考虑动态汇流路径的时变分布式单位线

针对现有分布式单位线汇流理论未考虑土壤含水量变化引起的时变汇流路径问题, 提出动态汇流路径新概念, 推求同时考虑降雨强度和土壤含水量时空分布的坡面流速计算公式, 引入地形指数刻画流域蓄水能力空间分布, 从而获得栅格尺度流域流速分布场, 进一步建立不同蓄满状态下流域动态汇流路径集合, 最终实现考虑动态汇流路径的时变分布式单位线推求。以龙虎圩和东石流域为实例, 通过SCS模型计算产流量, 采用本文所提方法进行汇流计算, 引入涵盖低流量误差、高流量误差及洪量误差的多目标优化方法率定参数, 2个典型流域28场洪水预报结果表明, 洪峰流量相对误差在±15%内, 峰现时间误差在±6 h之间, 纳什效率系数平均值超过0.8, 与现有方法相比, 所提方法能更加准确地反映汇流时间分布场, 提高了洪水预报精度。     

论非饱和产流的计算方法

一、径流深计算公式的推导 1.霍顿下渗公式的物理意义设流域平均的下渗能力消退规律可概化为霍顿公式,即 f=f_c (f_o-f_c)e~(-kt) (10) 式中:f为t时刻流域平均下渗率,以毫米/小时计;f_o为初始流域平均下渗率,以毫米/小时计;f_c为流域稳定下渗率,以毫米/小时计;K为经验指数。式(1a)可分解为两部分,即     

降雨作用下马兰黄土渗透规律实验研究

通过自主研制的非饱和土直渗仪,对高为15cm、直径为12.5cm的圆柱形黄土试样进行降雨强度分别为16mm/h、50mm/h、70mm/h的渗透模拟试验,分析降水入渗深度、径流、富集量等与时间的对应关系,探究降水-黄土间的作用模式。得到实验结果:①不同雨强作用下,降水入渗锋面均呈漏斗状,凹面向下,均匀推进;②试验后试样含水率均超过液限,但随雨强增大含水率相应减小;③雨强16mm/h时无径流产生,雨强50mm/h、70mm/h时径流分别在试验开始29min和14min时形成;④降水入渗具有阶段性,雨强16mm/h,可分为快速下渗、缓慢下渗和匀速下渗三个阶段;雨强50mm/h、70mm/h,水开始入渗速率与土自身吸水能力有关,待上覆土饱和,水不仅受重力还受水驱动力的作用,入渗速度加快,最后稳定。获得结论包括:(1)雨强越大,水受重力和水力梯度作用越大,水下渗速度越快,充填孔隙的水就越少;(2)在雨强大于土体吸水能力的一定范围内,雨水补给量、径流量、下渗量以及充填量之间随降雨历时、入渗深度、孔隙度变化等因素出现相互制约、相互促进的关系;(3)试样完成渗流后,土体内形成稳定流,富集量与时间呈线性关系。     

时变参数法在洪水预报中应用

由于人类活动影响导致海河流域行洪河道发生了明显变化,造成洪水准确预报面临方法急需改进难题.本文通过下垫面条件变化对行洪影响状况和机制研究,提出了霍顿饱和下渗与马斯京根分段连续演算相结合的"时变参数"方法.大量实例效验结果表明,该方法较好地解决了河道干涸导致行洪中存在较强下渗影响问题,进而提高了预报精度.时变参数河道洪水演算方法以中国洪水预报系统为平台,根据上断面实测流量资料及下断面初始流量资料对下断面未知的流量过程进行预报.     

考虑气压势影响的降雨入渗数值模拟研究

利用一维下渗模型的数值模拟方法研究下渗试验过程中气压势与饱和水力传导度K_s的关系。数值分析表明,可通过由下渗过程中表层湿润的饱和度来折减K_s值的途径考虑气压势的影响,从而改进计算方法。下渗试验的模拟计算结果表明,改进后的方法比常用的方法有更高的精度。     

基于霍顿下渗公式超渗产流计算几个问题的探讨

用霍顿下渗公式进行超渗产流计算,用迭代算法根据流域土壤含水量计算相应的下渗能力时发现:当土壤含水量较小时,迭代计算正常;当土壤含水量居中时,易发生迭代震荡现象;当土壤含水量较大时,极易发生迭代计算出错情况。对此,分析了迭代震荡和迭代计算出错的原因;提出了用算术平均法减小迭代震荡的问题;用限制震荡幅度结合算术平均法解决迭代计算出错的问题;同时,推导出了超渗产流模式下流域平均蓄水容量与霍顿下渗公式中三参数间的经验关系式。     

基于GPU加速技术的非结构流域雨洪数值模型

为高效高精度地模拟流域雨洪过程,应用动力波法求解二维圣维南方程,并耦合水文过程,建立了包含流域降雨产流、汇流、下渗以及洪水演进等过程的高性能流域雨洪数值模型。该模型的优势在于使用非结构网格,可较好地处理不规则边界,准确贴合复杂地形表面,使得模型能精确计算模拟流域雨洪过程,同时引入GPU技术加速计算,使得大尺度流域雨洪计算成为可能。最后,将模型应用于V型经典算例及2个实际流域雨洪算例,所得结果与实测吻合较好,计算所用时间较短,表明该模型可以快速且精确模拟流域雨洪过程。研究结果有助于实现对实际流域雨洪灾害进行合理高效的预测,为应急抢险工作提供有力支撑。     

山区小流域洪水分布模式模拟与危险性评估

流域暴雨山洪过程时空异质性强,准确评估雨洪变化特性和洪水危险性对山洪灾害防治具有重要意义。以7个降雨特征指标和6个洪水特征指标刻画流域场次雨洪特性,采用中国山洪水文模型和洪水频率指标相结合,模拟和评估口前流域洪水过程及其危险性。结果表明：场次洪水洪峰模数、洪峰时间偏度、高脉冲历时占比、涨落洪速率与降雨总量、平均雨量、最大雨强、雨峰位置系数、基尼系数等降雨特征指标显著相关,三场致灾洪水过程的降雨均呈现量级大、强度大、历时短、暴雨中心偏中下游的特点;率定期和验证期的平均径流深相对误差均在9%以内,平均洪峰流量相对误差均在11%以内,平均峰现时间误差均在1.7 h以内,平均Nash-Sutcliffe系数为0.80和0.76;各场次洪水有0.0%～93.3%的河段流量达到一般危险及以上等级,三场致灾洪水过程的危险性等级最高,分别有80.0%、35.0%和1.7%的小流域河段流量达到高危险及以上等级。研究可为山区小流域暴雨洪水危险性评估、灾害响应和复盘等提供技术支撑。     

半干旱半湿润地区洪水预报模型适用性研究

针对半干旱半湿润地区的流域特性和产汇流特点,比较了河北雨洪模型和新安江模型的模型原理和模型特性,以滦河支流老牛河流域为例,开展了洪水预报适用性研究。结果表明,河北雨洪模型的预报精度较高,更适用于半干旱半湿润地区的洪水预报。     

一种新的概念性水文模型及其应用研究

传统的概念性水文模型描述降雨径流过程时做了很多简化,因此在实际应用中也存在许多不足之处.张文华对传统的产汇流模型做出了一些改进:将霍顿下渗能力曲线与实际的下渗曲线的有机联系在一起,建立了考虑前期土壤含水量和变雨强的产流计算方法;地下汇流计算增加考虑了地下径流量在进入含水层前的填蓄过程;地表汇流计算将等流时线法与单位线法有机地结合起来,从而同时考虑了下垫面的调蓄和推移作用;河道汇流采用非线性化的槽蓄方程进行演算.本文将张文华提出的一系列产汇流计算方法进行耦合,组成了一种新的概念性水文模型.模型主要由公式推导所得,物理机制较强,在长江中游龙河流域应用时峰现时差为2.5小时,确定性系数为76.6%,结果表明模型比较可靠.     

降雨条件下滑坡排水沟排水数值模拟

地表排水沟是滑坡治理常见措施之一。在降雨入渗与坡面径流有限元耦合模型中,通过调整径流方程中的坡度参数,实现地表排水沟排水模型。模型具有易于理解、实现简单的优点。以地表排水模型为基础,对5种典型滑坡在设与不设排水沟情况下坡体渗流场、坡面径流场、坡体入渗量和入渗过程进行了数值模拟。结果表明,当降雨强度相对土体渗透性较小时,排水沟设置在坡体渗透性由小变大的位置,才能有效地截断上游径流,减小入渗量;而当降雨强度相对土体渗透性较大时,排水沟排水效果并不明显。     

基于霍顿下渗能力曲线的流量过程线连续分割方法研究

在用前期影响雨量代替流域蓄水量的基础上,提出了基于霍顿下渗能力曲线的流量过程线的连续分割方法.选择西峡、猴子岩和东湾三个流域的降雨径流资料,采用该方法对流量过程线进行分割,并与现行的数字滤波法、非线性水库法和Boussinesq方程法相比较.结果表明,该方法具有一定的物理基础、符合产汇流基本规律,而且能够减少涨洪段流量过程线分割的主观性,对于流域时段单位线和降雨径流关系的推求均有重要的意义.     

推求无资料地区设计洪水的一种方法

在地貌单位线、菲利浦下渗公式和暴雨特征频率分布的基础上,引用产流开始时刻和净雨量的概念,推求不同净雨情况下不产流暴雨事件的概率,从而求得洪峰流量小于和等于给定Q_p值的理论频率分布及其相应的重现期。在贵州和山西应用结果表明,该方法更适用于半干旱地区。由模型验证实例分析了这种理论洪水频率分布模型的应用前景。     

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。     

一种时变分布式单位线计算方法

为了解决由降雨强度引起的径流汇流的非线性问题,提出一种基于SCS(United States Department of Agriculture-Soil Conservation Service)流速公式的时变分布式单位线计算方法。引入参考雨强表征SCS公式中流速系数对应的水力条件。由降雨过程的时段雨强与参考雨强的比值构成一个量纲一因子,将该因子加入SCS公式后使其能够考虑降雨对流速的影响。改进后的流速公式用于计算一次降雨过程中不同降雨时段对应的时变分布式单位线,时变分布式单位线与新安江模型的产流模块构成降雨径流模型,将模型用于裴河流域率定参考雨强。率定后的模型用于谭家河流域进行应用检验,结果显示,确定性系数大于等于0.9的洪水场次,由时不变单位线的42%增大为83%。提出的方法能够显著提高流域水文模型的降雨径流模拟能力。     

Effects of hillslope geometry on surface and subsurface flows

Dividing a catchment to subcatchment or hillslope scales allows for better scrutiny of the changes in spatial distribution of rainfall, soil attributes and plant cover across the catchment. An instantaneous unit hydrograph model is suggested for simulating runoff hydrographs for complex hillslopes. This model is able to estimate surface and subsurface flows of the catchment based on the Dunne-Black mechanism. For this purpose, a saturation model is used to separate the saturated and unsaturated zones in complex hillslopes. The profile curvatures (concave, straight and convex) and plan shapes (convergent, parallel and divergent) of complex hillslopes are considered, in order to compute the travel time of surface and subsurface flows. The model was used for prediction of the direct runoff hydrograph and subsurface flow hydrograph of Walnut Gulch No. 125 catchment in Arizona (USA). Based on results, the geometry of hillslopes can change the peak of the direct runoff hydrograph up to two-fold, either higher or lower. The divergent hillslopes show higher peaks in comparison with the parallel and convergent hillslopes. The highest and lowest peak flows correspond to divergent-concave and convergent-straight hillslopes, respectively.     

Limitations of real-time models for forecasting river flooding from monsoon rainfall

Very intense rainfall during the southwest and northeast monsoons causes severe river flooding in India. Some traditional techniques used for real-time forecasting of flooding involve the relationship between effective rainfall and direct surface runoff, which simplifies the complex interactions between rainfall and runoff processes. There are, however, serious problems in deducing these variables in real time, so it is highly desirable to have a real-time flood forecasting model that would directly relate the observed discharge hydrograph to the observed rainfall. The storage routing model described by Baba and Hoshi (1997), Tanaka et al. (1997), and Baba et al. (2000), and a simplified version of this model, have been used to compute observed river discharge directly from observed hourly rainfall. This method has been used to study rainfall–runoff data of the Ajay River Basin in eastern India. Five intense rainfall events of this basin were studied. Our results showed that the Nash–Sutcliffe efficiency of discharge prediction for these five events was 98.6%, 94.3%, 86.9%, 85.6%, and 67%. The hindcast for the first two events is regarded as completely satisfactory whereas for the next two events it is deemed reasonable and for the fifth it is unsatisfactory. It seems the models will yield accurate hindcast if the rainfall is uniform over the drainage basin. When the rainfall is not uniform the performance of the model is unsatisfactory. In future this problem can, in principle, be corrected by using a weighted amount if rainfall is based upon multiple rain-gauge observations over the drainage basin. This would provide some measure of the dispersion in the rainfall. The model also seems unable to simulate flooding events with multiple peaks.     

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。     

流量过程线分割的新方法--公式推导

针对现行流量过程线分割方法中存在着缺乏物理基础和客观的、科学的操作方法，以及其他的一些问题，提出了流量过程线的分割应遵循的三条基本原则，在此基础上提出流量过程线分割的新方法。该法通过流域的降雨资料和出口断面的流量资料，经推导得到Horton下渗能力曲线的三参数，并推导出地下净雨量在非饱和带运行时间公式和地下水汇流公式，从而对流域出口断面流量过程线进行分割。     

基于MODFLOW-CFP的岩溶水模型降雨非线性入渗补给研究——以湖南省香花岭地区为例

利用MODFLOW-CFP建立湖南省香花岭渗流-管道流耦合模型,并使用降雨量系数法实现非线性入渗过程,以探讨此方法在模型中的适用性。通过人工试错反演参数,得出6个不同降雨强度区间的降雨量系数;非线性入渗处理后,地下河流量模拟结果的纳什系数提高至0.91。结果表明:降雨量系数法可使该模型更好地模拟地下河流量变化,此方法也适用于一些岩溶小流域的数值模拟工作。