城市河网工程群多目标联合调度优化模型

城市河网工程群联合调度优化是一项复杂的系统工程,涉及多种闸、泵、堰等水利工程,是多时段、多对象、多约束、多目标非线性优化问题。基于此,提出了面向河网水环境改善目标的水工程群多目标联合调度优化模型,综合运用了“水量水质模型—优化调度模型—优化求解算法—方案优选方法”耦合方式,构建面向河网水环境改善的工程群多目标联合调度优化模型,并采用EMMOPSO算法的优化模型求解、基于AHP-TOPSIS的联合调度方案优选,以实现对河网水工程群联合调度的优化与决策支持,选择了长三角地区某城市河网开展了优化模型关键技术的数值试验与案例分析。结果表明:相较于水工程常规调度方式,本优化模型可以减少河网生态引水量23.9%~28.5%、提升河网水体水质达标度11.8%~90.4%,优化模型能够支撑平原城市河网地区取得显著的防洪除涝、水资源调配、水环境改善等多方面的综合效益。

滨湖城市防洪智能调度与“四预”业务系统开发--以江苏无锡市运东大包围为例

信息化技术的革新为水利行业发展提供了重要的机遇,但受限于历史实测资料不足,人工智能算法在滨湖平原河网地区洪涝预报中的应用存在一定困难。以江苏无锡市运东大包围为研究区域,详细阐述了城市洪涝智能预报调度的实现路径,利用水文水动力模型生成调度预案集,分别采用长短期记忆网络模型与卷积网络模型构建城市河网关注点水位智能预报方法与城市内涝风险阈值快速计算方法;以服务“四预”(预报、预警、预演、预案)业务为导向设计防洪智能预报调度系统,开发系统功能,集成专业模型与智能模型服务于业务场景应用,以实践探索为太湖滨湖城市洪涝预报调度一体化、智能化、业务化提供参考。

大尺度水利数据底板可视化探索与实践

数据底板作为数字孪生平台核心组成部分,在支撑数字孪生水利建设中作为“算据”发挥着关键性的基础作用。在数据底板可视化方面目前还存在数据要素标准不统一、融合渲染方法不明确、业务场景难支撑的问题,特别是大尺度三维数据底板如何融合构建、共享、更新与应用,尚未形成高效的解决方案。根据数字孪生水利建设数据底板建设思路,详细阐述了当前多源多级数据融合方法和业务可视化同步映射技术,并以淮河流域水利要素可视化模型构建开展实践探索。结果表明:多源异构数据标准化治理与可视化模型轻量化渲染在数据底板建设中至关重要,不仅能够支持流域尺度物理实体与数字要素的同步映射,也能够增强多场景的业务服务能力,为流域水安全保障提供关键数据支持。

基于静态—动态变量解耦的城市积淹水深快速分析方法

随着全球气候变化和我国城镇化快速发展,极端暴雨天气防范应对已成为城市防汛工作的重点之一。极端降雨条件下的实时滚动洪涝风险分析可以为预报预警提供参考,增强决策的科学性,是防范洪涝灾害的有效方法。尽管传统基于水文水动力专业模型的仿真可以在精细网格上计算出洪水演进及退水的全过程,但精细网格数值计算往往需要消耗大量的算力资源,滚动洪涝预测预报的时效性往往达不到要求。通过建立城市洪涝淹没深度与降雨量之间的函数映射关系,提出了基于静态—动态变量解耦的动态水深高效插值方法,结合分布式数据库和并行计算技术,可以在极短的时间内提供与水文水动力专业模型模拟相对一致的结果。本研究以期为城市洪涝实时风险分析提供有效支撑。

复杂防洪系统联合优化调度模型

建立以水库群系统安全度最大、行蓄洪区系统损失最小为目标函数,将河道堤防安全行洪考虑为约束条件的复杂防洪系统多目标递阶优化调度模型(Mo HOOM),以行蓄洪区总分洪流量为协调变量,将河道水流连续方程解耦,基于大系统分解协调法建立协调层和基于粒子群算法求解底层子系统优化问题,形成三级递阶分解协调结构和相应求解方法。以淮河中游防洪系统为背景进行了实例研究,给出了水库群泄流和行蓄洪区分洪最优方案,在相同初始计算条件下,优化模型结果比实际调度降低了鲇鱼山和梅山水库0.37和0.01的安全度指标,减小下游蒋家集和润河集河段超过安全泄量以上100 m3/s和720 m3/s的洪峰流量,启用南润段行洪区致损1 256.1万元;比规则调度降低了鲇鱼山和梅山水库0.24和0.21的安全度指标,减小下游蒋家集河段超过安全泄量以上750 m3/s的洪峰流量,避免南润段行洪区损失341.6万元。模型有利于挖掘上游水库群的防洪能力,在保障河道堤防安全行洪条件下,减少下游不必要的行蓄洪区分洪损失,以系统全局寻优方式进行复杂防洪系统联合调度。

粒子群算法在河道水动力模型参数校正中的应用

参数估计一直是河道水动力模型研究的难点之一,在传统的模型参数人为经验率定方法的基础上,提出了基于粒子群算法的模型参数优化校正方法,构建了参数校正优化模型,并将参数优化校正算法与河道水动力模型进行耦合,针对淮河干流和史灌河支流组成的研究区域,采用一维河道洪水演进模型,比较了糙率系数校正方法和传统经验估算法,校正方法得到的河段糙率系数值比人为经验估计值平均大0.01,淮河干流河段糙率略大于史灌河支流河段糙率,采用校正河段糙率系数得到的河道水位过程与实测值拟合更优,特别在主峰段洪水过程模拟精度显著改善,验证了本文所提出的参数优化校正算法的有效性,为复杂河道水动力模型参数的确定提供了一种有效方法。

淮河上游水库群防洪联合调度效果及潜力分析

水库群防洪联合调度效果与潜力分析,对进一步提高水库群防洪效益具有参考价值。以淮河王家坝以上防洪系统为研究对象,以9场历史实测大洪水为样本,采用控制断面的洪防洪效果指数、综合防洪效果指数、极限潜力、优化潜力和综合潜力指数等作为水库群防洪联合调度的效果和潜力评价指标,王家坝以上水库群在现行的防洪调度水平下,对下游班台、息县和王家坝防洪控制断面防洪效果显著,各水库仍具有不同程度的防洪潜力,进一步研究水库群防洪联合调度具有实际意义。

苏南运河沿线精细化水文-水动力模型构建及验证

苏南运河自北向南穿过太湖流域腹部,具有航运、防洪排涝、灌溉和景观功能。近些年,运河汛期水位连年超历史,造成运河沿线及周边受灾严重。精细化水文-水动力模型可为运河高水位成因分析、防汛排涝调度决策、新老工程效益评估提供技术手段。基于Infoworks ICM软件,充分考虑苏南运河沿线平原河网地区圩区、城区管网以及复杂下垫面,构建了苏南运河沿线平原河网水文水动力模型。鉴于苏南运河沿线水系边界难以确定,将模型构建范围扩大至2.16万km2。采用2015年和2016年的汛期实况降雨、水位和调度数据对模型进行率定和验证。绝大多数水文站点水位模拟纳什系数接近于1,模型可信度高;可决系数显示相关性中等偏上,模型总体结果可信。同时相比其他片区,湖西区精度更高,主要原因是相比其他片区,湖西区受人为调度干预较少。

重庆北碚城区居民生活用水调查与节水分析

随着经济社会的发展,城市生活对水量水质提出要求,客观上要求在掌握现状用水情况的基础上,分析节水潜能,提出节水措施。由调查得出北碚城区居民家庭人均月用水量为2.78 m3,水费支出占家庭收入的0.8%,洗衣服和洗澡用水量占到81%,然后通过节水空间计算节水潜力为33.9%。提出改变不良用水习惯、推广使用节水器具、加强政府管理和管道维修、实行阶梯水价等是节水切实可行的节水措施。

防洪排涝排水一体化模型在洪水风险图编制中的应用

随着城市洪涝灾害频繁发生,编制洪水风险图已成为当前国内外城市防洪减灾工作中重要内容,它可反映区域洪涝成因、量级、特性、危及对象及应急对策等风险信息分布特征。采用水力学方法构建水力学模型模拟研究区域洪水演进情况是洪水风险图编制常用的方法,通过构建考虑河道、城市地下管网、排水系统设施、阻水建筑物、水利工程及调度的防洪排涝排水一体化模型,将城市防洪排涝与排水有机结合,并兼顾流域与区域风险,通过历史降雨对模型进行校核验证,保证模型的可靠性。模拟计算了景德镇市城区因超标准洪水导致防洪墙溃决或城市暴雨可能发生的受淹和积水情况,并根据计算结果绘制洪水风险图,对景德镇市预防外围洪水、降低城市内涝洪水影响及土地利用和城市发展规划等提供决策依据和技术支持。

县级行政区洪水风险区划与防治区划案例研究

研究洪水风险区划与防治区划方法在不同地区的适用性具有重要科学意义与实用价值。以江苏省徐州市铜山区为对象,采用洪水风险区划与防治区划编制技术要求中的方法确定,洪水模拟计算方案,计算综合风险度FRI值,绘制洪水风险区划图,最后绘制洪水灾害防治区划图。研究结果表明,洪水风险区划符合铜山区洪水危险性空间分布实际情况,洪水灾害防治区划与铜山区水利治理规划重点任务方向一致。

考虑上游梯级水库群调度的小南海水电站坝址设计洪水分析

采用同频率地区组成法分析小南海水电站坝址处设计洪水的地区组成,运用BP人工神经网络对坝址河段洪水演进建模,分析不同典型年上游梯级水库群防洪调度对小南海水电站设计洪水的影响。分析结果表明:上游梯级水库群调度对小南海水电站设计洪水的影响明显,尤其对稀遇洪水的削减程度显著;以金沙江来水为主的洪水受梯级水库群防洪调度的影响较大,以岷江来水为主的洪水受梯级水库群防洪调度的影响较小。

平原河网区河道交汊口分流特性模型试验研究

以苏南运河-蠡河-望虞河交汊河道为研究对象,基于经验证的江苏省太湖地区整体一维河网数学模型及苏南运河-蠡河-望虞河交汊口局部物理模型,构建了交汊口平面二维数学模型,利用“16·7”超历史洪水资料并联合物理模型进行验证,在现状交汊角计算基础上,进一步模拟了苏南运河-蠡河变交汊角条件下蠡河分流比特性,并开展了多因素影响分析。结果表明,苏南运河-蠡河-望虞河分汊口不同于“Y”型或者斜接形交汊口,蠡河分流比主要由望虞河水位与苏南运河-望虞河水位差决定,与苏南运河下泄流量关系较小;苏南运河-蠡河交汊角度对蠡河分流比影响不大,主要是口门回流区束缩了支流有效过水宽度,导致进水口的实际过流宽度小于支流宽度。

流域防洪体系联合调度整体模拟系统开发及应用

针对流域防洪调度模拟系统开发过程中的通用性、可扩充性和多功能性设计等关键问题,通过节点化设计和建立拓扑关系矩阵实现了系统的通用性设计;将计算次序与节点编码、拓扑关系矩阵分离实现了系统的可扩充性;根据防洪系统调度需求,建立了模型库和方法库实现了系统的多功能支持。在淮河正阳关以上流域的实际应用结果表明,该系统降低了正阳关断面的洪峰流量,显著提高了正阳关上游防洪系统的防洪效果。

基于MAS的流域实时防洪智能调度系统架构设计

针对传统的流域防洪调度决策支持系统"智能性"不足问题,基于Multi-Agent System(MAS)理论与技术,建立了流域实时防洪智能调度系统架构。具体来说,按照流域防洪系统多Agent分解模式,将流域防洪系统分解成相对独立、有限联系的若干智能体,提出了单体功能Agent的组成与设计方法,建立了多Agent系统的组织与运行机制,以及不同层级Agent之间的通信方式等。这一体系架构为实现流域防洪调度"智能化"开辟了一条新的途径。

江苏省数字孪生水网建设总体构想与先试经验

智慧水利体系已经迈入数字孪生水利建设的新阶段,对于推动水利高质量发展具有重要的现实意义。结合江苏省河湖水系特点与水利管理治理工作实际,依据相关试行标准规范,结合数字孪生江苏省太湖地区典型水网工程先行先试项目,从数字孪生水网建设框架、总体要求、信息基础设施、数据底板、模型平台、知识平台、智能中枢和业务场景等方面提出了建设需求与要求,形成了江苏省数字孪生水网建设的总体构想,从项目建设中总结经验,探索数字孪生水网建设路径。实践表明:数字孪生水网建设总体技术要求具有可操作性和指导性,可为江苏省乃至全国数字孪生水利建设提供参考和借鉴。

夏季引流条件下苏州古城区河网水质变化研究

为探寻城市河网水动力提升对水环境改善的影响,评估引水调流效益,以苏州古城区河网为例,在夏季丰水期条件下通过对不同流量引水条件下数条河流水动力及水质的监测和分析,探讨水动力作用对河网水体的水质改善效果。结果表明,在汛期允许最佳引流条件下,苏州齐门河、平门河及学士河的污染物通量分别下降了15.2%,16.5%和13.2%,其中古城区北部河网水环境改善情况明显高于南部河网。引水调流方案能够有效增强古城河网流动性,而河网水体中COD和溶解氧含量在不同水动力条件下的变化较为敏感,可以作为古城区河网典型水质指标参数,反映水动力调控的影响效果。

黄河源区雨季降水与汛期径流量重建及其千年尺度下的演变特征

黄河源区年内降水集中,洪水风险大,重建源区雨季降水和汛期径流量对于提高径流预报预测精度及防洪防灾具有重要科学意义和应用价值。本文利用黄河源区及周边筛选的16个树轮年表,采用嵌套主成分层次贝叶斯回归模型,估算参数后验分布替代固定值以考虑不确定性,重建了黄河源区过去1160 a的雨季降水;提出了基于年径流的分类占比回归模型,以考虑汛期径流量与年径流量的一致性,将黄河源区汛期径流量展延至公元159年。结果表明:①嵌套主成分层次贝叶斯回归模型的误差缩减值(E_(R))和有效系数(E_(C))评价指标值均显著高于0,分类占比回归模型的E_(R)和E_(C)值最高分别达0.90和0.88,重建结果可靠性较高;②即使在千年尺度下,1979—1985年亦是较为不寻常的汛期高径流量时期。

雅砻江流域典型年天然径流量时空分布特征

研究雅砻江天然径流特征对流域内已建梯级水电站群工程运行、管理及水能开发规划具有重要参考意义。本文选取雅砻江流域特枯、偏丰、特丰三个典型年份,利用水量平衡方法还原河川天然径流量,综合运用基尼系数和径流贡献率两项指标,分析其天然径流量时空分布特征。结果表明:(1)特枯年份,各个站点基尼系数均介于0.30~0.39之间,天然径流年内分配相对均匀;偏丰和特丰年份,各个站点基尼系数均介于0.40~0.59之间,天然径流年内分配不均匀;特丰、偏丰和特枯年份,流域基尼系数均值分别为0.49、0.43和0.35,各站点天然径流年内分配不均匀程度与径流量正相关。(2)枯季,特枯、偏丰水年流域上、中、下游径流贡献率比例接近1∶1∶1,而特丰水年流域径流贡献率为上游>下游>中游;汛季和全年,特枯、特丰水年流域径流贡献率为上游>下游>中游,而偏丰水年流域径流贡献率比例接近1∶1∶1;总体呈现左岸径流量大于右岸径流量的分布格局。(3)雅砻江流域天然径流时间分布特征主要受降雨因素影响,而空间分布特征由降雨、地形和集水面积等多种因素共同决定。

典型作物对水土流失影响的小区试验研究

为了探寻农作物对于坡耕地水土流失量的影响及相关关系,指导农业生产实践和水土流失防治,利用安徽省岳西县2013年至2017年自然条件下径流小区原位观测数据,进行茶树、桑树、玉米三种典型作物及裸露地对比的水土流失影响与分析研究。结果表明:该地区水土流失原因主要由降雨径流侵蚀造成,其降雨主要集中在6、7、8三个月份;降雨集中期多年平均情况下,茶树、桑树、玉米和裸露地的坡面径流系数分别为0.057、0.039、0.080和0.082,单位面积土壤侵蚀量分别为38.8 g/m^2、15.3 g/m^2、858 g/m^2和93.4 g/m^2;与裸露地对比,茶树、桑树地的水土流失量均减小,玉米地的径流量轻微减小但是土壤侵蚀量显著增大。坡耕地土壤扰动对水土流失影响很大,考虑优化种植结构、合理耕作措施等方式对其固水保土。