南水北调西线工程水源区可调水量“十问”

南水北调西线工程是我国“四横三纵”国家水网主骨架尚待建设的最后一环,而水源区可调水量是西线工程规划论证面临的焦点和难点问题。本文从水资源本底条件与演变趋势,生态环境与经济社会发展需水,调蓄水库与输水工程规模,调水对水源区及其下游水资源开发利用、水生态环境、水力发电、航运等方面影响的角度,提出了与水源区可调水量相关的10个问题;以长江上游分布式水文模型为基础,建立了南水北调西线工程水源区可调水量模拟分析模型,力图系统、定量地回答所提问题。本文的主要研究结论有:在仅考虑满足水源区河道内外生态环境和经济社会需水的前提下,“上线+下线”组合方案多年平均可调水量为1.59×10^(10)m^(3),“完全下线”方案在建设岗托水库进行联调时,多年平均可调水量将达到1.74×10^(10)m^(3);在综合考虑调水对水源区水平衡、水力发电和航运影响及其可接受程度后,南水北调西线水源区可调水量为1.22×10^(10)~1.26×10^(10)m^(3)。长远来看,应谋划西南片区水网与国家水网主骨架、“大动脉”的连接与融合,在减小南水北调西线工程调水影响的同时,提高南水北调西线工程的整体供水能力以及对气候变化等外部条件的适应性。

考虑融雪及土壤冻融的新安江模型及其应用——以雅砻江上游径流模拟为例

寒区为中国大江大河的主要产流区,其径流预报精度直接影响下游水利工程调度和水资源科学管理。针对传统概念性水文模型较少考虑积雪融雪及土壤冻融过程对径流的叠加影响这一问题,以新安江模型为基础,以降水量和气温为驱动数据,提出了基于“等效土壤温度”和“土壤冻融特征曲线”的概念性土壤冻融模块来刻画积雪融雪及土壤冻融共同影响下的流域产流过程,构建了考虑融雪产流和土壤冻融的新安江模型。以雅砻江甘孜水文站以上流域为典型研究区,开展了流域2017—2022年冰雪消融期逐小时的径流模拟分析。结果表明,相比于HBV模型,考虑融雪产流和土壤冻融的模型可以显著提升流域冰雪消融期的水文模拟精度,各年份消融期径流的纳什效率系数中位数由0.69提升至0.83,相关系数中位数由0.88上升至0.92。本研究所提出的考虑融雪及土壤冻融的新安江模型可以为寒区的水文业务预报提供科学支撑。

地下水人工回灌颗粒沉积特征试验——基于回灌水温度与颗粒电荷影响

分析地下水人工回灌过程中颗粒的沉积特征以及影响沉积的多种因素,搭建地下水回灌物理试验系统和颗粒沉积过程CT扫描检测系统,在此基础上构建与地下水回灌试验系统内砂柱对应的数值模型,用于分析回灌水温度、回灌颗粒电荷和回灌水头对颗粒沉积的影响权重,从而将回灌水温度和回灌颗粒电荷与回灌水头纳入同一评价体系中。结果表明:对于地下水人工回灌过程中颗粒沉积来说,回灌水头影响最大,回灌水温度的影响不可忽视,在地下水源热泵等水温变化幅度较大的工程场景中,回灌水温度的影响超过了回灌水头,回灌颗粒电荷的影响较小。研究成果拓宽了对地下水回灌颗粒堵塞和颗粒沉积影响因素的认知,有利于在地下水回灌工程的设计和运行过程中合理规避颗粒堵塞的影响。

结合退水曲线和长短期记忆网络的中长期低流量预报

【目的】长短期记忆网络(LSTM)在水文预报研究中显示出较强的预报能力,但通常依赖于大量数据的训练。为使LSTM模型更好的适用于数据量较少的流域。【方法】研究采用退水曲线,对LSTM模型施加物理约束,提出了适用于低流量预报的混合模型。【结果】在中国西南不同地区3个流域的应用表明:(1)随着预见期的增长,混合模型预报结果的合格率有轻微下降,预见期10 d以内准确率可达到90%以上;(2)混合模型的预报精度显著高于LSTM,且能够显著降低误差累积效应的影响;(3)混合模型在减少训练样本数和减少预报因子维数的情况下均优于LSTM模型。【结论】结果表明,引入退水曲线可以降低混合模型对训练数据量的要求,有效延长预见期,对深度学习预报低流量提供了新的改进思路,并可以为抗旱方案设计等提供技术支持。

基于多源数据的黄河源区降雪比变化及其影响因素

黄河源区是黄河流域关键产流区域,对气候变化十分敏感。在气候变暖背景下,降水形态转变及其影响因素的研究依然不足。围绕这一重要科学问题,本研究基于地面气象站点观测和多源高分辨率气象数据集[China Meteorological Forcing Dataset(CMFD)、ECWMF ERA5-Land(ERA5-Land)、Multi-Source Weather(MSWX)],采用湿球温度参数化模型对1980—2015年黄河源区降水形态进行区分,并对降雪比长期变化趋势及其影响因素进行了综合研究。结果表明,1980—2015年黄河源区降水量整体呈增加趋势,降水形态向降雨转变,降雪量减少,平均降雪比呈显著下降趋势(P<0.05),四套数据源的降雪比平均下降速率为0.002 a^(-1)(P<0.05)。降雪比呈显著下降趋势(P<0.05)的格点占比分别为98.31%(ERA5-Land)、96.87%(MSWX)、67.62%(CMFD)。黄河源区中西部降雪比下降速率较快,下降速率最大的地区为玛多、达日等地。三套格点产品中CMFD能够较好地呈现降雪比变化趋势的空间差异,MSWX次之,而ERA5-Land降雪比变化趋势空间变异较小。源区降雪比与年平均气温、降水量相关性较高(P<0.05),相关系数r分别为-0.42和-0.48,亦受到西风的影响(r=-0.31,P=0.07)。研究结果有助于加深气候变暖对黄河源区水文气象过程影响的科学认识,为黄河流域区域水资源管理提供理论支撑。

改进LSTM在金沙江流域中长期径流预报研究

径流非平稳性及超参数率定容易陷入“维数灾”的问题限制了神经网络(Long Short-Term Memory,LSTM)在中长期径流预报中的应用,针对上述问题,采取“分解-预测-重构”的思路,在数据预处理阶段采用变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)进行分解重构,耦合PSO(Particle Swarm Optimization)、SSA(Sparrow Search Algorithm)优化算法长短期记忆神经网络(LSTM),构建VMD-PSO-LSTM、VMD-SSA-LSTM、VMD-LSTM和LSTM四类模型进行对比试验研究,并探讨时滞步长对预报精度的影响。将模型应用于金沙江流域石鼓水文站月平均径流预报:(1)VMD-PSO-LSTM预报精度略高于VMD-SSA-LSTM,其次是VMD-LSTM,最后是LSTM。VMD-PSO-LSTM预报成果的MAE、MAPE、NSE、QR、RMSE分别为160.4、0.135、0.949、0.811、252.8;VMD-PSO-LSTM预报成果评价指标MAE、MAPE和RMSE分别比LSTM模型减小53.92%、50.67%、55.86%;NSE、QR分别比LSTM模型提升28.34%、84.48%;(2)在一定范围内,时滞步长越大,MAE、MAPE和RMSE增大,NSE、QR下降。【结论】对径流时间序列预处理,能够降低时间序列的非平稳性;加入优化算法能够在超参数空间中寻找到较优超参数组合,使得LSTM拟合能力较强,同时保持一定的泛化能力,从而提高预报精度。此外,时滞步长是影响预报精度的重要因素,加入优化算法能降低模型对时滞步长的敏感性。

耦合水库群参数化方案的区域陆面水文模拟

中国水库数目众多,密集的水库运行和调蓄影响着陆地水循环和陆气间的水分能量交换过程,给高强度开发地区水文规律认知和水文模拟及预报带来了挑战。围绕这一问题,本研究以鄱阳湖流域及流域内千余座水库为研究对象,从水库水量平衡方程、水库蓄泄规则、多阻断扩散波汇流等方面构建了水库群参数化方案,并从地表水、地下水、蒸散发、能量通量等角度实现了其与陆面水文双向耦合模式(CLHMS)的动态耦合。结果表明:所构建的水库群参数化方案可以较好地模拟水库的蓄泄过程,提高了耦合模式在鄱阳湖流域的径流模拟精度;水库群可以使赣江、信江、抚河丰水期径流减少3.7%~6.0%,枯水期径流增加5.9%~12.6%,多年平均径流减少0.6%~1.5%;在空间分布上,水库群对流域中部和北部径流的调蓄作用相对显著。本研究所改进的陆面水文模式可以为高强度人类活动影响下气象、水文、水资源交叉领域的研究提供分析工具和模型基础,从而支撑变化环境下区域水资源的可持续利用。

水流与壁面间切应力估计方法的比较研究

精确估计水流与壁面间切应力在泥沙输移和水利工程安全方面具有重要意义。通过选取并整理文献数据,对现今七种主要的水流与壁面间切应力的估计方法在不同雷诺数的条件下进行评价和比较,发现总体上湍流动能外推法和雷诺应力外推法估计壁面切应力的可靠性和精确度最高,平均相对误差分别为3.2%和5.2%。湍流能量法、湍流动能法和雷诺应力法次之,以壁定理的精确度最低,但其所需的数据较容易获取。二阶应力法的精确度取决于阻力系数的取值。其中,壁定理和二阶应力法的估计值偏高而更加安全,湍流动能外推法的估计值较为准确,而其余方法给出的估计值偏低。所得结果对不同条件下水流与壁面间切应力估计方法的选择以及直接测量仪器的校准有一定的参考价值。

河道洪水演算的MC-RCM模型及其比较研究

MC-RCM模型是一种在马斯京根法的基础上引入水位流量曲线的洪水演算方法,为进一步验证MC-RCM模型在实际河段中及不同演算条件下的精确性,分别采用试错法、最小二乘法、马斯京根—康吉法及MC-RCM模型四种演算方法对长江李庄至泸县段的10例天然洪水进行流量演算分析,并引入五种评价指标,比较了MC-RCM模型与其他演算方法在不同演算时段下流量演算精度、演算可靠性、演算洪峰流量精度等方面的优劣。结果表明,MC-RCM模型在流量演算精度、演算可靠性、演算洪峰流量精度上相比其他方法均具有一定优势,且在较长演算时段中优势更为明显。因此,MC-RCM模型作为河道洪水演算的可靠方法,可在水文资料充分的情况下修正或校验马斯京根法的演算成果。

基于知识图谱的旱涝急转研究进展

以2006—2019年中国知网和Web of Science核心合集数据库收录的140篇旱涝急转研究文献为数据基础,利用CiteSpace软件,采用文献计量可视化分析方法,通过文献发表的时间分布、研究机构、代表作者、关键词等方面的分析,综述了旱涝急转研究发展状况及趋势。结果表明:近年来,旱涝急转研究热度上升较显著;中国在该领域的发文量明显领先,中国科学院、中国水利水电科学研究院、武汉大学、河海大学等是该领域的领军机构;从发展趋势看,该领域已形成了判别方法、成因分析、演变特征、灾害损害4个重要的研究热点和前沿方向。今后亟须进一步完善综合考虑土壤水和作物需水等因素的旱涝急转判别方法及其生态环境效应等方面的研究。

南水北调工程数据共享现状分析

为了促进南水北调工程数据资源共享,推进数据资源的有效利用,通过座谈、调研、资料收集等手段,对南水北调工程业务信息系统的水量调度和防汛、水生态环境及工程管理等核心业务信息资源进行摸底,梳理业务、监管及基础数据的需求,分析数据共享的现状。研究结果表明:目前南水北调工程各个调度运行管理系统独立运行,缺乏完整的、共享数据来源及统一的数据标准,且数据的横纵向共享水平有待进一步提高。在保障网络和数据安全的前提下,进一步提出统一南水北调工程数据标准,建立数据的共享和更新整编机制,并继续进行深度数据挖掘工作的建议,可为南水北调工程构建智慧水利体系提供决策支撑。