-8月共有10.38 tTN、2.29 tTP、1022.43 t SS、161.70 t CODCr和5.18 t NH_3-N随降雨径流排入巢湖;降雨量和雨前干期是城市径流污染的主要影响因素;以FF5050为初期冲刷效应判别依据,5种污染物均有初期冲刷效应出现,冲刷程度表现为SSCODCrTPTNNH_3-N;各水质指标的初期冲刷强度与降雨特征之间无相关性;雨型对初期冲刷现象影响较大;当降雨强度达1.36 mm/h即有径流汇集流出时开始截流,截流时间取440 min,截取的最大径流量取224319.14 m~3.     

北京官厅水库流域农田地表径流生物可利用磷流失规律

在模拟降雨条件下(30-69mm/39min),对官厅水库流域玉米地和休闲地地表径流泥沙和生物可利用磷(BAP)流失进行了初步研究. 累积泥沙产量受雨强、坡度和作物覆盖影响,变幅为305.1-24933.4g/10m2;径流平均颗粒态生物可利用磷(BPP)、溶解态磷(SP)浓度都超出水体允许临界值0.02mg/L,表明流域农田地表径流对库区水体存在潜在污染危害;径流累积BAP流失达0.08-4.804g/10m2,估算的农田径流BAP流失达0.49kg/(hm2.a)以上. 79.7%以上的BAP是颗粒态的. 研究结果有助于采取措施减少农田径流向库区输入生物可利用磷、准确地评估流域农业管理实践对水库水质的影响.     

抚仙湖集水域地表径流入湖水量模拟

采用适用于无资料流域、参数较少的SCS模型计算抚仙湖集水域地表径流量.模型考虑了集水域下垫面条件的空间差异,利用Maplnfo/Arc view软件按照土地利用方式与土壤类型的不同,把集水域划分为若干个水文响应单元,分别计算产流量,较准确地模拟了入湖径流量.通过对梁王河流域和大鲫鱼沟流域实测降雨径流资料的分析与反演,提出了适合该区域的产流计算CN值.在对CN值作坡度修正后再应用到其它无观测数据区域.通过模型计算得到的抚仙湖集水域2005年3月1日-2006年2月28日地表径流量为1.74×108 m3,陆面径流系数为0.395.模型为指导抚仙湖集水域径流观测及入湖污染物负荷的计算提供依据.     

基于土壤墒情抗差的降雨径流预报模型——设计与实验流域应用

本文旨在将实时监测得到的土壤墒情转化为流域水文模型可以直接使用的土壤含水量,论证将实时土壤墒情资料用于实时预报的可行性;利用实时监测土壤墒情,改进传统的模型结构,设计基于实测土壤墒情的降雨径流水文预报模型.采用土壤含水量误差抗差估计技术以抵御观测资料粗差的影响,提高系统的稳定性;并在此基础上提出了土壤含水量系统响应修正方法,以提高模型计算精度.将该模型应用于实验流域——宝盖洞流域进行应用检验,洪水模拟合格率达到92.3%,整体模拟精度达到甲级.     

Mein-Larson入渗模型的改进研究

降雨入渗模型对于降雨型滑坡稳定性的评价是相当重要的,目前常用的降雨入渗模型是Mein-Larson入渗模型,但该模型假定了土体初始含水率沿深度方向为一定值,而实际上土体初始含水率沿深度方向为非线性分布的.考虑到实际的土体初始含水率分布情况,提出了描述土体初始含水率的分布的反比例函数,对Mein-Larson入渗模型进行了改进,并通过有限元数值模拟方法对改进模型进行了验证.结果表明:当降雨入渗在小于2.5 m时,改进模型理论解和数值解存在一定的误差,当降雨入渗在2.5～5 m时,改进模型理论解和数值解基本一致;改进的降雨入渗模型计算结果较Mein-Larson入渗模型更接近数值模拟结果,改进的降雨入渗模型更加完善和可靠,可推广应用到工程实际中.     

太湖北部典型乔木冠层对酸性降雨的中和作用

2003年6—7月梅雨期间,于太湖北部测定大气降雨、典型林冠穿透雨和地表径流水等样品的pH和N、P等营养元素化合物离子浓度,结果表明,林冠层穿透水pH平均值比大气自然降水高约1.2个pH单位,其中和酸性物质效率为82%-97%,中和能力显示出阔叶树大于阔、针叶混交树,阔、针叶混交树大于针叶树的规律,并计算比较了乔木冠层和草坪、村镇地表径流水相对于自然降水中的TN、TP比值.从而得出,树木冠层穿透水中的离子浓度的变化是对酸沉降的一种积极的响应.     

黄土丘陵坡地土壤水分空间分布数学模型

通过野外测定获得黄土丘陵坡地不同土地利用结构的表层土壤水分, 依据影响该区土壤含水量的重要因素是坡度、土地利用、植被覆盖以及地表水的扩散特征, 建立了黄土丘陵坡地的土壤水分空间分布模型. 应用野外测定的土壤水分值进行模型的参数拟合, 采用有限元方法正解模型, 对黄土丘陵坡地土壤水分的空间分布进行模拟, 并与实测值进行了比较. 结果表明, 该模型具有较好的拟合效果.     

城市场次降雨径流污染负荷快速估算方法

城市降雨径流污染是城市水质恶化的重要原因之一,定量计算城市降雨径流污染负荷,是实施城市水环境污染总量控制管理的基础和关键,可为城市水环境治理和污染控制提供科学依据.本文以污染物累积冲刷理论为基础,提出了“特征面积”的概念和计算公式,建立了场次降雨径流污染负荷数学模型,并结合案例,对数学模型在有效性、预测精度、适用性和局限性等方面进行评价.结果表明,特征面积较好地反映了污染物在各类土地上的污染负荷特性,场次降雨径流污染负荷与特征面积和降雨量的乘积呈正比.利用3场及以上降雨径流污染负荷结果,可较好地率定模型,从而可快速且较准确地估算单场次降雨径流污染负荷.该方法简单实用,获取数据工作量小,适用地区广.对于小降雨事件,建议采用降雨量相近的观测结果对模型进行率定,以提高模型的预测精度.     

考虑降雨空间变化的随机产汇流模型

引入两个负指数型差值函数,估计降雨量的概率分布,以此描述流域降雨空间变异性问题.将降雨量空间统计分布与垂向混合产流模型耦合进行产流量计算,即对地表径流,采用超渗产流模式,根据降雨与土壤下渗能力的联合分布推求其空间分布;对地面以下径流,采用蓄满产流模式,以地表渗入量的均值作为输入,进行简化处理以提高其实用性;最终推导出总产流量概率分布函数计算公式.将流域概化成一个线性水库,并根据随机微分方程理论,推导任一计算时段洪水流量的概率分布,从而构建了一个完整的随机产汇流模型.以淮河支流黄泥庄流域为例进行应用研究,结果表明,该模型可提供洪水过程的概率预报,可用于防洪风险分析,若以概率分布的期望值作为确定性预报,亦具有较高精度.     

我国东南沿海中小流域洪水模拟研究

我国东南沿海多为独流入海的中小流域,河流短小,流域调节能力弱.该区洪水历时较短,但危害较大,加之近年来区内经济的迅速发展,洪水造成损失日趋加剧,因此开展此区洪水特性和防洪减灾研究意义重大.本文以中国东南沿海曹娥江流域为典型,根据中小流域洪水的特点,在初步分析流域降雨径流的成因和洪水演进规律的基础上,开展了流域洪水模拟研究, 选择建立了流域降雨径流模型以及洪水演进模型,重点探讨了利用遥感信息和GIS相结合确定水文模型参数的方法和途径,经实验流域资料检验分析,其模拟结果计算精度满足要求.该研究将有助于该区流域降雨径流特性及洪水演变规律的深入研究,同时为东南沿海中小流域洪水模拟预测和防洪减灾研究提供了经验和模式.     

利用数值模拟方法研究宏观丹霞地貌坡地的演化过程

由于红层岩性、节理发育状态、年代、构造运动特征、气候以及区域地质地理条件等的不同,丹霞地貌的形态在区域上有很大差别,其成因机制十分复杂.从丹霞地貌演化机制的宏观意义着眼,考虑岩性、节理、构造抬升速率及降雨等因素,基于地貌演化理论,利用数值模拟方法定量地展现了丹霞地貌坡地在构造抬升及流水侵蚀这两个主要的内外力作用下的动力学演化过程.地貌演化的幼年期和壮年期,流域输沙能力相对较大,主要表现为流水对基岩的侵蚀过程;直至演化的老年期,流域输沙能力相对较小,大量的风化物淤积,坡度变缓.同时,对不同岩性和垂直节理深度的计算结果进行了对比分析,砾石质地相对坚硬,计算得到的高程较大,表明岩性硬度越高,较容易形成陡壁,而岩性较软,易形成丘陵.垂直节理深度不同,坡地峰值几乎相同,但浅垂直节理较深垂直节理的谷值大,表明流水沿垂直节理进行下切侵蚀的程度不同,对景观的形成有着重要影响.数值模拟结果在物理上是合理的,有利于进一步定性地认识到岩层岩性、节理、构造抬升及流水侵蚀对丹霞地貌坡地演化的作用.     

基于自然电位法的滑坡监测实验研究

降雨是诱发滑坡最主要的因素之一,认识雨水的渗流过程和地下水位的动态演化对滑坡的监测预警具有重要意义.基于动电机制,孔隙介质中的流体流动可产生自然电位,通过自然电位的观测可反演地下水动力过程,为滑坡稳定性分析及监测预警提供有效信息.本文基于室内小型滑坡控制实验平台,通过施加人工降雨模拟边坡雨水入渗过程,同步测量了在坡体内的自然电位、孔隙水压力和坡面变形数据.实验结果显示:(1)自然电位变化与孔隙水压力变化具有显著的相关性,自然电位的时移剖面可反映水在坡体内部的流动模式的演化;(2)表面变形发生在坡体下部饱和之后,即坡面变形滞后于自然电位与孔隙水压力变化.以上观测结果表明,自然电位在滑坡监测中具有潜在的应用价值.     

玉树地震滑坡分布调查及其特征与形成机制

2010年4月14日青海省玉树县发生了MS7.1地震.文中基于现场考察与遥感影像目视解译的方法,对玉树地震滑坡进行分析,并制作了玉树地震滑坡空间分布图.结果表明,该地震触发了约2 036处滑坡灾害,总面积约1.194km2;地震滑坡分布受主地表破裂控制作用强烈;滑坡类型多样,但以崩塌型滑坡为主;滑坡有5种成因机制:人工开挖坡脚型、地表水入渗致坡体震动滑动型、断裂错断震动型、震动型、后期冰雪融化或降雨入渗型;除地震主地表破裂外,还有许多坡体裂缝,主要分布在主地表破裂带SE端的SW盘,该部位在地震中受到了强烈的挤压作用.     

利用重力卫星GRACE监测亚马逊流域2002-2010年的陆地水变化

本文利用GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) 卫星重力资料研究了亚马逊流域2002-2010年的陆地水变化,并与水文模式和降雨资料进行了比较分析.在年际尺度上,GRACE结果表明:2002-2003年和2005年,亚马逊流域发生明显的干旱现象;2007年至2009年,陆地水呈逐年增加的趋势,并在2009年6月变化值达到最大,为772±181 km³;自2009年6月至2010年12月,陆地水总量又急剧减少了1139±262 km³,这相当于全球海平面上升3.2±0.7 mm所需的水量.水文模式得到的亚马逊流域陆地水在2010年也表现出明显的减少.降雨资料与GRACE观测资料有很好的一致性.在2005年和2010年的干旱期,亚马逊流域的降雨显著减少,说明降雨是亚马逊流域陆地水变化的重要因素.此外,本文采用的尺度因子的方法有效地降低了GRACE后处理误差的影响.     

2002年7月黑河流域上游降水以及产、汇流过程的模拟

运用包含土壤、植被陆面过程OSULSM的中尺度大气模式MM5, 将分布式水文模式DHSVM中汇流方案与其耦合, 成功地模拟了2002年7月黑河流域上游的洪水事件, 用数值方法再现了洪水的流动过程. 结果显示: 洪峰到达流经各点的时间不同, 遇到分岔路时, 水流按照地形坡降大小不同, 自动按比例分流, 较大部分从地势坡度大的方向流向低处, 也会有较少部分向坡度较小的方向流去. 坡面汇流方案的加入, 使得大气模式中实现了地表水的再分配.     

新疆阿克苏河流域径流预报方法研究

阿克苏河(中吉国际河流)现已成为塔里木河的主河源,它对塔里木河干流的形成、发展和演变过程起着决定性作用.随着国家西部开发战略--塔里木河流域综合治理的深入开展和实施,阿克苏河流域的水文特征、水文预报等研究成为热点.特别是在干旱区中纬度高海拔流域的河流中,阿克苏河是以冰雪融水补充为主河流的典型代表,对阿克苏河流域径流进行预报研究具有理论和现实意义.鉴于此:(i)结合干旱区无资料或少资料的现状,利用现有的水文气象资料,尝试并构建日尺度水文预报方法;(ii)采用高空气温代替地面实测气温与日径流相关关系法、AR(p)预报模型、气温降雨修正的AR(p)预报模型和NAM降雨径流模型,对阿克苏流域的两大支流进行日径流模拟和预报;(iii)对4种方法模拟结果进行对比分析,表明利用气温和降雨修正后的AR(p)模型所用水文气象资料少、应用简便、预报精度较高、比较适用于资料较缺乏的阿克苏流域的短期径流预报.该研究以日尺度进行水文预报,在该流域尚属首次,不仅为阿克苏河、塔里木河的水文预报、洪水防治和全流域的水量调度等提供基础,也为干旱区其他流域的水文预报提供了参考方法.