复杂性 复杂性 1099 - 0526 1076 - 2787 Hindawi 10.1155 / 2021/8827046 8827046 研究文章 Biliu流域洪水模拟分析的基础上,迈克模型 https://orcid.org/0000 - 0002 - 5179 - 001 x 刘 气 1 2 https://orcid.org/0000 - 0002 - 8459 - 1121 王 Dianwu 3 张 玉龙 1 王 李 4 Lv Zhihan 1 沈阳农业大学 大学的土地和环境 沈阳 辽宁110866 中国 syau.edu.cn 2 辽宁农业大学 营口 辽宁115009 中国 3 辽宁省水资源部门 沈阳 辽宁110003 中国 4 抚顺职业技术学院 化学工程学系 抚顺 辽宁113122 中国 2021年 31日 1 2021年 2021年 14 9 2020年 15 10 2020年 21 1 2021年 31日 1 2021年 2021年 版权©2021气刘et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

大连Biliu河是世界上最大的河流。洪水和干旱的发生在这个盆地有极其重要的影响对当地工业、农业和城市发展。很长一段时间,年度Biliu流域降水的分布非常不均匀,从每年河流径流变化很大,季节,洪水和干旱频繁发生,和严重的水土流失导致生态环境脆弱,水资源严重短缺。摘要时空Biliu流域降雨和径流的变化研究了通过耦合迈克11模型和迈克她模型。Biliu河流域的水文变化模拟。耦合模型验证了月度径流数据从1996年到2015年,和仿真值被发现是真的。的值匹配。基于周期性模式Biliu河流域的降水和径流Biliu流域的降雨和径流数据从2016年到2030年。她/ MIKE 11耦合模型用于预测Biliu河从2016年到2030年。结果表明,洪水灾害预计将发生在2020年8月,2025年7月和2030年7月,这可以提供一个Biliu河流域水文管理基础。

 1。介绍

Biliu河是最大的河在辽宁省的南部。盆地贯穿营口和大连。洪水和干旱盆地的状况直接影响到工农业发展和经济增长的两个地方的人。水文茧站位于Taudaoling村,Guiyunhua乡、Zhuanghe城市,辽宁省。它有一个122°33′E经度和纬度40°02′N。它成立于1958年。它是最长的站在河里盆地和有最长的统计周期。综合水文监测站最长和最完整的水文和气象数据是唯一的省级Biliu流域的水文监测点。Biliu水文站位于Shuangta镇太阳村的城市,辽宁省,东经122°28′,北纬39°49′。站成立于1986年。 The total length of 42 km from Cocoa Field Station to Biliu Reservoir is a relatively concentrated area for catchment of water in the upper and upper reaches of the Biliu River Basin. The rainfall during the flood season at each station exceeds 70% of the annual rainfall [ 1, 2]。呵呵水库的水文条件可以反映洪水和洪涝灾害Biliu河,规则具有重要意义Biliu流域的洪水预报( 3]。

与自然现象研究的深入,准确描述和科学披露降雨径流模式在自然界通过数学方法可以帮助人们更好地了解和预测自然水循环和水资源合理和科学的分配和使用。这已成为一个热点在水文研究[ 4- - - - - - 6]。分布式水文模型是数字化降雨、蒸发、径流数据通过海拔显示径流的水文变化过程和水池,有更高的要求,数据的准确性 7]。在专业软件方面,丹麦的水资源和水环境研究所一直是世界领袖( 8]。公司的软件已在实际工程中得到了验证,在水资源研究被广泛认可。软件的功能覆盖生产、水槽和流动,包括土地、河流、湖泊和海洋。空间范围从一维到三维的。研究领域涵盖了从水环境流体力学,和研究业务范围从水资源评估和管理地表水和地下水( 9, 10]。结合、一维河流网络、河口二维和三维的深海。丹麦的水资源和水环境研究所是一家专业研究部门致力于水资源和水环境( 11]。他们的技术一直是世界领袖( 12]。水文在法国、英国和丹麦已经开发了第一个小流域水文模型,她 13]。为了解决计算不同的水文过程和价值之间的关系,不同的进程同时,阿西娅协会分裂和结合了组件,这些组件构成了她最初模型和实现的耦合 14]。丹麦水资源研究所(济)使用相同的代码来港所有重要的耦合的组件。相关学者的迈克她模型通过技术改进MODFLOW和OPENMI 15, 16]。迈克11是一种广泛使用一维河流运河水动力模型。相关学者使用迈克11建模系统来管理水资源Strymonas河和Kerkini湖,取得了良好的效果 17, 18]。迈克她是广泛应用于各种径流模拟。研究者玛哈纳蒂河沿岸Saliberta盆地的盆地为研究对象,专注于迈克physical-based分布式建模系统的应用她,效果很好 19]。相关学者使用空间分布模型迈克她不要分析造林和树种对水文的影响在不同的水域和使用11 / MIKE她研究区域水资源管理 20., 21]。

本文从辽宁南部使用水文气象数据从1978年到2016年,深入分析的基础上发生的降雨,蒸发和径流及其对洪水和干旱的影响。径流排水动态过程的数值模拟,洪水和干旱的特点Biliu流域的系统研究,及相关机制进行了讨论。当地建议控制洪水和干旱等自然灾害,加强生态建设。

本文的其余部分组织如下。部分 2分析数据的收集和处理。模型建立部分 3节中,验证了模型和预测 4。最后,部分 5总结了全文。

 2。数据收集和处理

根据Biliu河流域的实际情况,信道条件在模拟部分,该研究的最终目标,几个模块,如河流径流(OC),坡流(OL)和不饱和流(是乌斯)在迈克11中选择模型。

迈克的所有水文过程和选择模块11模型,我们整理收集到的数据,总结模型范围、地形、降雨、植被、和其他数据,建立参数,充分准备建模。Biliu河流域的范围如图 1。

Biliu河流域的程度。

 2.1。地形

地形数据来自于地形图高程数据从Ovi地图,下载包括模拟流域的水系统图。高程数据来自地理国情监测云平台;通过调整坐标系统和ArcGIS的光栅化,生成相应的地形水系统图。

 2.2。土地覆盖/利用

土地覆盖/利用数据来自农业部的历史统计数据。土地覆盖类型、土壤类型和植被分类都从观测数据中提取的决议500米。与MODIS数据投影转换和合并Reprojection工具(捷运)。在此基础上,形成常用的高斯克鲁格格式,可以方便数据同步处理。

有多个土地覆盖分类系统。本研究使用一个共同的农业植被分类方案。大多数Biliu流域是一个农村地区,和1978 - 2016年间土地利用变化不大,它是相对稳定的。因此,1999年土地利用类型是用于治疗,分为林地(针叶林,阔叶林,灌木)占45.41%,耕地(所有农业用地)占42.45%,住宅和工业用地占7.07%,花园土地占1.66%,未利用土地占0.02%,水域面积占3.39%。Biliu流域的土地利用类型如表所示 1。

在Biliu河流域土地利用类型。

土地利用类型 比例(%)
林地 45.41
可耕种土地 42.45
花园 1.66
水域 3.39
城市和工业用地 7.07
未利用土地 0.02
总 One hundred.
2.3。土壤类型

根据当地土壤数据查询,Biliu流域的土壤类型及其参数如表所示 2。它可以从表中找到 2褐土土壤的饱和导水率是最高的;草甸土的饱和含水率是最高的;稻田土壤的田间持水量是最大的;此外,枯萎的水稻土的含水率也是最大的。

土壤参数的计算。

编号 枯萎含水量(%)卷 天津持水量(%)卷 饱和含水量(%)卷 饱和导水率(10 - 6 m / s) 请注意
棕壤 14.3 27.1 43.8 3.72 校准参数
棕壤 14.8 26.5 36.5 4.13 校准参数
水稻土 30.8 43.1 42.3 2。8
滨海盐渍土 14.8 28.3 45.6 3.68
草甸土 12.6 28.5 46.1 3.78 校准参数
2.4。植物叶面指数

叶面指数(LAI)的每个覆盖类型可以确定在本研究过程中根据实际测量结果,以及相关的结果如表所示 3。

Biliu流域植被叶面积指数。

类型 1月 2月 3月 4月 可能 6月
可耕种土地 0 0 0 0 1.5 2。0
林地 0 0 0 0 3 6
花园的土地 0 0 0 0 0.25 0.50
水域的城市和行业未使用 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
类型 7月 8月 9月 10月 11月 12月
可耕种土地 3.5 4.6 4.5 3 0 0
林地 6 6 6 3 0 0
花园的土地 2 2 2 2 0 0
水域的城市和行业未使用 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
2.5。其他人

四个水文站Biliu河的茧,Xiaosongjiatun, Biliu水库,水库支流侑士。年平均径流是6.12亿米3。

参数与降水、蒸发和径流是决定根据水文统计局的统计数据。中使用的气象数据计算和分析来自辽宁气象局。Biliu流域的位置如图 2。

调查站Biliu流域的地图。

有明显的相似之处的平均降雨量和年降雨量分布在流域汛期。整个流域逐渐减少从北部的Dajiangtun西南部和南部Chengzitan矿洞。所有地区都从东北到西南逐渐减少。增加降雨的地区位于Dongsandaogou和Taipingzhuang东北部。降水量大于560毫米,而较低的地区降雨位于孟加拉国、降雨量小于500毫米。

 3所示。模型建立 3.1。该模型的基础

每个站的径流深度随时间不会改变。侑士水库的径流深度网站已经成为小由于调试侑士2003年水库。同时,侑士水库的径流深度也影响主流Biliu河和Xiaosongjiatun茧。Xiaosongjiatun站位于Biliu河的下游,及其径流大大地影响Biliu河水库。此外,随着时间的推移逐渐减少降雨径流的深度也是主要原因。堵塞的河道和植被的拦截会减少径流深度。

在水文过程的研究中,人们普遍认为,高潮的一年是一年当流量大于正常流量,同时为低水位的一年正好相反。本文的结果表明,Biliu水库已经湿多年干多年在过去的40年,而其他网站是相反的结果。整体分析表明,丰水年的比值的枯水年Biliu水库是3:2,和汛期基本上是按照年度平均水平,这表明Biliu水库的调节作用是显而易见的。

的建模过程采用部分中的主流茧字段Biliu Biliu水库流域。河的这部分有一个很大的径流和频繁的洪水。它起着非常重要的作用在预防Biliu流域洪水。模拟期间,迈克她用来模拟径流、降雨,在茧和蒸散配件条件字段,和迈克11被用来模拟Biliu水库的水位变化。

结合水库的设计数据,设置防洪警戒水位。在这项研究中,Biliu水库警戒线69.8米由辽宁省水利勘察设计研究院设计的1982年作为指标洪水发生,和最高安全水位68.1米。如果Biliu水库水位达到或超过警戒水位,水库洪水发生,需要被淹没。

有许多因素影响径流变化,但降雨是最重要的因素。分析降雨和径流之间的关系在不同的站在Biliu河盆地,它是发现,年径流和降雨的总体趋势是一致的。其次,完成和调试的侑士水库2003年大大提高隐藏洪水危害和Biliu流域径流条件,和Biliu水库设计标准的不断提高。第三,改善河道降低河道的渗漏损失,因此径流的影响不明显,年降雨量持续减少。

总共有42公里从茧场Biliu水库。在建模过程中,部分建立在茧站,从茧站40.5公里,从茧站41.99公里,42公里从茧站来减轻水流。建立了堰41.999公里从茧站控制水位。当水位超过89.2米,坝将自动防止洪水,直到达到安全水位68.1米。

径流集中由向量法合成的月径流,和由此产生的复合量的比率年径流可以用来描述径流的浓度水平。集中期指的是这种复合矢量的取向,它描述了月对应年度径流集中的重心。在数学分析的过程中,通常所描述的切角组件总和的比值。

为方便研究,Biliu水库是广义到河的一部分研究。下面的河水库被设定为一个常数水位30 m和河的自然斜坡下降比率是2‰。

在这项研究中,5年移动平均法是用于选择典型车站Biliu河,即茧网站Biliu水库,Xiaosongjiatun,和侑士水库对径流的变化趋势进行分析。然后,可方法被用来分析站点和茧Biliu河。方法可用于测试的突然改变降雨趋势。可法是一种非参数检验方法。它不需要分析样本的分布。异常值的影响非常小。它不需要考虑。它具有较高的适用于各种类型的变量。结果的准确性高,而且计算简单。m k方法广泛应用于水文研究和气象研究趋势检查。

对气候序列 x 我在时间 我, 我= 1,2,… n−1, (1) 米 j = 1 , x j > x 我 , 0 , 其他的, (2) r 我 = ∑ j = 我 + 1 n 米 j , (3) Z = 4 ∑ 我 = 1 n − 1 r 我 n n − 1 − 1。

我们设置了显著性水平 α= 0.05,然后标准 (4) Z α = 1.96 × 4 n + 10 9 n n − 1 1 / 2 。

假设序列 x1, x2、… x n,年代 k代表累积的数量 我th样本 x 我> x j(1≤ j≤ 我),定义的统计数据 (5) 年代 k = ∑ 我 = 1 k r 我 , r j = 1 , x 我 > x j , 0 , x 我 ≤ x j 。

3.2。模型建立

迈克她模型把执行的径流模拟方程,动量方程的模拟由以下方程: (6) ∂ h ∂ t + ∂ u h ∂ x 我 + ∂ v h ∂ x j = 问 , (7) ∂ h ∂ x 我 = 年代 o x 我 − 年代 f x 我 , (8) ∂ h ∂ x j = 年代 o x 我 − 年代 f x j 。

的公式, h( x 我, y j)代表了地表水深度(m), ( x 我, y j)代表的空间坐标, t是时候, u和 v 代表了地表径流速度(米/秒) 问代表了源库的水平方向单位面积上的流入(m3/ s m2), 年代 oi和 年代 橙汁( x 我, y j)表示地面斜坡的方向 x 我和 y 我, 你以后和 Sfj( x 我, y j)代表下坡的方向 x 我和 y 我。

Biliu流域的降雨和径流模拟,和迈克11为洪水预报研究和迈克是耦合的。

3.2.1之上。迈克11模型

我们建立一条河流网络文件Biliu流域基于DEM数据的要求。横截面数据转换成一个.shp文件并输入到迈克11模型调整水动力参数数据。

横截面数据模拟迈克11模型来源于水库的推广渠道设计和实际地形数据。大量的水来自降雨产生的径流汇流的茧站。茧领域站位于59公里从河里来源;较低的边界101公里从河里来源。本节中的流域位于Biliu河流域的中间。河流径流和大型的浓度下降具有重要意义为研究干旱和洪水法律Biliu流域和预测。上、下边界之间的高度差计算的平均比率河道和实际相对高度差。水动力参数默认设置。

 3.2.2。迈克她模型

在模型中计算区域,选择Biliu河流域的主流。网格时,网格的大小确定为1公里。目标区域划分来确定50×100单位。在本研究过程中,为方便预处理和补充,都是统一转换成80西安坐标系。降雨数据处理和决定基于各种站在这个领域的测量值。适当地处理结果形成相应的时间序列文件( ∗ .dfs0);蒸发数据决定根据当地气象数据。笔者公式计算获得原始数据,以及由此产生的ET0值是用来生成一个 ∗ .dfs0文件。在模型中,降雨和蒸发数据由泰森多边形另行规定。Thiessen多边形是一系列的垂直平分线组成的连续多边形连接两个相邻点。任意点的距离在Thiessen多边形控制点构成的多边形小于其他多边形的控制点之间的距离。

 3.2.3。耦合的她/ MIKE 11

水运动模块的迈克她覆盖了水循环的主要过程。它可以在不同的尺度研究水文循环过程。它描述了径流的水文循环过程通过蒸散,坡流,河流和湖泊、不饱和流,和饱和流:蒸散(ET)相关因素主要包括拦截、土壤、和水面蒸发;根据边坡地表径流描述流(OL)等;河流和湖泊(OC)迈克获得的仿真分析;水库和大坝的相关性也计算。然而,水动力模拟的迈克她频道的一部分是不够的,需要加上迈克11。建立一个全面的她/ MIKE 11模型包括以下基本步骤。

首先,我们设置了相应的迈克11水动力独立模型,然后测试和分析,在可能的条件下通过指定从流量参数初步确定。她模型,然后,我们建立了耐克的模块主要包括表面流和饱和带,不饱和带,等等。水动力模拟(1)和水动力模拟(2)所示的数字 3和 4,分别。

水动力模拟(1)。

水动力模拟(2)。

分支河流被定义为两个模型之间的联系,和两个耦合的。湖子模块OC用于导入仿真文件之前的相关模型。同时在此仿真系统中,两个模型模拟和分析和数据处理的两个开关基于共享存储空间。迈克11对应的径流计算水位,结果转移到后者的模型,然后将分析结果与表面地形信息存储在模型来确定剩下的水量。可以推断出,水的影响因素之间交换的两个主要对应的蒸发和渗透河地表水和相应的交换。最后,计算水流交换通过水槽与第一个模型把方程的源项。

迈克她模型输入过程中,相应的输入数据内容确定相应的模块和解决问题的需求的基础上模拟水文过程。基本参数包括模型范围、地形和降雨。这些数据在各种迈克她模型是不可或缺的。基于研究领域,网格的大小在研究设立1公里。目标区域被分割决定50×100细胞。在本研究过程中,为方便预处理和补充,所有数据转换和统一转换为80西安坐标系。

我们使用迈克11模拟河流从茧字段Biliu Biliu水库流域。根据需要,在Biliu流域DEM数据用来创建一条河流网络文件,和截面数据转换成.shp文件进入迈克11模型调整水动力参数数据。

横截面数据模拟迈克11模型来源于水库的推广渠道设计和实际地形数据。大量的水来自降雨产生的径流汇流的茧站。茧领域站位于59公里从河里来源;下边界位于101公里从河里来源;本节中的流域位于Biliu河流域的中间。河流径流和大型的浓度下降具有重要意义为研究干旱和洪水法律Biliu流域和预测。上、下边界之间的高度差计算的平均比率河道和实际相对高度差。水动力参数默认设置。迈克她和迈克之间的耦合11如图 5。

耦合河11 / MIKE她的模式。

 4所示。模型验证和预测

为了验证模型的效果,迈克她模型参数的调整应该尽可能小。在她/ MIKE 11耦合模型中,参数的设置会影响她和MIKE 11模型,他们在河里统一的网络。之间的相关性水平测量值和模拟值是所描述的相关系数,拟合程度的两个由纳什评估系数。 (9) R = ∑ t Calc 我 , t − Calc 我 ¯ ⋅ 奥林匹克广播服务公司 我 , t − 奥林匹克广播服务公司 我 ¯ ∑ t Calc 我 , t − Calc 我 ¯ 2 ⋅ ∑ t 奥林匹克广播服务公司 我 , t − 奥林匹克广播服务公司 我 ¯ 2 (10) N 年代 e = 1 − ∑ t 奥林匹克广播服务公司 我 , t − Calc 我 , t 2 ∑ t 奥林匹克广播服务公司 我 , t − 奥林匹克广播服务公司 我 ¯ 2 。

其中,Obsi,钙, 奥林匹克广播服务公司 我 ¯ , Calc 我 ¯ 测量和计算值和平均值的我,分别。分析了无的值范围是负无穷到1。参数越大,可以判定为更好的模拟效果,和信誉需求得到满足。如果了无接近0,这反映出接近观察意味着获得的结果;信誉在接受区间。如果是小,模型是靠不住的。相关的经验表明,如果了无大于0.75,仿真效果可以判定为好;0.36至0.75的范围内,它可以被认为是基本满意;如果小于0.36,需求并不满意。一般来说,当 R> 0.8,认为线性相关性高的水平。

4.1。校准参数

她/ MIKE 11耦合模型使用茧字段从1986年到1995年的数据为参数校准。校准结果如表所示 4。径流过程的仿真结果之前和之后的校准数据所示 6和 7。

参数率测定结果。

参数名称 校准结果 参数的单位
土壤水分蒸发蒸腾损失总量 1.665 毫米/ d
斜率粗糙度( 米) 5.0 米1/3年代−1
初始水深 −0.5 米
通道粗糙度(RM) 5.0 米1/3年代−1
饱和导水率
棕色土壤 4.13 ∗ 10−6 女士−1
褐土 3.72 ∗ 10−6 女士−1
滨海盐土 3.68 ∗ 10−6 女士−1
草地土壤 4.68 ∗ 10−6 女士−1
稻田土壤 2.80 ∗ 10−6 女士−1

仿真结果的月径流Jianchang字段(1986∼1995)。

月径流的模拟结果茧后校准(1986∼1995)。

校准前的相关系数 R =0.751294,纳什指数分析了无= 0.531545;校准后的相关系数 R= 0.94583,纳什指数分析了无= 0.71379。模拟和观测值达到一个良好的拟合效果。

 4.2。模型验证

她/ MIKE 11耦合模型验证了使用两个连续10年降雨和径流茧字段的数据从1996年到2005年和2006年到2015年。结果如图 8和 9,分别。时间序列的验证结果从1996年到2005年,相关系数 R= 0.98818,纳什指数分析了无= 0.918427;时间序列的验证结果从2006年到2015年,相关系数 R= 0.964802,纳什指数分析了无= 0.895926。这表明两个时期的模拟值与观测值有很好的一致性是否从山顶流或观察时间。

仿真结果的月径流Jianchang字段(1996∼2005)。

仿真结果的月径流Jianchang字段(2006∼2015)。

数据 10和 11显示水位的变化在Biliu水库站连续两年(1996 - 2005和2006 - 2015年)。它可以发现,从1996年到2015年,连续20年Biliu水库的水位超过警戒水位69.8米:1995年7月,1996年7月,1997年8月,1998年8月和2001年8月,2005年7月,2006年8月,2010年8月,2011年8月,2012年7月和2013年7月,这些时间节点配合历史Biliu水库水位的变化,表明河水库的水位模拟结果可以反映出真正的水库的水位变化。此时,需要排出,防止水库洪水。

仿真结果的月度水位Biliu河水库(1996∼2005)。

仿真结果的月度水位Biliu河水库(2006∼2015)。

 4.3。应用程序的模型和洪水灾害预测

她/ MIKE 11耦合模型校准和验证的降雨、蒸发、径流茧字段的数据从1985年到2015年。发现验证模型是在良好的协议与实际效果,和Biliu水库的水位变化从仿真获得基本上是符合Biliu水库的历史数据。这表明该模型预测的应用Biliu河流域洪水灾害有很好的效果。

基于周期性模式Biliu流域降水和径流的时间,Biliu流域的降水和径流数据从2016年到2030年。她/ MIKE 11耦合模型被用来预测Biliu河流域洪水灾害从2016年到2030年。

图 12显示了每月的径流模拟的结果通过茧。的相关系数可以看出,派生值和模拟值之间的相关系数R = 0.965588,纳什指数分析了无= 0.920947,拟合效果很好。图 13显示了Biliu水库的水位变化。可以看出,洪水灾害预计将发生在2020年8月,2025年7月,2030年7月。

仿真结果的月径流Jianchang字段(2005∼2015)。

仿真结果Biliu月度水位的水库(2005∼2015)。

 5。结论

的部分Biliu流域从茧场Biliu水库,本文使用了迈克11模型创建一个一维水动力模型。通过各种地形指标,迈克她模型建立。迈克11模型的耦合和迈克她模型用于研究降雨和径流的时空变化在这个盆地和模拟Biliu流域的水文变化。基于Biliu流域的月径流数据从1986年到1995年,模型参数校准,得到一个合理的参数方案。模型验证了通过月度径流数据从1996年到2015年,和仿真值被发现是在良好的协议与实际值,确保模型的适用性的研究领域。基于周期性模式Biliu流域降水和径流的时间,Biliu流域的降水和径流数据从2016年到2030年。她/ MIKE 11耦合模型被用来预测Biliu河流域洪水灾害从2016年到2030年。结果表明,洪水灾害,预计在2020年8月,2025年7月,2030年7月。

 数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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