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基于水热平衡的分布式水文模型研究与应用

中国水利水电科学研究院学报（中英文） 2024年第1期22卷 15-27页

作者：阚光远李纪人喻海军丁留谦何晓燕梁珂流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100038 中国水利水电科学研究院北京100038 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心北京100038 水利部京津冀水安全保障重点实验室北京100038 北京中水科工程集团有限公司北京100048

分布式水文模型在水利部“四预”建设中发挥了至关重要的作用,但无径流资料区(简称无资料区)分布式水文模拟技术仍需进一步完善。从水热循环产汇流理论、模型构建与求解、模型参数率定三个方面入手,改进传统分布式水文模型。提出了耦合... 详细信息

分布式水文模型在水利部“四预”建设中发挥了至关重要的作用,但无径流资料区(简称无资料区)分布式水文模拟技术仍需进一步完善。从水热循环产汇流理论、模型构建与求解、模型参数率定三个方面入手,改进传统分布式水文模型。提出了耦合热量平衡的流域产汇流理论,揭示了水量热量动力学过程耦合机理和水热循环通量量化关系。构建了系统完整的物理机制水热平衡分布式水文模型及其数值求解方法,实现了流域地表温度和水位的分布式数值模拟。明确了模型结构和参数的物理意义,降低了需要率定的参数个数。将参数率定目标由径流量转换为地表温度和水位,综合利用遥感反演和台站观测资料率定模型参数。将研发的模型在江西赣江流域进行应用,结果表明,构建的模型具有较强的物理机制,数值求解方法精度高、稳定性好,实现了无资料区参数率定和水文模拟,为无资料区分布式水文模型研发与应用提供了新思路。

关键词：水文模拟分布式水文模型水热平衡数值方法定量遥感无资料区

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雷达资料同化模式对降雨-径流预报的影响

水文 2022年第4期42卷 30-37页

作者：田济扬刘荣华丁留谦刘含影中国水利水电科学研究院北京100038 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心北京100038

雷达资料同化是提高局地数值降雨预报精度的重要手段。以2014年6月17日和2016年7月9日福建梅溪流域发生的2场典型降雨洪水事件为例,设计9种不同的雷达资料同化模式,并引入到以WRF模式和基于CNFF-HM的分布式水文模型为主体构建的陆气耦... 详细信息

雷达资料同化是提高局地数值降雨预报精度的重要手段。以2014年6月17日和2016年7月9日福建梅溪流域发生的2场典型降雨洪水事件为例,设计9种不同的雷达资料同化模式,并引入到以WRF模式和基于CNFF-HM的分布式水文模型为主体构建的陆气耦合模型中,开展降雨-径流预报试验;探究中小流域尺度合理的雷达资料同化模式;分析雷达资料同化对降雨-径流预报结果的影响。结果表明,雷达资料同化能够提高中小流域陆气耦合降雨-径流预报精度;当同化时间间隔为6 h时,同化雷达反射率的降雨预报效果最好,但随着同化时间间隔缩短,雷达径向风的同化效果得到明显改善;逐小时同化雷达径向风支持下的陆气耦合模型,其降雨-径流预报结果最佳,2场降雨的累积雨量误差分别仅为7.55%和5.80%,相应洪水的洪峰流量误差为-12.65%和-18.26%,峰现时间均提前1h,NSE为0.866和0.927,在中小流域暴雨洪水预报中有一定的应用前景。

关键词： WRF模式 CNFF-HM模型雷达资料同化数值降雨预报洪水预报

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防洪堤的可靠性设计方法探讨

水利学报 2003年第4期34卷 94-100页

作者：吴兴征丁留谦张金接中国水利水电科学研究院防洪减灾研究所北京100038

基于可靠性理论,提出了防洪堤的概率设计方法。按照堤防设计规范,建立典型斜墙式防洪堤漫顶、渗透稳定、边坡滑动稳定的极限状态方程,采用MonteCarlo法计算相应的可靠性指标。进而通过变动堤防几何参数(堤顶高程、顶宽和坡比)和土工参数... 详细信息

基于可靠性理论,提出了防洪堤的概率设计方法。按照堤防设计规范,建立典型斜墙式防洪堤漫顶、渗透稳定、边坡滑动稳定的极限状态方程,采用MonteCarlo法计算相应的可靠性指标。进而通过变动堤防几何参数(堤顶高程、顶宽和坡比)和土工参数,探讨了堤高与漫顶可靠性、堤防几何参数的变化对堤基渗透稳定的可靠性、坡率对边坡失稳可靠性的影响。结果表明:随着堤高的增加,堤防漫顶的可靠性指标逐渐增大;堤防坡率、堤顶宽度、堤基粘土层厚度、前滩地宽度、堤后压盖厚度和宽度等变量的增大,将使堤基渗透稳定的可靠性指标增大;堤基粘土层和砂土层渗透系数的增加,将使堤基渗透稳定可靠性指标减小;堤防上、下游坡率的增加,堤坡稳定可靠性指标增加。

关键词：堤防可靠性变异性分析可靠性设计

基于不同物理参数化方案的中小流域降雨径流集合预报

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南水北调与水利科技（中英文） 2022年第2期20卷 281-296页

作者：田济扬刘荣华刘含影丁留谦中国水利水电科学研究院北京100038 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心北京100038

气象水文耦合预报能够延长洪水预报预见期,针对预报结果不确定性大的问题,选取东南沿海地区的梅溪流域为研究区,以2012年8月3日“苏拉”台风和2014年6月17日“海贝思”台风引发的降雨洪水为例,开展气象水文耦合下的集合预报研究。依托WR... 详细信息

气象水文耦合预报能够延长洪水预报预见期,针对预报结果不确定性大的问题,选取东南沿海地区的梅溪流域为研究区,以2012年8月3日“苏拉”台风和2014年6月17日“海贝思”台风引发的降雨洪水为例,开展气象水文耦合下的集合预报研究。依托WRF(weather research and forecasting)模式建立基于36种物理参数化方案组合的降雨集合预报集,并通过耦合WRF模式和梅溪流域分布式水文模型,实现降雨径流集合预报。结果表明:在不同物理参数化方案下,数值降雨预报结果有一定差异,且对降雨空间分布的预报效果优于降雨时间分布,更容易准确描述时空分布均匀的降雨,很难捕捉短历时强降雨;采用集合预报的方式能够有效降低洪水预报的不确定性,当预见期超过6 h时,对于时空分布均匀的降雨,相应洪水过程的洪峰流量预报误差R_(f)为11.30%,能够准确反映洪峰量级,峰现时间提前2 h,相比基于“落地雨”开展的洪水预报有一定优势;基于异方差扩展型Logistic算法对预报降雨进行处理后,能够有效提高降雨预报精度,但对于时空分布不均匀的降雨,洪峰流量误差R_(f)由处理前的-86.89%降低至-48.95%,仍有较大的提升空间。

关键词： WRF模式物理参数化方案 CNFF-HM 气象水文耦合集合预报

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大规模降雨监测数据异常识别方法

中国水利水电科学研究院学报（中英文） 2022年第5期20卷 438-448,463页

作者：田济扬刘含影刘荣华丁留谦刘宇中国水利水电科学研究院北京100038 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心北京100038

为实现大规模降雨监测数据的异常识别和快速处理,基于Hampel法、格拉布斯准则、周边测站分析法和雷达辅助校验等方法,建立了递进式异常站点筛查体系,通过K-dtree(K-dimensiontree)高级数据结构和并行计算方法提高计算效率,并以福建省523... 详细信息

为实现大规模降雨监测数据的异常识别和快速处理,基于Hampel法、格拉布斯准则、周边测站分析法和雷达辅助校验等方法,建立了递进式异常站点筛查体系,通过K-dtree(K-dimensiontree)高级数据结构和并行计算方法提高计算效率,并以福建省5234个具有雨量监测功能的地面站2015—2021年雨量数据进行了验证,结果表明福建省地面站雨量监测数据质量逐年提升;各类测站中,雨量站异常站点占全部异常站点的比例最高,各类异常站点在全省相应类型站点中,雨量站异常站点的占比也最高;雷达辅助校验能够有效解决在雨区与非雨区边界、雨强差异较大的雨区边界的正常站点易被误判为异常值的问题,校验前异常识别准确率为90%左右,校验后准确率提高为95%左右。通过K-dtree和并行计算,全省测站完成一次异常识别需约5~8min,为大规模降雨监测数据异常识别、充分利用雨量监测站有效信息提供可靠的方法。

关键词： Hampel法格拉布斯准则周边测站分析法雷达校验异常识别

新安江模型参数优化的一种约束SCE-UA算法研究

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中国水利水电科学研究院学报(中英文) 2023年第5期21卷 434-443,465页

作者：刘希琛阚光远丁留谦何晓燕梁珂流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100038 中国水利水电科学研究院北京100038 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心北京100038 水利部京津冀水安全保障重点实验室北京100038 北京中水科工程集团有限公司北京100048

在新安江模型参数优化领域,洗牌复合形进化(Shuffled Complex Evolution,简称SCE-UA)算法得到了广泛的应用。但在长序列降雨径流模拟和模型参数优化中面临一些问题需要解决。当模型参数适配不当时,土壤含水量易于出现负值,此外,不同径... 详细信息

在新安江模型参数优化领域,洗牌复合形进化(Shuffled Complex Evolution,简称SCE-UA)算法得到了广泛的应用。但在长序列降雨径流模拟和模型参数优化中面临一些问题需要解决。当模型参数适配不当时,土壤含水量易于出现负值,此外,不同径流成分对应的汇流参数需要满足一定的大小关系。上述问题的处理,决定着优化算法能否找到具有正确物理意义的最优模型参数,以及径流模拟结果的合理性和可靠性。针对这些问题,提出了一种约束SCE-UA算法,通过罚函数法对土壤含水量和汇流参数施加约束,引导优化算法向具有正确物理意义的参数可行域展开搜索,在寻优的同时确保了物理意义的正确性。在呈村流域开展了基于约束SCE-UA算法的新安江模型参数优化研究,数值模拟结果表明,约束SCE-UA算法能够确保模型参数物理意义的正确性,解决了土壤含水量出现负值和汇流参数大小关系错误的问题。利用优化获得的最优参数开展水文模拟,能够取得更好的水量平衡效果和更高的模拟精度。

关键词：新安江模型参数优化物理意义罚函数 SCE-UA

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心墙土石坝渗流场的无单元法模拟

水力发电学报 2012年第3期31卷 182-187页

作者：刘昌军丁留谦宁保辉张顺福中国水利水电科学研究院北京100038

在心墙土石坝渗流场分析中,经常会遇到浸润线发生在渗透性差别较大的心墙和堆石体之间,这种因两种介质渗透系数差别较大而形成的渗流场采用传统的有限元方法难以较好的解决。为此将无单元法应用于心墙土石坝工程的渗流分析中,提出了心... 详细信息

在心墙土石坝渗流场分析中,经常会遇到浸润线发生在渗透性差别较大的心墙和堆石体之间,这种因两种介质渗透系数差别较大而形成的渗流场采用传统的有限元方法难以较好的解决。为此将无单元法应用于心墙土石坝工程的渗流分析中,提出了心墙土石坝渗流场的无单元法的解决方案,并采用IDL语言编制了可视化的二维无单元法计算软件LIDAREFM。利用该软件计算分析了心墙和堆石体渗透系数不同比值的渗流场分布。研究结果表明,当堆石体渗透系数与心墙渗透系数比值小于103数量级时,可以直接进行计算;而超过103数量级以上,需在粘土心墙和堆石体之间依次设置接触面区域和过渡区域,且接触面区域的渗透系数必须采用空间渗透张量,否则将出现错误的结果或迭代不收敛问题。

关键词：水工结构接触面渗流无单元法心墙土石坝 LIDAREFM软件渗流场

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边坡及挡土墙变形局部化分析

水利学报 2004年第12期35卷 21-26页

作者：冯吉利孙东亚丁留谦隋允康北京工业大学北京100022 中国水利水电科学研究院防洪减灾研究所北京100044

本文将局部和非局部软化损伤线性结合在一起表示非局部软化损伤内变量,给出变形体边界上积分点非局部内变量的复合映射方式。用非局部连续莫尔-库仑模型和次塑性模型(Hypoplasticity),分别对边坡和挡土墙的变形局部化破坏过程进行了模... 详细信息

本文将局部和非局部软化损伤线性结合在一起表示非局部软化损伤内变量,给出变形体边界上积分点非局部内变量的复合映射方式。用非局部连续莫尔-库仑模型和次塑性模型(Hypoplasticity),分别对边坡和挡土墙的变形局部化破坏过程进行了模拟分析。二维、三维有限元计算结果表明,本文采用的软化损伤内变量非局部方式和非局部边界的处理是行之有效的,反映材料微观性态的特征尺度以统计平均的方式表达,在材料本构关系中加以体现,所得计算结果对有限元网格的划分具有不敏感性,因而用非局部连续模型模拟土工建筑物的变形破坏过程具有可行性。

关键词：变形局部化软化损伤边坡稳定次塑性模型有限元

美国城市雨洪管理水文控制指标体系及其借鉴意义

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水利学报 2015年第11期46卷 1261-1271,1279页

作者：王虹丁留谦程晓陶李娜中国水利水电科学研究院防洪抗旱减灾工程技术研究中心北京100038

我国在海绵城市建设试点阶段,亟待探讨如何构建适宜的水文控制指标体系。在近半个世纪的城市雨洪管理实践中,美国整合出一套水文控制指标体系,包括维持河湖湿地基流与地下水补给的入渗控制指标,减少雨洪面源污染的水质控制指标,防止河... 详细信息

我国在海绵城市建设试点阶段,亟待探讨如何构建适宜的水文控制指标体系。在近半个世纪的城市雨洪管理实践中,美国整合出一套水文控制指标体系,包括维持河湖湿地基流与地下水补给的入渗控制指标,减少雨洪面源污染的水质控制指标,防止河道侵蚀的水土侵蚀控制指标,以及避免小量级洪涝和减轻极端洪涝灾害的洪水控制指标。在调研美国城市雨洪管理沿革的基础上,对我国目前开展的海绵城市试点工作中的径流控制指标进行了对比研究;包括指标确定方法比较,指标划分与实施比较,以及指标的涵盖范围与效益分析。在此基础上,提出了我国海绵城市试点建设中确定水文控制指标所亟待开展的工作,包括基础科研领先,数据与成果共享,加强区域及部门间合作以及推行多指标水文控制体系的理念与实践。本文为海绵城市建设中合理确定适合各地具体条件的水文控制指标体系提供研究思路与参考。

关键词：海绵城市绿色雨洪基础设施城市雨污管理城市水文径流控制指标低影响开发