利用变分自编码器和自组织映射技术对加纳城市周边的地下水污染进行评估

《Journal of African Earth Sciences》：Harnessing Variational Autoencoders and Self-Organising Maps for Groundwater Contamination Assessment in Peri-Urban Ghana

降雨径流模拟与洪水风险分区研究——基于Safaga河谷流域的HEC-HMS模型分析。采用统计分布估算降雨深度，构建25-100年不同重现期径流模型，结合SCS方法与GIS技术，计算峰值流量（百年一遇最大137.5 m3/s）及总径流体积（12288.5千立方米），识别五级风险区，揭示地貌与气候对洪涝的复合影响，提出区域防洪优先级建议。

　　该研究聚焦于埃及的Safaga山谷盆地，旨在通过建立雨水径流模型，评估该地区洪水风险并为未来防洪策略提供科学依据。Safaga山谷盆地位于埃及西部的Safaga市以西，地处东非沙漠，其地理范围大致介于北纬26°27?20"至26°45?00"、东经33°29?30"至34°0?0"之间，总面积约为720.21平方公里。该区域东临红海，西接El Dob和Elarf山脉，南靠Jasus峡谷，北邻Naqara和El Baroud峡谷。由于Safaga山谷盆地地处干旱和半干旱环境，水资源的获取和管理面临严峻挑战，而洪水灾害对当地基础设施、居民生活和生态系统造成重大影响。

研究的主要目标是利用HEC-HMS模型进行雨水径流模拟，以评估不同重现期（25年、50年、100年）下的洪水风险。由于该地区缺乏径流测量数据，研究采用了基于已知物理参数的未校准模型。这种模型特别适用于数据稀缺的流域，能够在没有直接观测数据的情况下，通过气象站的降雨数据进行估算。通过结合遥感数据和地理信息系统（GIS）技术，研究实现了对流域内降雨深度的统计分布分析，并据此绘制出降雨强度-持续时间-频率曲线（IDF曲线），以评估不同降雨事件对流域的影响。

HEC-HMS模型是一种广泛应用的半分布式水文模型，能够模拟降雨与径流之间的时空关系。该模型不仅能够预测峰值流量和直接径流体积，还能生成水文曲线，从而帮助规划者制定防洪基础设施设计和水资源管理方案。在本研究中，通过GIS环境对Safaga山谷盆地的子流域进行划分，应用HEC-HMS模型对各子流域的水文响应进行了模拟。研究结果表明，在100年重现期下，整个Safaga山谷盆地的峰值流量为698.4立方米/秒，其中子流域7的峰值流量最大，达到137.5立方米/秒。此外，100年重现期下的总径流体积为12288.5千立方米，子流域7的径流体积也最大，为3050.2千立方米。

在洪水风险评估方面，研究识别出五个可能的洪水风险等级：极低、低、中等、高和极高。其中，子流域2、3、4和6的洪水风险等级为高或极高，表明这些区域是未来防洪工作的重点。Safaga山谷盆地近年来经历了多次严重的暴雨和山洪灾害，这些灾害不仅对交通基础设施造成了破坏，还导致了人员伤亡和经济损失。例如，在1994年9月至11月以及1997年5月，红海州曾发生大规模山洪，导致Safaga至Quseir之间的道路受损，并造成200人死亡。2020年9月，由于强降雨，红海沿岸也发生了洪水，导致Safaga至Sohag的道路关闭。

研究进一步指出，由于人口增长和生活方式的变化，土地和水资源的保护成为当前社会和生态问题的重要组成部分。水资源的稀缺性和不稳定性使得研究洪水风险和水文过程变得尤为必要。此外，气候变化导致全球气温上升，进一步影响了降水的频率和强度，从而对水文事件和水资源供应产生了深远影响。因此，建立准确的水文模型对于评估水资源状况、预测洪水风险以及制定可持续的水资源管理策略至关重要。

在数据收集和模型构建方面，研究采用了多种数据来源，包括遥感影像（如ALOS PALSAR卫星提供的12.5米分辨率数字高程模型，DEM）用于划分流域边界。同时，研究还利用了气象站Hurghada从1985年至2012年的日降雨数据，这些数据被用于估算不同重现期下的降雨深度。通过这些数据，研究建立了Safaga山谷盆地的水文模型，并对各子流域的水文响应进行了模拟。此外，研究还通过实地考察进一步验证了模型的准确性，确保模拟结果能够真实反映实际的水文过程。

研究发现，由于Safaga山谷盆地地处干旱和半干旱环境，降雨与径流的关系较为复杂。这种复杂性使得传统的水文模型难以准确预测洪水风险。因此，采用基于物理参数的半分布式模型成为一种有效手段。HEC-HMS模型在该研究中表现出色，能够模拟不同降雨事件对流域的影响，并提供峰值流量、径流体积和水文曲线等关键数据。这些数据不仅有助于理解流域的水文行为，还能为水资源管理、防洪规划和土地利用决策提供科学支持。

此外，研究还强调了遥感技术和GIS在水文建模中的重要性。这些技术能够帮助研究人员获取更全面的地理信息，并提高模型的精度。通过整合遥感数据和GIS，研究能够更准确地反映不同流域的水文特征，从而为水资源管理提供更可靠的基础。同时，研究指出，由于气候变化的影响，未来的水文过程可能会变得更加复杂和不可预测，因此建立灵活、可靠的水文模型对于应对这些挑战至关重要。

在讨论部分，研究进一步分析了模型应用的局限性和挑战。由于该地区缺乏直接的径流观测数据，模型的准确性在一定程度上依赖于降雨数据的质量和模拟方法的选择。因此，研究建议在未来的水资源管理中，应更加重视数据的收集和整合，以提高模型的预测能力。此外，研究还指出，尽管HEC-HMS模型在许多研究中得到了广泛应用，但其在不同流域中的适用性仍需进一步验证。因此，模型的选择应基于具体的建模目标和流域特征，以确保模拟结果的科学性和实用性。

研究还强调了水文模型在可持续水资源管理中的关键作用。通过模拟降雨与径流之间的关系，水文模型能够帮助规划者预测未来可能的洪水事件，并制定相应的应对措施。此外，模型的输出结果能够为水资源的合理分配和使用提供科学依据，从而减少水资源浪费和环境污染。因此，水文模型不仅在学术研究中具有重要价值，在实际的水资源管理中也发挥着不可替代的作用。

在结论部分，研究指出，干旱和半干旱环境中的降雨与径流过程比湿润地区更为复杂，这使得水文建模和洪水风险评估面临更大的挑战。然而，通过采用先进的水文模型和数据收集技术，研究人员能够更准确地预测洪水风险，并为防洪基础设施的建设提供科学支持。此外，研究还建议在未来的水资源管理中，应更加重视数据的整合和模型的优化，以提高水资源利用的效率和可持续性。同时，研究强调了防洪策略的重要性，指出这些策略应针对高风险区域进行重点部署，以最大限度地减少洪水带来的损失。

总之，该研究通过应用HEC-HMS模型，结合遥感数据和GIS技术，对Safaga山谷盆地的水文过程进行了系统分析。研究结果表明，该模型能够有效模拟不同重现期下的洪水风险，并为防洪基础设施的设计和水资源管理提供科学依据。此外，研究还指出了未来水资源管理中的关键挑战和机遇，强调了数据收集和模型优化在应对这些挑战中的重要性。通过这些分析，研究为埃及及其他类似地区的水资源管理和防洪规划提供了宝贵的参考。