基于GLUE方法的城市雨洪模型参数不确定性分析

以北京市大红门排水片为例,构建基于SWMM(Storm Water Management Model)的城市雨洪模型,并基于GLUE方法(Generalized Likelihood Uncertainty Estimation)对模型参数的不确定性进行了分析。结果表明,所建城市雨洪模型能够较好的模拟区域的雨洪过程。在模型参数中,管道曼宁系数、不透水区洼蓄量以及河道曼宁系数的不确定性对模型结果的影响较为显著。GLUE方法能够在分析模型结果不确定性的同时给出敏感性参数,为城市雨洪模型的参数率定和进一步研制提供了有效工具。     

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。     

利用 Hoton下渗曲线改进TOPMODEL模型的基流模拟

TOPMODEL模型是一个以地形为基础的半分布式水文模型,在降雨径流模拟中得到广泛应用,但也存在着基流过程模拟不尽合理等问题.本文利用Horton下渗曲线改进TOPMODEL模型的基流模拟,并采用羊坪、猴子岩、西峡和东湾四个流域的降雨径流资料进行实例研究.结果表明,改进的TOPMODEL模型不仅能够更加合理地模拟基流过程,而且径流过程的模拟精度要优于原TOPMODEL模型.     

利用Horton下渗曲线改进TOPMODEL模型的基流模拟

TOPMODEL模型是一个以地形为基础的半分布式水文模型,在降雨径流模拟中得到广泛应用。但也存在着基流过程模拟不尽合理等问题。本文利用Horton下渗曲线改进TOPMODEL模型的基流模拟,并采用羊坪、猴子岩、西峡和东湾四个流域的降雨径流资料进行实例研究。结果表明,改进的TOPMODEL模型不仅能够更加合理地模拟基流过程,而且径流过程的模拟精度要优于原TOPMODEL模型。     

基于地块概化和路网精细模拟理念的城市雨洪过程分区自适应模型

为解决城市尺度雨洪模拟过程中常见的地块区域地形及管网资料不足、道路区域行洪与积水严重以及现有雨洪模型计算精度差或计算效率低等问题,提出基于地块概化模拟和路网精细模拟理念的城市雨洪过程分区自适应模型。对于资料不足的地块划分子汇水区单元,采用水文学概化方法计算产汇流过程;对道路区域划分精细网格,采用二维水动力学方法模拟水流运动过程;两者均与管网模型耦合连接,共同驱动管网模型进行汇流计算。以西咸新区沣西新城核心示范区为研究对象,搭建研究区域分区模型,对比分析整体区域均采用精细网格的全分布模型和整体划分子汇水区的半分布模型的模拟结果。结果表明：(1)分区模型综合考虑了地块管网排水与道路径流过程,可模拟出道路低洼区域在地表产汇流和管网溢流综合作用下的致涝过程,整体径流路径符合实际降雨水流运动规律;(2)相较半分布模型,分区模型在道路区域采用精细网格进行计算,可较好模拟道路区域的积水过程;(3)相较全分布模型,分区模型显著减少了计算量,在不同设计降雨下减少了28.2%～73.5%的计算耗时。该耦合模型有效地克服了数据条件和计算能力的限制,可为城市洪涝模拟提供一种新的耦合模拟思路。     

考虑有效不透水下垫面的城市雨洪模拟模型——Ⅱ.雨洪模拟及水文响应分析

为了分析有效不透水下垫面在城市雨洪模拟中的水文响应机理,以常州市双桥浜径流小区为研究区域,构建考虑有效不透水下垫面的城市雨洪模型。利用实测资料先确定屋顶中有效不透水面积的比例,再率定模型其余参数。采用不同的方法表征不透水性,设置不同的模拟方案,分析有效不透水面积及总不透水面积的水文响应。结果表明：与正确使用有效不透水面积的模拟结果相比,用总不透水面积表征模型不透水性且直接移用有效不透水面积模型参数,会高估洪峰流量及洪量;使用总不透水面积表征不透水性,进而率定模型,低重现期时洪峰流量偏大,高重现期时洪峰流量偏低,并且会低估洪量。     

考虑有效不透水下垫面的城市雨洪模拟模型——Ⅰ.模型原理与模型构建

为满足新形势下雨洪管理实践的需求,揭示有效不透水下垫面对城市水文过程的影响,需研发考虑有效不透水下垫面的城市雨洪模拟模型。将不透水下垫面分为道路和屋顶,综合运用地理信息系统、城市雨洪模型等技术手段,基于不同分类属性分步确定有效不透水面积;考虑模型复杂性、建模数据可用性和模型预测能力,确定模型结构。区分有效不透水下垫面和非有效不透水下垫面产汇流过程,将具有高度异质性的城市下垫面离散成具有均匀或准均匀特性的子汇水区,考虑不同下垫面各子汇水区内部及子汇水区之间汇流路径,采用不同的产汇流计算方法,构建了精细模拟模型,可为城市洪涝防治及海绵城市建设提供技术支撑。     

变化环境下城市水文学的发展与挑战——Ⅱ.城市雨洪模拟与管理

全球气候变化和快速城市化改变了城市水循环过程,加剧了城市暴雨洪涝问题。从城市雨洪模型构建的角度,回顾了降雨观测与预报技术、城市雨洪产汇流计算方法以及城市雨洪模型的发展历程,总结了各种技术的特点、适用性和局限性,指出城市雨洪模型在机理认识和数据管理方面的不足,提出了城市雨洪模型的概念性框架与基本流程。从雨洪资源化的角度,介绍了城市雨洪管理基本理念和策略,分析了城市雨洪管理的主要技术方案。阐明了城市雨洪模拟与管理的发展趋势及前景,未来应该强化高精度降雨观测和临近定量降雨预报能力,探索城市化流域的产汇流机理和响应机制,开发有效的城市雨洪模型系统,发展多源信息耦合技术,开展城市雨洪模拟预报及资源化利用研究,实现城市可持续发展以及保障城市水安全。     

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。     

黄土地区降雨入渗模型初探

基于饱和下渗理论和考虑新入渗雨水驱替旧土壤水分的作用,根据力学原理提出了一个简明的入渗模型及计算下渗锋面处毛管吸力的方法.模型参数物理概念明确,便于根据实际情况进行修正,有较大的灵活性.模型在团山沟径流场进行了验证.     

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。     

蓄满—超渗兼容水文模型的改进及应用

在介绍蓄满—超渗兼容模型理论和自由水箱模型理论的基础上,针对其各自的结构特点和产流机理,对二水源蓄满—超渗兼容水文模型进行改进,模型能反映地表径流、壤中流和地下径流的动态变化,可应用于洪水预报、水情模拟、水资源开发和利用等。并将模型应用于伊河流域栾川站,采用单纯形法、罗森布瑞克法及基因法联合自动优选法对模型参数进行了率定,并与原模型进行了比较分析,结果表明,改进模型模拟精度高,且能反映不同径流成分的变化过程。     

用人工降雨揭示降雨产流特征和降雨入渗规律

通过模拟降雨试验,研究了不同雨强、不同土壤剖面含水状态下降雨产流特征和降雨入渗过程,为进一步研究降雨-径流规律和平原区的水分循环规律奠定基础,为水资源的优化配置提供科学依据.     

非饱和土壤渗透方程的简化差分计算

在对进查北（L．A.Richards)渗透方程提出的近似精确基础上，研究了菲利普（J.R.Philip)以粘土为例的渗透速度计算公式，并对非饱和土壤中长时间渗爱时出的误差及及原解的缺陷加以修正，提出了更简捷合理的无时间差分变量计算模型，给出了渗透速度随时间的过程线、渗透深化度与土壤湿度的变化曲线。该方法经过大量验证，可以得出结论，它对砂土、壤土中的渗流也适用，与常用的时间差分方法比较，该法得出的土壤渗透湿度深度曲线是正确的，且计算时间显著和，消除了时间迭代误差。     

平原地区浅层地下水降雨入渗补给研究

本文用实测资料统计计算分析了惠北试区降雨对浅层地下水资源的补给。用非线性回归问题的迭代法，求出了雨前不同埋深条件下，次降雨与地下水位上升的关系式，并提出了能引起地下水位上升的最小次降雨量(也称临界雨量)，用本区41年的降雨资料对地下水资源的补给进行了统计计算，导出了相关性很好的年降雨量与年入渗补给量的关系式，求出了多年降雨入渗补给系数。     

考虑降雨入渗的有密集排水孔幕渗流场分析

有复杂边界面的渗流场求解问题经常会同时涉及降雨入渗边界和密集排水孔边界,这一般是一个非饱和渗流问题,因此传统的稳定饱和排水子结构模型不能适用。根据2类不同的排水孔,给出了排水子结构典型网格划分型式,提出了相应的非饱和排水子结构水力学模型,并引入传统模型中未考虑的降雨入渗等其它边界,使得模型更全面和完善。     

降雨型浅层滑坡危险性预测模型

通过分析SHALSTAB和TRIGRS等浅层滑坡物理确定性模型存在的问题,提出了基于降雨入渗动态守恒的瞬态降雨入渗模型,该模型考虑了初期降雨过程、降雨历程以及饱和非饱和入渗过程,证明了SHALSTAB模型是该模型的特殊形式,并克服了TRIGRS模型参数繁多及一维入渗路径的问题.将无限边坡模型、瞬态降雨入渗模型和GIS进行耦合,研发了可用于大范围降雨型浅层滑坡危险性预测的集成系统,根据边坡的地质条件、地形参数和降雨特征即可对降雨条件下浅层滑坡的危险性进行评估.     

非饱和土壤渗透的快速数值计算

给出非饱和土壤渗透计算求解理查兹方程的有限差分法。该计算值与实测值吻合较好。这个方法使用了水土势双曲正弦变换的隐式差分格式。砂土、壤土及粘土范围内的渗透过程在微机上几十秒钟内即可被模拟出来,其误差很小。非饱和土壤的渗透特性可以划分为地表积水前、地表积水后及退水过程三种类型。     

无时间差分变量的非饱和土渗透计算

在得出理查兹渗透方程近似精确解基础上，建立无时间差分变量的隐式差分计算格式。在该差分方程中，将渗透深度分为传导渗透与扩散渗透两部分深度。为了减少直接计算岩土含水量系数所产生的误差，将上述的两部分渗透深度函数表达式代入隐式差分格式，在节省大量计算时间的基础上，求得较为精确的计算结果。文中给出了该方法与普通隐式有限差分法对粘土、壤土渗透深度曲线计算结果的对比。