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[转载]广义单位线法及其应用(作者:郭俊克)

已有 1033 次阅读 2021-10-28 15:53 |个人分类:人物沧桑|系统分类:观点评述|文章来源:转载

注:本文消息由旅美学者郭俊克先生提供,内容为他刚做的一个学术报告(Beijin2021 (Junke Guo).pdf)。

                                                                 广义单位线法及其应用

                                                              郭俊克   2021年10月27日

                                        (以下为10月28日在海峡两岸水利论坛会议上的演讲稿)

 Introduction

(Slide 1: title)

       诸位,有礼了。我是郭俊克,山西人,在美国内布拉斯加大学工作。今天和大家分享的是 我的最新研究心得:广义单位线法及其应用。

        在这个演讲中,请大家注意两个中国人对单位线理论的贡献。第一个是黄万里,第二个是周文德(Ven Te Chow)。

(Slide 2: Contents)

       让我们首先回顾一下单位线的历史;然后讲一下,广义单位线法如何在三个月之内,由一个经验定律上升为一个理论定律。接着,我们给几个实例,看看广义单位线法好不好用。

(Slide 3: History of Unit Hydrograph)

       单位线在1932年由美国人谢尔曼(Sherman)首创。他说:假定我们有一个流域,在时段 delta t 内(10 分钟,一小时,一天,等等)下了一个单位的雨量(比如说一方水),在其出口处形成了一个径流过程线,这个过程线叫单位流量过程线,简称单位线。如果我们求得这个过程性,我们就可以算出任何雨量的过程线了。不过,对不同时段,我们必须经过一个叫S-hydrograph 的曲线转换。这就像人民币和日元的兑换,必须经过美元换算才行。

       黄万里先生,他年轻时就喜欢挑人毛病。他说:这多麻烦呀,今天降雨可能一小时,明天可能一天,后天可能一天半,这得要多少单位线呀?于是,他灵光一闪:谢尔慢的单位线包含了降雨过程,如果把降雨时段缩短为零,降雨就是瞬时降雨,对应的单位过程线就是瞬时单位线。这个单位线就只包含了流域地貌对单位线的影响,而没有降雨成分了。然后,任何雨量的洪水过程线都可以用瞬时单位线进行scale 了。

多好的想法呀!可惜黄先生没有给出一个单位线的解析式子,这使他的想法一直停留在概念阶段,不能用于实际。连黄先生自己写的书,也不提它了。难怪人们不知道他的贡献。更有人说他吹牛皮。

       到了1951年,美国人Edson 发现:嗨,我们可以用伽马函数近似瞬时单位线。到1957年,英国人Nash 说,如果我们把一个流域看做好多串联在一起的线性水库(参看图),我们就可以导出瞬时单位线是伽马函数。这样,人们就把瞬时单位线的皇冠带在了Nash 的头上了。但是,把流域看成串联水库,物理上是错误的。

       1964年,中国人周文德把系统论的方法引入水文学,提出了线性水文系统。他说:我们把流域看做一个系统,系统的性质由质量守恒定律和流域蓄水方程确定(参看公式)。这样,我们就可以解出一个理论单位线了。这个理论的第一近似就是经典的线性水库模型,第二近似是一个二阶线性微分方程,第三近似是一个三阶线性微分方程,and so on.   最终,因为参数太多,没有实用价值。就连他自己写的教课书,也没有一个单位线方程是由他的线性理论得到的。

广义单位线法是如何提出来的?

(Slide: General Unit Hydrograph)

       时间到了2020年,新冠疫情在全球蔓延。不少科学家就研究起新冠模型了。郭俊克也加入了这一行列。他建立了一个疫情模型,与资料符合很好。他发现这个疫情模型与单位过程线长得很像。于是,就拿来算了一下降雨-径流工程。哇噻!好得不得了!

        于是,他就按建立疫情模型的方法,建立了一个广义单位线法。这篇文章马上就会出现在美国土木工程学会的“水文工程学报”。但是,这个方法只是一个经验方法,缺乏物理基础。

        毛主席说:世界上没有无缘无故的爱,也没有无缘无故的恨。科学上,公式与资料也没有无缘无故的符合。如果符合很好,一定有它的道理。于是,郭俊克就一鼓作气,看能不能从周文德的线性水文系统导出来广义单位线方程。Luck! 这个广义单位线方程就是周文德线性水文系统的完整解。从此,为单位线理论画了一个感叹号! 这篇理论文章也已经投到了美国土木工程学会的“水文工程学报”了。

应用实例

        现在我们看单位线法好不好用。我们算了四个流域的洪水过程,理论与资料符合都很好!

结论:单位线从经验中来,有理论根据,还与实际资料符合。是一个既简单又实用的方法,希望大家一起检验,一起改进;希望它对洪水预报和工程设计有所作为。




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3 戴新刚 蒋大和 黄河宁

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