2023年处于云贵高原腹地的滇池流域受高温少雨影响,河湖来水严重偏少,为提高应对高频率发生旱灾事件的能力、指导干旱叠加效应影响下的抗旱工作,基于流域内长系列水文资料,采用GIS空间插值、数理统计法分析2023年流域雨水情势,利用标准化降水指数(SPI)、枯水重现期对2023年旱情进行诊断。结果表明:2023年滇池流域发生空间范围广、持续时间长的干旱事件;河道径流出现汛期反枯和提前进入枯水的现象,4—7月份、9—12月份各径流断面均出现100 a或超百年一遇枯水,造成区域工程蓄水、城乡供用水严重不足,极大影响了水资源的可持续利用。为提高滇池流域抗旱减灾的能力,提出了5个方面的建议:建立健全干旱预测预报预警体系、加快滇中调水和抗旱保供水小型水源工程建设、严格水资源管理和科学调度水资源、加强区域雨洪资源化利用研究、开展滇池动态控制水位研究。

降水量的变化是水库蓄水和调度的重要参考因素。基于台风路径资料、集雨区观测点的逐日降水观测资料以及Micaps数据,利用统计学方法研究影响鹤地水库集雨区的台风降水变化特征及台风暴雨环流形势场配置。结果表明:近32 a来影响集雨区的台风增加趋势为0.33个/(10 a),存在7 a的周期振荡,7—9月份是台风影响高峰期;不同路径型台风的降水特征存在较大差异,西路型台风降水过程雨量、雨强差异较大,集雨区南部降水比北部地区强,且局地性暴雨居多;中路型台风降水过程雨量大、强降水范围大、维持时间相对较长,集雨区全区以暴雨到大暴雨为主;东路型降水各站点雨量差异很大;此外,造成鹤地水库上游集雨区台风暴雨的环流主要由副热带高压、西南季风、冷空气共同影响引起,初步建立西路型、中路型台风暴雨的环流形势场经验预报方法。

针对复杂洪水地区组成下三峡与清江梯级水库协同防洪问题,选取三峡与清江流域的不同洪水地区组成作为调度模型输入,以上游防洪安全和下游防洪安全为目标,建立了三峡和清江梯级水库群多目标联合防洪优化调度模型,并采用NSGA-II算法进行求解。研究结果表明:1969年、1981年、1998年典型年设计洪水调度结果显示,相较三峡大洪水和清江大洪水情景,流域性大洪水情景下清江防洪库容投入时机更早;与实际调度方案相比,2020典型年的协调调度方案中,三峡调洪高水位降低了5.0 m,超额洪量减少了56.2亿m³,枝城、城陵矶的洪峰流量分别提高了2 603、1 035 m³/s,三峡水库末水位降低了4.2 m,协同调度的防洪效益显著。

开展滨海城市洪涝灾害风险评估,对滨海城市加强灾害风险管理、降低灾害负面影响具有重要的意义。已开展的研究对上海市中心城区的洪涝风险已经取得了较好的进展,但是对于上海市郊区特别是位于东南沿海的临港新片区的研究还有待进一步深入,且评估存在缺乏全面性及精度较低的问题,所以需要进一步明确。基于指标体系法,以上海市临港新片区为例,从致灾因子危险性、孕灾环境暴露度和承灾体脆弱性3个方面选取9个指标,构建30 m×30 m的栅格评估单元,通过层次分析法和熵权法确定指标权重,利用ArcGIS对研究区进行精细化的暴雨洪涝灾害综合风险评估。结果表明:上海市临港新片区洪涝灾害风险主要受脆弱性、暴露度的影响,综合风险等级面积占比分别为10.34%的高风险区、17.97%的较高风险区、27.59%的中风险区、27.03%的较低风险区和17.07%的低风险区,风险总体呈东南部最高、中部城镇地区次之、中西部农村地区较低的空间分布形态。

变化环境下复杂山区小流域山洪灾害频发,提高山洪预报效率及精度是山洪灾害防治体系建设的必然要求。水文模型是模拟降雨径流实现山洪预报的有效工具,明晰产流机制是高精度山洪预报的重要前提。为了探究在小、中、大、特大型4种等级山洪下官山河流域洪水径流对不同产流模式的响应情况,以新安江模型为基础,分别采用蓄满产流、超渗产流与混合产流模式对官山河流域展开山洪模拟分析。结果表明:垂向混合产流的各项精度评价优于超渗产流和蓄满产流,不同等级山洪下的NSE均值>0.7,表现出良好的适用性;超渗产流模式能够有效刻画暴雨下以地表径流为主的山洪产流过程,大型山洪下NSE均值达0.8,在捕捉洪峰方面优势明显。研究成果可为官山河流域山洪灾害防治提供理论与方法支撑,同时可为复杂山区小流域山洪预报提供参考。

目前CASC2D水文模型的调整参数工作主要为人工试错法,缺乏模型参数的全局敏感性分析。为解决此问题,研究采用Sobol指数法,以贺兰山东麓流域苏峪口水文站以上区域为研究区,基于洪峰峰现时间、洪峰流量以及确定性系数3个指标,对CASC2D水文模型的8个主要参数进行全局敏感性分析。结果表明:对峰现时间指标全局影响最大的3个参数分别为饱和水力传导度K_s、河道糙率系数n_c以及土壤缺水量M_d,且3个参数与峰现时间指标呈正相关关系;对洪峰流量指标和确定性系数指标全局影响最大的3个参数为饱和水力传导度K_s、毛细管压力水头H_c以及河道糙率系数n_c,且参数与洪峰流量指标呈正相关关系;而饱和水力传导度K_s与确定性系数呈负相关关系,毛细管压力水头H_c以及河道糙率系数n_c与确定性系数呈正相关关系。由于存在参数间的互相影响,在参数率定过程中需要根据一阶影响指数、总效应指数结果得到的各参数独立敏感度和互相影响程度,对参数变化方向和变化范围进行合理选择。研究成果可为模型参数率定工作提供参考。

城市内涝严重威胁社会安全与发展,识别城市内涝的关键影响因素是研究内涝灾害的基础。采用全局回归(OLS)、地理加权回归(GWR)和多尺度地理加权回归(MGWR)等模型,对武汉市2016年内涝程度与土地利用类型、地形、河流密度等影响因素的相关关系进行了分析与评估。结果表明:经OLS筛选后,选取用于GWR和MGWR分析的影响因素为耕地面积、草地面积和不透水面积。模型性能比较发现,MGWR模型优于GWR和OLS。MGWR结果表明,各影响因素与内涝程度的相关关系具有空间非平稳性特征,且不同因素的影响具有空间尺度差异,不透水面积影响的空间尺度最小,耕地面积影响的空间尺度较小,草地面积和常数项的影响接近全局尺度。不透水面积正向影响内涝程度,而耕地面积和草地面积负向影响内涝程度。不透水面积是影响内涝程度最主要的因素,回归系数均值为0.934,其中武昌区和洪山区中部回归系数最大。

准确预测径流是预防洪涝灾害的基础。针对这一问题,提出一种基于多变量变分模态分解与皮尔逊相关性重构的日经流预测组合模型,该模型首先运用多变量变分模态分解(MVMD)方法分解日径流数据,然后,针对分解后的模态分量,运用皮尔逊相关系数法对该分量进行重构分类为波动项和随机项,运用思维进化算法(MEA)优化BP神经网络对波动项进行预测;运用灰狼优化算法(GWO)优化极限学习机算法(ELM)对随机项进行预测。最后,对两个模态分量预测融合得出最终预测结果。以汉江流域中的安康水电站与白河水电站径流数据为例进行分析,结果表明:安康站平均R²为0.87,白河站平均R²为0.93,预测模型预测效果较好、准确性较高,具有预测合理性。研究结果可为预防洪涝灾害和合理调控水资源提供依据。

为提高溃坝洪峰流量预测精度,提出了一种基于GRNN的预测模型,结合耳廓狐优化算法FFA进行超参数优化,实现对溃坝洪峰流量的预测。以国内外堤坝溃决数据库为基础,用溃口底部以上库容、溃口底部以上水深和溃口深度3种因子作为输入变量,构建FFA-GRNN溃坝洪峰流量预测模型。为验证模型在溃坝洪峰流量预测精确度和拟合度,与其他4种智能算法进行对比。结果表明:提出的FFA-GRNN模型相较于其他模型具有更低的RMSE、MAE和更高的拟合度R²,证明所建模型在整体上具有更好的计算精度与拟合效果。通过分析模型在溃坝洪峰流量预测中的适用性,可为溃坝分析提供技术支撑。

采用主客观赋权法和博弈论相结合的方法来评估嘉陵江流域的山洪风险。结果显示,4种客观赋权法得到的洪水危险性分布总体相似,但不同方法的风险等级面积占比略有差异,CRITIC权重法识别出更多的高危险性区域。故选择CRITIC权重法、层次分析法和博弈论相结合,形成组合权重评估得到嘉陵江流域山洪综合风险的空间分布。整体而言,嘉陵江流域的山洪风险呈现出自西北向东南递增的趋势,高危险性地区主要分布在四川盆地及其边缘,涉及四川、重庆等22个县区,而低危险性地区则主要位于流域西北部山丘区。影响山洪风险的因素中,年平均降雨、径流深等致灾条件对山洪风险贡献最大,其次是人口密度和国内生产总值(GDP)等社会经济因素,而坡度、地形起伏度等下垫面条件的贡献最低。研究结果对包括嘉陵江流域在内的长江上游流域的山洪管理和应对提供重要参考。

长江中游城市群是位于我国中部的特大型城市群,在经济社会发展中发挥着重要作用。为探究变化环境下中游城市群的降雨特征和风险,对CMFD、MSWEP 和CN05.1这3种降雨数据在中游城市群的适用性进行了评估,选择中国区域地面气象要素驱动数据集CMFD进行降雨特征分析,同时考虑强降雨量、暴雨日数、高程、坡度、人口、土地利用对区域城市化快速发展前后暴雨灾害风险进行分析。结果表明:包括省会城市在内的高度城市化区域在过去的40 a短历时暴雨发生频率和强度增加,城市群南部强降雨量、暴雨日数存在显著增长趋势,包括江西省新余、抚州、南昌、九江等区域;随着城市化的进程,人口向中心城市聚焦,中高暴雨风险区域增加,环鄱阳湖都市圈中高风险区占比明显增加。为应对区域暴雨风险,需集成多学科多部门城市监测数据,推进高精度多尺度监测-预报-预警系统研发与应用,加强城市化对局地气候和极端降雨影响的机理研究,协调灰-绿-蓝措施以增强城市气候适应性和韧性。

为优化里下河水网区的排涝工程布局,需考虑腹部洼地与关联涝区的暴雨遭遇关系。基于Copula函数构建不同涝区间的降雨频率的联合分布,计算分析暴雨遭遇概率。结果表明,构造腹部区和斗北区降雨频率的皮尔逊Ⅲ型边缘分布,采用Frank Copula函数拟合建立其二维联合分布,能方便地计算指定历时和重现期暴雨的遭遇概率;结合实况降雨的时程和频率分析,表明2个涝区发生超设计标准暴雨的风险很小,当腹部区发生超设计排涝标准暴雨时,斗北区遭遇超设计防洪标准暴雨的概率仍较低。研究结果表明在斗北区新辟排涝通道方案是可行的。

为深入了解冲击滑坡涌浪近场传播的规律,运用FLOW-3D软件建立三维滑坡涌浪数值模型,模拟滑坡体入水产生涌浪以及涌浪近场传播过程,并通过小波变换对三维涌浪近场历时变化进行时频分析。结果表明:三维滑坡涌浪的能量从主径向朝两侧逐渐传递;至入水点2倍水深距离以外,其他径向上涌浪能谱演化特征趋向与主径向一致,所有径向上涌浪局部波能沿程衰减率接近,主频附近的组成波的波能传递速度不随径向角变化。基于此,进一步提出近场特征波能峰值与近场特征波能传递速度的概念与估算公式,为滑坡涌浪灾害评估提供参考。

基于FVCOM水动力模式和FVCOM-SWAVE海浪模式,构建了1509号台风“灿鸿”过境期间的波流耦合风暴潮模式;在对风暴潮增水和有效波高验证良好的基础上,开展了波流相互作用对增水的影响及风暴潮增水动力要素量化分析。研究发现:在近岸浅水海域,波流耦合作用对水位影响显著,在风暴潮增水极值时刻,其对水位的贡献率达14%左右,并且高潮位时刻波流耦合作用倾向于引起减水,低潮位时刻波流相互作用倾向于引起增水;考虑波流耦合后,有效波高模拟结果与实测数据更加吻合;风场对风暴潮增水起主导作用,影响范围集中在浙江近岸海域和杭州湾海域,最大风暴潮增水可达2 m;在开阔海域,气压对台风中心范围风暴潮增水作用显著,而在近岸海域特别是杭州湾湾顶,天文潮-风暴潮非线性相互作用和波流相互作用对风暴潮增水的作用增强,最大增水分别可达1.2 m和0.5 m。相关研究结果可为海岸防灾减灾提供参考。

汉江遥堤属国家Ⅰ级堤防,是汉北平原和武汉市的重要防洪安全屏障,天门李家洲段为历史险段;2021年汉江秋汛该段发生管涌群险情,汛后除险加固采用了新型减压井技术。根据地质和设计资料建立了三维精细有限元渗流模型,开展了减压井效果论证,为减压井设计提供参数依据。模拟表明,洪水工况下减压井具有显著的排水减压效果,堤内满足渗透稳定要求。2023年汉江洪水期该堤段水位超2021年出险时外江水位约1.3 m,堤内再无管涌险情发生,减压井发挥了显著的防洪减灾效益。实际应用表明,针对典型的二元结构堤基管涌险情隐患,减压井是最有效措施之一。研究成果可为类似堤防管涌隐患处理提供借鉴。

风暴潮是中国沿海最严重的自然灾害之一。对1950—2003年中国沿海67个站点的风暴潮增水数据进行了统计和分析,得到了中国沿海风暴潮增水的时空分布。研究发现,无论在频次还是在强度上,东南沿海都是中国沿海风暴潮灾害最严重的区域,风暴潮强度集中在Ⅲ级、Ⅳ级和V级,其中长江口和杭州湾风暴潮增水较大。此外,风场路径和天文潮潮汛对风暴潮增水的影响显著;以定海站点为例,在125°E以西转向的热带气旋对该站点风暴潮增水影响最大,风暴潮增水的极值时刻绝大多数在大潮时刻,潮汐时刻多在天文低潮前后。研究结果可为风暴潮风险评估和防灾减灾提供参考。

为应对上海西部地区在极端天气时面临的严峻洪涝挑战,提出有效的水位调控策略,选取“烟花”台风期间青松片为研究对象,综合分析实际雨情与工况数据,包括降雨、片内圩外河道水位、二级圩区水位、片外河道水位过程等,提出二级圩区河湖超蓄和控制圩区雨峰过后排水2种策略,运用数字化地形分析与除涝数值模拟技术,评估对缓解高水位的有效性。研究发现,实施策略能大幅度增强蓄滞能力,二级圩区河湖超蓄措施可增加圩区蓄滞能力1 169.8万m³,控制圩区雨峰过后排水措施可增加圩区蓄滞能力245.9万m³,可降低片内圩外河道水位30 cm左右,有效缓解高水位。研究不仅验证了策略的有效性,而且在现有防洪排涝体系上增添了新的调控手段,为城市在面临重大水情挑战时提供了科学的调度决策依据,对于构建更加韧性的水管理体系、保障城市安全运行具有重要的实践价值与理论贡献。

为了研究人类活动影响下丘陵到平原区流域洪水模拟的关键问题,包括流域内降雨空间分布不均、丘陵平原产汇流差异大、下垫面受水利工程建设和调度影响等复杂边界条件,并提出相应的解决办法和模型,以汉北河为例,将大流域划分为11个单元,通过分析场次暴雨在各单元的空间分布解决降雨空间不均的问题;各单元根据各自下垫面条件进行API水文模型参数的率定,解决了丘陵平原产汇流差异大的问题,提高了模型参数与实际情况的贴合度。在模型中,将河流改道、水库、蓄滞洪区、水闸、泵站建设和调度、土地利用等人类活动对汇流的影响纳入物理模型和产汇流模拟中,以便构建符合实际调度的下垫面产汇流体系。模拟计算的洪峰的纳什系数NSE均在0.85以上,模拟结果表明洪峰流量、水位及峰现时间与实测值吻合良好。

洪水灾害具有发生频率高、破坏性强的特点,风险评估可揭示高风险热点区及其驱动因素,有助于科学、高效构建防洪减灾体系。以珠江流域浔江防洪保护区为研究对象,构建HEC-RAS水动力模型,提取最大流速、水深评估洪水危险性;利用层次分析法和熵权法,考虑人口密度、国内生产总值(GDP)和土地利用等要素,评估承灾体的暴露度和脆弱性;最后计算洪灾风险,分析洪灾风险时空动态变化。结果表明:水动力模型的平均命中率达0.80以上,误报率低于0.28;在浔江防洪保护区内,中高风险区占5.20%以上;1997—2017年间,不同等级的洪水风险均呈加剧趋势,值得警惕的是中高风险区近46.69%区域风险上升趋势显著。研究成果可为科学高效的洪灾风险管理提供决策支持。

针对以径流相对亏缺状态表征的水文干旱事件,采用3种常用的概率分布函数Log-normal、Gamma和Normal,拟合了赣江外洲站实测年径流资料;利用外洲站年径流的统计特征,推导了干旱历时和干旱强度2种典型干旱特征变量的理论概率分布函数的参数;计算了期望间隔时间定义下干旱历时内累积干旱强度达到某一阈值的干旱事件的重现期,并采用Monte Carlo随机模拟技术进行了验证。结果表明:根据年径流统计信息解析推求水文干旱事件的重现期,具有较强的统计基础和可信的精度,能够一定程度克服依靠有限观测水文序列进行干旱事件重现期推断的样本偏差,可为定量评估流域干旱风险,支撑流域水安全保障提供新的思路。