生物滞留带结构层参数对道路径流滞蓄效应影响

基于非饱和土壤水分运动理论,采用数值模拟方法研究了4种降雨作用下生物滞留带结构层参数对设施积水、产流及径流调控效应的影响特性。结果表明:生物滞留带表层积水受蓄水层深度影响显著,随蓄水层深度由20 cm增加到30 cm,设施的溢流控制水量平均提高0.196 m3左右,但积水时长增加可达85 min;生物滞留带各结构层参数对穿孔管产流均有一定影响,随种植土层与砂滤层厚度比或内部储水区高度增加,穿孔管产流时刻推迟,产流峰值减小,而蓄水层深度的增加则可导致穿孔管产流时刻提前、产流峰值增大;在4种降雨作用下,5类滞留带径流量平均消减率为16.71%~37.31%,径流峰值平均消减率为41.53%~63.90%,产流平均延迟时间为97.75~166.50 min;当滞留带发生溢流时,设施的径流调控能力显著降低,且结构层参数对设施径流调控效果的影响减弱。     

基于SWMM-CCHE2D耦合模型的海绵城市内涝管控效果评价

为了解决暴雨导致的城市内涝,为应急管理提供技术支撑,考虑城市暴雨过程及海绵地表特性,结合城市水文学及水力学原理和芝加哥雨型,建立了SWMM-CCHE2D耦合模型。结合高精度地形数据和降雨、径流实时监测数据,采用SWMM雨洪模型模拟暴雨条件下海绵城市的产流,耦合高精度的二维水动力模型CCHE2D模拟相应的内涝情况。结果表明：暴雨条件下通州海绵区的产汇流具有缓慢下渗和汇流的特性,主要海绵措施的加入对径流削减率会有9.0%~40.6%不同程度的提高,从而减缓内涝,其中,对5年一遇暴雨的效果最显著;在100年一遇暴雨下设计的各种海绵措施中,生物滞留带对径流削减率的提高程度最明显,高达28.4%,透水铺装和绿地也具有较好的效果。     

绿化屋顶的产流规律及雨水滞蓄效果模拟研究

建筑物屋顶作为城市的"第五面",是城市立体化绿化的重要方面。通过屋顶绿化植被和土壤层的蓄滞作用,可在一定程度上延缓产流时间,减少城市径流,并改善局地微气候条件。开展了绿化屋顶的人工降雨径流观测实验,通过对降雨、径流的观测分析了绿化屋顶的雨水滞蓄效果。建立了描述绿化屋顶降雨产流过程的一维入渗模型HYDRUS-1D,利用实验数据进行了模型的率定和验证;并应用模型模拟分析了降雨频率、土层厚度和土壤类型等因素对绿化屋顶雨水滞蓄效果的影响。实验和模拟结果表明,绿化屋顶具有较好的雨水滞蓄效果,10cm土层厚度的绿化屋顶在不同降雨条件下的蓄滞量可达到16.1～21.6mm;随着土层厚度的增加,蓄滞效果更明显;就雨水蓄滞效果而言,壤土比砂土和粉粘土更适合于绿化屋顶。本研究成果可为城市屋顶绿化的推广应用提供参考。     

降雨产流影响因素分析

利用太谷均衡实验站模拟池人工降雨实测资料,分析降雨强度、降雨历时、土壤湿度、地面覆盖、植物截留、填洼、雨期蒸发等因素对产流的影响,为平原区降雨-产流规律的研究和模拟计算提供可靠依据.     

基于PFC2D岩石颗粒破碎强度和能量的分形模型

颗粒的破碎强度随着粒径的增大而减小,即颗粒破碎的尺寸效应,分形模型为解释固体颗粒破碎的尺寸效应提供了可行的方法。根据岩石颗粒破碎时的分形特征,采用Sammis破碎准则,通过模拟分析得出岩石颗粒破碎能量和强度的分形模型,建立和验证用分维D来表示岩石颗粒破碎的能量和强度准则,得出并验证了岩石颗粒破碎分维的确定方法。利用离散元软件PFC2D的黏结颗粒模型BPM（Bonded Particle Model）模拟了小孔隙率n=0.12和大孔隙率n=0.3,即密实和松散两种情况。其中小孔隙率采用在模型上添加小颗粒的新方法,分别做了400组粒径不等的数值模拟试验,从粒径与破碎强度、破碎能量之间的关系和应力-应变曲线3个方面进行了统计,验证了岩石颗粒破碎强度与分维D的理论关系为σ_f∝dD-3,并得出颗粒破碎时的能量和与分维D之间的关系为E_f∝dD-1。验证了分形理论在分析颗粒破碎的尺寸效应中的较好应用,为确定岩石颗粒的破碎强度和岩石堆砌体剪切强度提供新的方法和参考意见。     

基于统计理论的产流模型

提出了一个基于统计理论的产流模型,该模型考虑了降雨、土壤下渗能力及土壤蓄水容量的空间变异性。假定每个时段的降雨量在空间上可以用概率密度函数或分布函数描述,根据实测降雨资料通过统计拟合优度途径估计各时段降雨的空间概率分布;采用抛物线型函数分别描述土壤下渗能力和土壤蓄水容量的空间分布。按照超渗产流机制计算地表产流量,通过降雨量和土壤下渗能力的联合分布推导得到地表径流量的统计分布,进而得到平均产流量的解析表达式。下渗水量补充土壤含水量,假定满足田间持水量后形成地下径流,其产流量根据下渗量和土壤蓄水容量的空间分配曲线进行计算。以半湿润的黄河支流伊河东湾流域为例,对模型进行了验证和应用,并与新安江模型的结果进行了对比。结果表明,模型对所研究的半湿润区的洪水模拟预报有较好的模拟效果。     

基于HYDRUS的三舟溪滑坡降雨入渗规律研究

以三舟溪滑坡为例,运用HYDRUS-1D模拟软件,对由于降雨影响造成滑坡土壤不饱和区的土壤水运动进行模拟计算,为滑坡体降雨入渗规律研究提供参考依据。将模拟计算结果与实际监测结果进行对比,发现在考虑降雨影响下,评价滑坡体降雨入渗规律采用Hydrus-1D是可靠的。受降雨特征和初始含水率的影响,降雨对地下水位的影响存在滞后作用,5月25日和5月29日降雨期间,湿润锋到达模型底部所用的时间分别为 6 h、19.2 h。     

黄河源区多年冻土活动层土壤水文过程季节变异分析

为从整体上认识多年冻土活动层土壤水文过程季节变异特性,以黄河源区巴颜喀拉山北坡冻土剖面为例,结合大气降水、冻土土壤水分、冻土层上水的野外观测,采用HYDRUS-1D软件冻融模块进行模拟分析,分析冻融作用对活动层土壤水文过程的影响,研究结果表明:(1)冻土层上水位与土壤水热之间存在着相互影响、相互作用的关系,依据活动层土壤温度变化,基于冻融过程,多年冻土活动层土壤水分与冻土层上水位可划分为冻结稳定、快速融化、融化稳定和快速冻结4个阶段。(2)降雨入渗是坡面尺度下活动层土壤水文过程的主要驱动力,活动层冻融锋面是主要限制性因素,受冻融过程影响,冻结期降雨减少,土壤冻结,土壤储水能力下降,土壤水分下渗停止,坡面侧向流动减弱,土壤水分和冻土层上水位处于下降趋势;融化期降雨增多,土壤融化,土壤储水能力上升,土壤水分下渗强烈,坡面侧向流动增强,土壤水分和冻土层上水位处于上升趋势。(3)受坡面地形影响,上坡活动层厚度大于下坡,上坡冻融锋面变化较下坡平缓,上坡土壤水分和冻土层上水位的变化幅度相对下坡较为平缓,而上坡土壤水分相对下坡含量较低,下坡冻土层上水位相对稳定。     

基于非饱和模拟的海绵体土壤蓄渗能力评价

在武汉市长江新城起步区开展了海绵体土壤蓄渗能力评价,基于10个双环入渗试验和土壤颗分资料,利用HYDRUS-1D构建了非饱和水流数值模拟模型,对2018年降雨蒸发条件下海绵体土壤中的水分运移过程进行模拟,定量计算了海绵体土壤的蓄水容量和入渗水量。结果显示：非饱和数值模拟很好的仿真了降雨入渗过程,可准确计算海绵体土壤的蓄水容量和入渗能力。     

河北雨洪模型中下渗公式的一种改进方法

下渗强度的计算是干旱半干旱地区超渗产流计算的关键环节。河北雨洪模型中的流域下渗强度计算公式由两部分组成,一部分为由张力引起的下渗强度,另一部分为由重力引起的下渗强度(稳定下渗能力)。计算以上两部分下渗强度时,公式所用的雨量有重复,致使总下渗强度普遍偏大,从而导致模型模拟的洪水过程的洪量及洪峰偏小。提出一个改进的流域下渗强度计算公式,计算张力引起的下渗时所用雨强为总雨强与稳定下渗能力的差值。利用改进前后的计算公式,分别对2mm/h到10mm/h雨强及0mm到140mm表层土湿条件下的下渗强度进行计算,并对结果进行对比分析。大阁流域的实例应用结果表明,改进后的下渗强度计算公式,对模拟洪水过程的洪量和洪峰流量的增加效果明显,增加值分别为实测值的14.14%和10.08%。     

雨水花园对暴雨径流的削减效果

雨水花园能够有效地蓄渗雨水径流、降低城市发展对水环境的不利影响.根据在西安市开展的一项连续4年对雨水花园入流与出流水文过程的监测研究,分析了雨水花园对暴雨径流的削减效果,并根据花园内土壤入渗率及颗粒组分随时间的变化,讨论了雨水花园运行效果的可持续性.结果显示:蓄水深度为15 cm,汇流比为20:1的试验用雨水花园,在4年监测的28场降雨中,仅有4场暴雨径流汇入雨水花园后发生溢流,且溢流量很小;试验期内,有2年未发生溢流,雨水径流全部入渗;最多的1年发生溢流3次,但年径流削减率仍高达96.8%;导致雨水花园发生溢流的均为短历时高强度暴雨.研究中还发现,雨水花园土壤入渗率在4年运行期内没有显著变化,一直稳定在2.4 m/d左右,花园内表层土壤砂粒含量由7.36%增加到20.55%,而粉粒和黏粒的含量则相应降低.可见,研究区雨水花园能够显著减少暴雨径流,且入渗性能稳定,具有良好的应用前景.     

高寒山区冻土对水文过程的影响研究——以黑河上游八宝河为例

冻土对寒区水文过程具有重要的调节作用,是寒区水循环研究的核心内容之一.在分布式水文模型中对土壤冻融过程进行显式表达,对探索寒区水循环的机理、定量研究寒区流域径流的时空变化十分重要.先在黑河上游八宝河流域对考虑了土壤冻融过程的分布式水文模型进行简单验证,然后分析土壤冻融对流域水文过程的影响.对考虑和不考虑土壤冻融的模型模拟结果进行对比,发现冻土对流域的产流方式和速度有很大的影响,主要表现为：1）考虑冻土时,流域产流以壤中流为主,径流对降雨或融雪的响应速度较快,径流过程线变化较为剧烈,径流系数较高.冻土有效地阻碍了入渗过程,促进地表径流和壤中流的形成.壤中流发生的平均土壤深度冬季深,春季浅,年平均深度约为1.1 m;2）在不考虑冻土时,土壤下渗能力强,地下水补给是考虑冻土时的3倍,流域产流方式以基流为主,径流对降雨或融雪的响应速度减缓,径流过程线较为平滑,夏季洪峰在时间上存在明显的延迟.即便在降水强度较大的夏天,流域内都不会产生地表产流,而且壤中流产流的平均土壤深度平稳地处于2.4 m左右.研究对从机理上认识土壤冻融对水文过程的影响有一定的帮助.     

Investigation of wetting front behavior due to rainfall and ponding head effects in arid region wadi alluvium

Intensive experimental as well as numerical investigations have been carried out in order to develop empirical relationships to predict wetting front travel time and infiltration rate in deep arid region alluvium due to the effect of variable rainfall intensity and ponding head, respectively. A rainfall simulator that is capable of producing variable rainfall intensity up to 160 mm/h and a large diameter infiltrometer were constructed in the study area and then used to test the effect of rainfall and ponding head up to a depth of 3 m. Results of these experiments were utilized to calibrate an unsaturated zone model which was then used to test different scenarios for wetting front movement at depths beyond the scope of these experiments. Empirical infiltration relationships for rainfall and ponding head, respectively, were derived for shallow and deep soil columns from these experiments.     

贵州典型岩溶流域日降雨径流过程模拟研究

以蓄满产流方式描述岩溶地区的产流过程,采用稳定入渗法划分径流,将非线性水箱模型用于模拟单元流域的调蓄过程,以遗传算法为基础率定模型参数,建立了基于遗传算法率定参数的概念性岩溶水文模型,并以贵州普定后寨河流域为例,采用流域内老黑潭、六谷、后寨测站的水文资料对所建模型进行检验,以相对误差、互相关系数和确定性系数来评定模型.结果表明,本模型预报结果的相对误差均小于士10%,互相关系数均大于0.80,确定性系数均大于或等于0.70,说明所构建的模型能够模拟及预报岩溶地区的降雨径流过程.      

砾石覆盖紫色土坡耕地水文过程

紫色土中砾石分布广泛,地表常为砾石覆盖,砾石覆盖对土壤水文过程有着重要影响。试验小区(2 m×1 m)为坡度23°的坡耕地, 试验降雨强度为(53.9±2.8)mm/h、 (90.8±6.1)mm/h和(134.3±14.9)mm/h, 砾石覆盖度为0%,11%,20%,33%和42%。通过原位人工模拟降雨试验,定量研究了不同降雨强度下砾石覆盖对降雨入渗、地表产流及壤中流产流的影响。结果表明:砾石覆盖对入渗过程影响显著,稳定入渗速率及稳定入渗系数与砾石覆盖度呈正相关关系,3种降雨强度下,稳定入渗系数分别为47.70%~86.59%,30.61%~82.83%、17.76%~77.44%,42%砾石覆盖度小区的稳定入渗速率分别是裸露小区的1.95~4.94倍;地表砾石覆盖延迟地表产流、减少地表径流量,地表产流时间随着砾石覆盖度的提高呈增加趋势,地表径流速率及地表径流系数随砾石覆盖度的增加而降低,相对地表径流系数与地表砾石覆盖度呈指数负相关关系;地表砾石覆盖促进壤中流的发生、增加壤中流量,壤中流产流时间随着砾石覆盖度的增加逐渐缩短,壤中流径流速率及壤中流径流系数随地表砾石覆盖度的增加而提高,相对壤中流径流系数与地表砾石覆盖度呈指数正相关关系。     

小流域地下裂隙潜流对降雨入渗补给的响应特性

采用翻斗法自动量水技术和时域反射仪,对“岩土二元结构”小流域降雨过程、流域出口地下裂隙潜流以及坡地岩土水分的变化进行了测定与分析。试验结果表明,小流域坡地特有的岩土二元结构体具有较强的储、透水性能,小流域在前期坡地岩土水分平均为14.48%(埋深100cm范围内)的前提下,发生总降雨量170.25mm,降雨历时31h,平均强度5.5mmh的大暴雨,在小流域出口处未产生地表迳流;地下裂隙潜流对降雨具有明显的响应,起涨和回落过程均较为明显,峰值流量达到810Lh,是降雨前的32.4倍。因此,科学合理地利用“岩土二元结构”的水文地质特性对缓解洪峰的形成,降低洪灾具有重要作用,同时对山区的雨水资源化问题也具有重要的实际意义。     

Modeling watershed rainfall–runoff relations using impervious surface-area data with high spatial resolution

A distributed object-based rainfall–runoff simulation (DORS) model with incorporation of detailed impervious surface-area (ISA) data, derived from digital true-color orthophotography data with high spatial resolution, was developed. This physically based model simulates hydrologic processes of precipitation interception, infiltration, runoff, evapotranspiration, change of soil moisture, change of water-table depth, runoff routing, groundwater routing, and channel-flow routing. The modeling processes take objects based on land-cover types as fundamental spatial units in order to reduce data volume, increase computational efficiency, strengthen representation of watersheds, and utilize the data in variable scales. US Geological Survey stream-gaging data were used to validate the temporal variation of simulated discharge within two watersheds in Rhode Island State. The ratio of absolute error to the mean and the Nash coefficient in the validation period are 7.2% and 0.90 for the first watershed, and 8.0% and 0.77 for the second watershed, respectively. The results indicate that the DORS model is able to capture the relationship between rainfall and runoff in the study area, and that it is applicable in the further study of ISA impacts on the water cycle and associated pollution problems. The results also demonstrate that the performance of the hydrologic simulation is improved with ISA data with high spatial resolution.     

Improved hydrograph prediction through subsurface characterization: conditional stochastic hillslope simulations

Subsurface heterogeneity is one of the largest sources of uncertainty associated with saturated hydraulic conductivity. Recent work has demonstrated that uncertainty in hydraulic conductivity can impart significant uncertainty in runoff generation processes and surface-water flow. Here, the role of site characterization in reducing hydrograph prediction bias and uncertainty is demonstrated. A fully integrated hydrologic model is used to conduct two sets of stochastic, transient simulation experiments comprising different overland flow mechanisms: Dunne and Hortonian. Conditioning hydraulic conductivity fields using values drawn from a simulated synthetic control case are shown to reduce both mean bias and variance in an ensemble of conditional hydrograph predictions when compared with the control case. The ensemble simulations show a greater reduction in uncertainty in the hydrographs for Hortonian flow. The conditional simulations predict surface ponding and surface pressure distributions with reduced mean error and reduced root mean square error compared with unconditional simulations. Uncertainty reduction in Hortonian and Dunne flow cases demonstrates different temporal signals, with more substantial reduction achieved for Hortonian flow.