面向“碳中和”目标的拔尖创新人才培育体系研究

针对“碳达峰碳中和”和长江大保护等国家战略,当前亟须探讨新时期的拔尖创新人才培育路径。建议基于“首推创新、推动创业”的双创理念,贯穿高水平人才培育的“产学研用”链路,强化碳中和科学传播,培养技术过硬、基础扎实的气候治理及碳汇谈判人才,提升我国在全球变化领域的国际话语权。建议以校企联合培养为动力,从多领域交叉融合的课程体系、多方位的协同培育平台、多元化的教学方式等三个方面搭建新时期人才培养架构。建议瞄准复合应用型拔尖创新人才的培养目标,推动工程教育与国际治理接轨,建议结合行业特色及需求,依托国际及国家级科技攻关项目,通过跨学科国际合作和创新创业竞赛等多渠道,培育学生的国际化视野及跨文化沟通技能,为国家储备大量优秀的创新人才,助力实现“碳达峰碳中和”目标。

巢湖入湖河道长系列径流回溯模拟与频率分析

巢湖具有防洪、灌溉、供水、航运、水产等多种功能,也是“引江济淮”工程的重要输水区。长系列径流数据是开展巢湖流域水旱灾害治理和引江济淮工程优化调度的重要依据,但是目前巢湖入湖39条河道仅有2个系列不完整的水量监测断面,制约了巢湖流域规划和水资源综合管理。本文通过融合多源数据和水量平衡方法反演了巢湖的总入湖径流系列,采用产汇流演算和水文比拟等多种方法重构了巢湖的天然径流过程,进一步考虑外流域调水和工农业取用水等人类活动影响,回溯模拟了巢湖主要入湖河道的径流过程。经过多方案比选和合理性分析,论证了回溯模拟结果的可靠性,最后基于模拟成果开展了年径流频率分析。

面向“双碳”战略目标的水利工程学生创新创业能力培养模式探索——以武汉大学为例

面向“碳达峰碳中和”等国家重大战略目标,当前迫切需要研究水利工程领域学生的创新创业能力培养机制。结合武汉大学的实际情况,建议基于“先创新、后创业”的创新创业教育理念,打通人才培养的“产学研用”全链条,促进学生的就业创业工作。以校企联合培养为驱动力,从多学科交叉融合的课程体系、多方位的协同育人平台、多方式教学模式三个方面构建协同培养模式。遵循复合应用型拔尖创新人才的培养目标,促进工程教育与国际接轨,提高武汉大学水利专业人才的培养质量,为实现“双碳”战略目标输送一大批优秀人才。结合水利行业需求,依托“未来地球”科技攻关项目,通过跨学科国际合作、参加国际学术会议和创新创业赛事,提高学生的国际化视野和跨文化沟通能力。

基于目标库容曲线的水库出流模拟模型

随着水库的不断建设,水库对水循环的影响越发重要,水库出流过程已成为陆地水循环的重要一环。为了模拟水库对水循环的影响,需要构建水库出流模拟模型(Reservoir Outflow Simulation Model,ROSM)模拟水库的出流过程,然而,目前提出的ROSM仅适用于预设运行模式的水库,通用性不强。本文假设水库在年内不同季节的目标库容构成目标库容函数曲线(Target Capacity Curve,TCC),通过为不同水库设置不同的TCC提高ROSM的通用性,并从两方面考虑TCC对水库出流的影响,提出了两种模型结构:(1)水库在目标库容较高的季节倾向于蓄水,出流减少,在目标库容较低的季节则倾向于放水,出流增加;(2)水库出流应使得实际蓄水量接近目标库容。根据两种模型结构,构建了4种基于TCC的ROSM,并将其与常用的ROSM应用于长江、珠江、黄河流域的26座水库中。结果发现:(1)考虑了两种模型结构的ROSM的出流模拟、蓄水量模拟表现均为最优,说明所提出的两种模型结构合理有效;(2)考虑了TCC的ROSM模型在多年调节、年调节水库中的出流模拟精度、蓄水量模拟精度均远超其他ROSM,说明考虑TCC可以有效提高在这两类水库的模拟精度,提高了ROSM的通用性。

设计洪水峰量最可能组合法的计算通式

对于传统的多变量分析方法,给定某一联合重现期,满足防洪标准的峰量组合形式有无数多种,但不同联合设计值得到的洪水过程线及水库最高调洪水位均存在较大的差异,如何在联合重现期水平下选取合理的设计值尤为关键。本文利用Copula函数建立洪峰与不同时段洪量的多变量联合分布,采用OR重现期作为防洪标准,联合概率密度函数值作为洪水发生相对可能性的度量指标;以满足防洪标准为约束条件,构建峰量最可能组合的通用模型,并通过拉格朗日乘数法进行求解。采用最可能组合方法分别计算了汉江流域丹江口水库的3维和4维最可能联合设计值,并与单变量同频率法、多变量同频率法设计值对比。结果表明:单变量同频率设计值达不到防洪标准,其假设洪峰与洪量完全相关,各个洪水特征量均采用单变量概率分布来描述,未能充分考虑各个特征量的内在相关性,并不符合汛期洪水发生的内在规律;最可能组合法与多变量同频率法相比,洪峰偏小,长历时洪量偏大,丹江口水库具有多年调节能力,洪量起主要作用,所以最可能组合法推求的设计洪水结果偏安全。峰量最可能设计值更符合丹江口水库的应用要求,因此,本文所提方法具有较强的统计基础,更加符合水文现象的内在规律,可用于水库设计洪水计算。

基于贝叶斯模式平均方法融合多源数据的水文模拟研究

可靠的长系列气象数据是开展流域水文模拟、水旱灾害防治和水资源综合管理的基本依据,但是我国气象站网布设不均、地面观测资料系列相对较短,难以满足工程应用需要。本文融合有限的地面气象观测数据,长系列高精度MSWEP-V2卫星集成降水数据集和欧洲中期天气预报中心的ERA5气温数据,首先通过基于分位数映射的日偏差校正(DBC)、基于月尺度的回归校正(LRBC)和等率校正(RBC)等3种方法,对遥测栅格降水和再分析气温日系列进行偏差校正,再采用季节性贝叶斯模式平均(BMA)方法描述各偏差校正系列的后验分布优选相应权重,从而得到融合多种偏差校正模式的长系列日降水、气温过程。以巢湖流域为例,采用174个自动气象站2015—2019年的观测数据和7个国家基本气象台站1979—2019年的长系列资料检验校正效果,并在2个子流域分别驱动新安江、GR4J和HMETS水文模型验证水文模拟的适用性。结果表明:BMA方法能够综合考虑各偏差校正方法的优势,校正后的日降水和气温数据偏差较小,与实测系列的相关性系数接近0.8;水文模型率定期及检验期的KGE系数超过0.67,校正后的气象数据满足水文模拟要求。

两变量设计洪水估计的不确定性及其对水库防洪安全的影响

在两变量水文频率分析中,样本系列容量一般较小,使得水文设计值估计具有不确定性。本文基于Copula函数和Parametric Bootstrap方法,并考虑联合设计值的最可能组合模式,建立可描述两变量设计洪水估计不确定性的C-PBU(Copula-based Parametric Bootstrap Uncertainty)模型,同时提出了定量评价两变量不确定性的度量指标,分析了联合设计值估计不确定性对水库最高调洪水位的影响,并对比了不同典型洪水选取模式下的水位不确定性。以隔河岩水库为例,推求了两变量设计值估计的95%置信区域;比较了不同样本容量对不确定性的影响。结果表明:设计洪水估计和典型洪水选择具有较大的不确定性,可采用C-PBU模型推求置信区间,来考虑设计洪水估计不确定性对水库防洪安全的影响。

水利工程专业培养全球气候治理人才的路径探索

全球气候变暖改变了水循环过程,影响了水利工程的设计、运行和管理。我国现有的水利类专业课程体系对全球变化、大数据、云计算、人工智能等新兴技术知识的渗透较少,当前亟需转变育人思路、推进课程改革等手段,培养具有国际视野和创新能力的全球气候治理人才。本文分析了全球气候变暖对水利工程的影响,阐述了水利工程专业的育人特点,提出了我国水利类专业课程改革的发展路径,以期为新工科建设提供思路。

新工科背景下水利类拔尖创新人才培养模式探索

分析了我国水利工程教育的特点,提出了基于校企协同育人模式的人才培养体系,进而培养具有创新能力的高素质水利工程专业人才,推动水利工程教育改革创新。

“碳中和”科学知识推广与水利类专业教育教学改革路径研究

全球气候变暖影响了陆地–大气系统的能量收支平衡与物质循环过程,洪涝、干旱、台风、高温热浪、寒潮等极端事件频发,给人类社会和生态环境的可持续发展构成严峻挑战。为遏制气候变暖,习近平总书记提出我国将提高国家自主贡献力度,争取在2060年前实现碳中和,引发世界瞩目和国际社会的热烈反响。本文探讨了“碳中和”背景下的科学知识推广与水利类专业教育教学改革路径。

潘口水库汛期水位动态控制研究

潘口水库从规划设计到建成发电,防洪任务多次变更。目前设计的汛限水位较低,造成汛期雨洪资源的浪费,导致水库在汛后不能蓄水到正常蓄水位,影响了兴利效益。本文建立了汛期水位动态控制模型,包括汛限水位寻优模块、预报预泄法分析模块和风险分析模块。在汛限水位寻优模块中,通过改进的龙格–库塔(Runge-Kutta)数值解法进行调洪演算,结果表明水库主汛期的汛限水位可以由原来的347.6 m提高至350.9 m。采用预报预泄法分析模块和风险分析模块,考虑6 h洪水预报信息,计算求得潘口水库的汛限水位动态控制约束域为350.9 m^351.5 m。实现潘口水库汛期水位动态控制,可以显著地提高综合利用效益。

践行水利改革发展总基调:以水利工程专业水利信息化课程建设为例

我国水利行业面对的水问题发生变化,当前需要通过补短板治理河水、调整自然关系的同时,把工作重心转移到加强监管纠偏扶正、调整社会关系上来。当前,迫切需要开展水利工程专业教育教学体系和课程建设改革,尤其是要提高学生对水利信息化的理解水平,培养学生对遥感、大数据、云计算等新技术的应用能力,本文分析了水利信息化建设的基本方向和课程改革路径,以期为我国水利工程专业教育教学改革提供参考依据。

梯级水库运行期设计洪水理论和方法

人类活动和气候变化显著地改变了河川径流及洪水的时空分配过程,直接影响下游断面的设计洪水。本文综述水库对下游水文情势的影响,提出梯级水库运行期设计洪水理论方法和研究内容;重点探讨非一致性洪水频率分析和基于Copula函数的最可能地区洪水组成法,比较各种方法的实用性;推荐采用运行期设计洪水及汛控水位指导水库调度运行,建议进一步加强水库运行期设计洪水计算理论和方法研究。

三峡水库运行期设计洪水及汛控水位初探

考虑长江上游水库群调蓄对三峡水库设计洪水的影响,采用最可能组成法和典型年法推求干支流控制站洪水的地区组成,构建多输入单输出(MISO)系统模型模拟向家坝至三峡水库未控区间的洪水过程,研究探讨三峡水库运行期设计洪水及汛期防洪控制水位(汛控水位)。结果表明:长江上游干支流梯级水库的调蓄作用对三峡水库设计洪水影响显著;三峡运行期千年一遇设计洪峰流量为81 136 m3/s,3、7、15和30 d洪量分别为188.2、386.3、727.4和1320.9亿m3,相比建设期设计值分别削减了18.2%、23.8%、20.6%、20.2%和16.9%;在不降低防洪标准的前提下,三峡水库运行期汛控水位(155 m)比建设期汛限水位(145 m)抬高了10 m,这不仅有利于库区航运、维护库岸稳定、保护消落区生态环境,还可增发电量、减少蓄水期对洞庭湖和鄱阳湖的影响,经济社会和生态环境效益巨大。

丹江口水库洪水资源调控技术研究

丹江口水库既是汉江中下游地区的控制性防洪工程，又是南水北调中线工程的水源地，承担着防洪、供水、发电、航运等重要功能。本文把资料系列延长至2014年并进行设计洪水复核，开展汛期分期、运行水位动态控制和提前蓄水研究。结果表明：在不降低防洪标准的前提下，利用1~5d预见期信息，夏汛期（6月21日至8月20日）和秋汛期（9月1日到10月10日）的运行水位分别在160．0~162．9m和163．5—165．7m区间浮动，年均可增加蓄水量31．6~49．98亿m3，或增加发电量9．96~100．21MkW·h；汛末提前蓄水时间为9月15日，蓄水水位上限值为166m，与原设计方案相比，水库蓄满年份从4年增加到12年，年均多蓄水8．98亿m3。

基于Copula-Monte Carlo法的水库下游洪水概率分布研究

利用Copula函数构造水库调洪控制时段洪量和区间洪峰的联合分布,通过调洪函数将水库入库洪量转换为下泄洪峰,随机模拟得到两分区洪峰流量,提出了推求水库下游洪水概率分布的Copula-Monte Carlo(Copula-MC)方法。应用清江流域隔河岩水库实例进行验证,推求下游高坝洲断面的洪水概率分布,并与忽略洪水相关性的独立MC法进行比较,结果表明,独立MC法计算的洪峰流量系统偏小,会低估高坝洲断面的防洪风险;Copula-MC法得到的100年一遇高坝洲断面设计洪水与天然情况下相比减小32.6%。Copula-MC法充分考虑了上游水库断面和区间洪水的空间相关性及地区组成的随机性,结果合理可行。

国内外设计洪水计算方法的比较研究

设计洪水是水利水电工程设计和流域规划中的关键问题。本文介绍了国内外基于流量资料推求设计洪水的计算方法及几种常用的洪水频率分析模型。构建了P-III/CF、P-III/LM、Gumbel/LM和Log P-III/MM等四种洪水频率分析模型,比较了不同模型估计的设计洪水值。研究表明,中国规范推荐的P-III/CF模型比其他模型的估计结果偏大10%~15%;在开展设计洪水计算时,样本资料系列的代表性非常重要,同时也要认识到历史洪水资料具有可能提高或损害系列的代表性;不同洪水频率分析模型的成果差异,跟模型构建中的频率分布线型、参数估计方法和适线准则均有关;基于设计洪水计算中存在的各种客观现实条件,在开展设计洪水研究和计算时,应充分重视基础资料的＂三性＂审查及分析过程和成果的合理性分析。

丹江口水库设计洪水比较研究

洪水频率分析的关键是线型选择和参数估计,选择合适的分布线型和参数估计方法是确定设计洪水的基础。分别采用P-Ⅲ、GEV、LP3三种线型分布和适线(CF)法、线性矩(LM)、常规矩(MM)估计参数,组合建立了P-Ⅲ/CF、P-Ⅲ/LM、GEV/LM和LP3/MM 4个模型。利用丹江口水库1929-2014年的实测洪峰系列和6场历史洪水资料,进行设计洪水分析计算,并比较分析了P-Ⅲ/LM模型、GEV/LM模型、LP3/MM模型与P-Ⅲ/CF模型的偏差。结果表明:P-Ⅲ/CF模型的小概率洪水设计值最大,估计的万年一遇校核洪水分别比P-Ⅲ/LM、GEV/LM和LP3/MM模型偏大14.62%、12.14%和15.12%;在实测资料系列的范围内,不同模型估算的结果差别不是很大。

汉江上游流域洪水频率区域分析研究

本文采用洪水频率区域综合分析的指标洪水法,以汉江流域上游16个水文站点的年最大洪水系列为研究对象,通过模糊聚类法进行水文相似分析,并在不一致性检查和均匀性检验的基础上,选择P-III型分布为区域增长曲线线型,利用线性矩法估计参数,开展了洪水频率区域分析案例研究。结果表明,对于基础资料短缺和无资料地区,洪水频率区域分析是提高设计洪水成果精度的有效途径,可以满足工程实践对稀遇设计洪水的现实需求,建议进一步推广应用。

水库运用期的设计洪水理论和方法

水利水电工程兴建和气候环境变化,明显改变了河川径流及洪水的时程分配过程,并直接影响下游断面的设计洪水。本文综述讨论水电工程建设期的设计洪水、分期设计洪水、动态设计洪水和受上游水库影响设计洪水的研究进展及存在问题。提出水库运用期的设计洪水的科学问题,研究内容和关键技术,重点介绍最可能地区洪水组成和多变量分析理论和方法,为开展受上游水库运行调蓄影响条件下水库运用期设计洪水研究提供思路和方向。