寒溪河流域降雨特征时空变化分析研究

利用Mann-Kendall、Pettitt及Morlet小波分析等多种检验方法,对寒溪河流域雨及流域内6个雨量站年降雨系列变化特征进行分析。结果表明:流域内常平站和同沙站年降雨序列呈显著上升趋势,松木山站年降雨序列略呈下降趋势,流域雨、石龙站、上村站、黄牛埔站呈不显著上升趋势。流域雨及流域内6个雨量站年降雨序列突变点均不显著,石龙站、上村站、松木山站和常平站对应突变点集中在2004年。石龙站年降雨第一主周期为33年,其他5个站点年降雨第一主周期均为6年。流域降雨空间分布规律为由南向北递减,由西向东递减,流域内中下游年降雨增加趋势明显,在未来防洪排涝规划中应予以考虑,进一步提升寒溪河流域洪涝灾害防御能力。

广西无资料地区典型洪水过程计算方法研究

为研究无资料地区水利工程设计阶段的典型洪水过程线,以广西区防城河流域为例,探究了一种将实测暴雨与《暴雨径流查算图表使用手册》结合的方法。以8场实测暴雨资料计算典型洪水过程,并与其实测洪水过程进行对比。结果表明该方法对单峰型典型洪水过程的计算精度较高。研究结果可为计算无资料地区工程典型洪水过程提供一种新的参考。

回水顶托对长洲水利枢纽发电效益的影响分析

本文采用实测资料和数值模拟相结合的方法,分析桂江来水顶托对长洲水利枢纽发电效益的影响。研究结果表明:枢纽发电出力与桂江来水基本呈负相关性,同一枢纽下泄流量下,水位顶托量、出力损失量与桂江流量呈线性关系。当枢纽下泄满发流量7437 m3/s时,桂江流量每增加100 m3/s,水位顶托量增加超40 mm,出力损失增加约0.21万kW;随着枢纽下泄流量的增大,水位顶托量增幅减小、出力降幅增大;相较于对照方案,桂江流量不超1700 m3/s时,枢纽出力损失小于5%,随着桂江流量的增大,枢纽出力最大损失可超60%。研究成果可为枢纽实际调度运行提供决策支持。

基于防洪联合调度模型的潖江蓄滞洪区布局优化研究

蓄滞洪区对于流域防洪减灾具有不可替代的作用,现状潖江蓄滞洪区安全布局和安全设施建设短板依然突出,导致防洪运用存在启用决策困难、运用损失较大等问题,制约了防洪运用效果。为此,结合潖江蓄滞洪区各堤围防洪能力及区内社会经济情况提出布局优化方案,构建飞来峡水库-潖江蓄滞洪区防洪联合调度模型对优化前后布局方案的防洪效果开展分析计算,综合分析比较得出推荐的蓄滞洪区优化布局方案。计算结果表明:将白沙塘围与官路唇围增设为安全区可减少耕地淹没163.2 hm 2,减少洪水风险人数3002人,在有效降低潖江蓄滞洪区启用损失的同时基本不增大防洪风险。研究成果可为蓄滞洪区开展布局优化提供方法技术参考。

基于Copula函数的入库洪水与坝址洪水关系研究

采用频率分析法计算入库设计洪水时,需要通过相关分析将坝址洪水系列插补得到对应的入库洪水系列。常用的线性回归法假设两者满足线性关系且入库洪水系列服从正态分布,可能与实际情况并不相符。引入Copula函数构建坝址洪水与入库洪水的联合概率分布和条件概率分布,计算给定坝址洪水时入库洪水的条件最可能值和置信区间,提出了一种基于Copula函数的入库洪水插补新方法。三峡水库的应用实例表明:线性回归法得到的入库洪水值在坝址洪水量级较大时明显偏小,甚至稀遇洪水时不在90%置信区间内。所提方法能较好地反映坝址洪水与入库洪水的内在关系,不仅可以计算入库洪水的各种点估计值,而且能够定量评价估计的不确定性。

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。

入库洪水计算方法及研究进展综述

水库建成以后,流域产汇流条件发生改变,采用入库洪水系列作为设计和调度依据更符合实际情况。介绍了入库洪水的概念及特点,综述了国内外入库设计洪水计算方法的研究进展,分析比较了各类方法的适用范围和适用条件。最后讨论了存在的主要问题,并展望了入库洪水研究的发展方向。

人工智能在水文预报中的应用研究

全面论述了数据驱动水文模型中人工智能的关键技术及其适应范围,分析了机器学习在水文预报中遇到的技术瓶颈。采用Gamma Test对数据驱动模型进行输入优选,降低了模型的白噪声误差影响;提出了长短期记忆神经网络与批量学习、正则化、筛选神经元技术相结合的深度学习网络,以解决变化环境下降雨–洪水过程统计特征的非线性、随机性和时变性问题。长江上游向家坝~三峡水库区间流域的应用结果表明:在不考虑未来降雨预报的前提下,仅以前期和现时已知的降雨–洪水资料为模型输入,长短期记忆动态神经网络结合三种深度学习辅助算法,防止模型的过参数化和过拟合,有效提高了三峡水库入库洪水的预报精度,1~3 d预报精度均达到了甲等水平。

基于贝叶斯模式平均的大渡河流域集合降水概率预报研究

基于TIGGE数据的五个单中心集合预报结果(CMA、CMC、ECMWF、NCEP、UKMO)构成的多中心超级集合预报系统的降水量预报,以及相应时段的实测降水量值,应用贝叶斯模式平均法(Bayesian Model Averaging,BMA)建立大渡河流域的BMA概率预报模型。通过CRPS、MAE、BS三种评价指标,对大渡河流域的BMA降水概率预报模型进行评价与检验,三种指标均显示BMA降水概率预报比原始集合预报具有更高的准确性,其中BMA模型的CRPS和MAE指标均值分别相比原始集合预报减少了31.6%和23.9%;分析模型权重参数,得出ECMWF对大渡河流域BMA降水预报贡献最大,即ECMWF对研究区域降水预报效果最好;模型对大渡河流域极端降水预报效果较差,常低估极端降水量。

基于Copula方法的城市排水排涝设计标准协调性研究

我国排水系统和排涝系统分属不同部门管理,遵循不同设计规范,缺乏统一的标准衔接方法。为解决排水排涝系统设计标准不衔接造成的潜在内涝风险和投资浪费问题,研究以中山和珠海市为研究对象,基于Copula方法和最可能设计组合构建了排水排涝设计标准的衔接方法,计算了不同Kendall重现期条件下的最可能排水排涝设计降水量组合。结果表明,Copula理论可有效构建不同时段长降水序列的联合分布,Copula理论分布与经验分布之间拟合良好;以中山市主城区为例,排水排涝系统最可能设计降雨量组合结果表明,原排水系统设计规模偏小,原排涝系统设计规模偏大,据此可针对原规划方案进行科学调整。

三峡水库入库洪水分析计算研究

三峡水库建成蓄水后,水库周边区间流域产汇流条件发生改变,新形成的入库洪水较天然条件下的坝址洪水具有＂洪峰增大,涨水段洪量增大＂等特性。本文基于多输入单输出系统模型模拟计算三峡建库前的入库流量系列,定量分析了三峡入库与坝址的年最大洪峰、3、7、15 d洪量之间的关系,整编得到三峡入库流量不连续序列,据此开展三峡入库洪水频率分析,并与坝址计算成果进行比较。结果表明,入库系列与坝址系列的洪峰以及3 d、7 d洪量差异明显,15 d洪量变化不大,入库百年一遇设计洪峰较坝址设计洪峰增大7.89%,入库百年一遇3 d、7 d、15 d洪量较坝址设计洪量分别增大5.49%、2.52%和0.31%,现状条件下采用入库洪水设计值作为三峡水库防洪调度的科学依据更为合理。

水库洪水概率预报和汛期运行水位动态控制

降水和洪水预报对水库防洪兴利综合调度至关重要。开展中长期降雨预报和洪水概率预报,不仅可延长预见期,还可考虑不确定性并提高预报精度。介绍了水库洪水概率预报和水库汛期运行水位动态控制,显著地提高了洪水资源利用率。建议进一步开展降雨洪水概率预报、水库汛限水位专题研究和应用,提高我国水库的科学管理水平。

基于多模型集合方法的北江流域月径流预报研究

准确的月径流预报对于水资源优化配置、流域防汛抗旱、开展水量调度、水库群发电优化等具有十分重要的作用。当前工作中常用的月径流预报方法主要有水量平衡模型、数理统计模型、人工神经网络等。研究表明,任何单个模型在月径流预报问题上都无法始终具有最佳预报效果,多模型集合方法为消除模型不确定性、提高月径流预报精度提供了有效途径。以北江流域坪石站、犁市站、横石站和石角站为研究对象,分析对比了季节性自回归模型、两参数月水量平衡模型、人工神经网络的应用效果,并基于BMA(Bayesian Model Averaging)法获取上述站点的多模型集合方案,研究结果表明多模型集合月径流预报的精度相比单模型具有明显提升,不仅具有更高的确定性系数DC(Determination Coefficient),还能有效降低水量误差MAPE(Mean Absolute Percentage Error),能够为流域调度决策提供更好的支持。

贝叶斯概率水文预报研究进展与展望

水文预报不可避免地存在着输入、水文模型参数和结构等不确定性,导致预报结果也具有不确定性。因此,定量估计水文预报的不确定性,实现概率水文预报,不仅可得到比确定性预报更高的精度,而且还能为决策者提供更丰富的预报信息。本文根据不确定性来源的不同,从输入资料、模型结构、模型参数和综合不确定性等方面,详细综述了贝叶斯水文概率预报的研究进展,归纳了精度评定指标和效果检验方法,并展望了贝叶斯概率水文预报未来的研究重点和方向:(1)科学有效地解释、沟通和传播水文预报不确定性信息和概率水文预报产品;(2)建立水文集合概率预报框架,估计并降低水文预报的总不确定性;(3)开展考虑预报变量时空相关性的贝叶斯概率水文预报研究;(4)深入推动概率水文预报信息在风险决策中的应用。

金沙江下游梯级水库运行期设计洪水及汛控水位

研究探讨梯级水库运行期设计洪水计算理论和方法,实现防洪和发电效益最大化。采用t-Copula函数建立各分区洪水的联合分布,通过蒙特卡罗法和遗传算法(GA)推求金沙江下游梯级水库的最可能地区组成;分析计算各水库运行期的设计洪水及汛控水位。结果表明:①最可能地区组成结果合理可靠,可为梯级水库运行期设计洪水的分析计算提供依据;②金沙江下游梯级水库受上游水库调蓄影响显著,向家坝水库1000年一遇设计洪峰15400m^3/s(35%),3d、7d和30d洪量的削减量(削减率)分别为35.6亿m^3(33%)、70.2亿m^3(30%)和85.0亿m^3(11%);③在不降低防洪标准的前提下,下游各水库在运行期汛控水位相比汛限水位可适当抬高,白鹤滩、溪洛渡和向家坝水库的汛控水位(汛限水位)分别为788.82m(785m)、570.67m(560m)和371.36m(370m),汛期年均发电量分别增加2.1%、6.1%和1.4%,年增发电量17.1亿kW·h。

考虑降水预报的三峡入库洪水集合概率预报方法比较

为了考虑预见期内降水预报的不确定性对洪水预报的影响,采用中国气象局、美国环境预测中心和欧洲中期天气预报中心的TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)降水预报数据驱动GR4J水文模型,开展三峡入库洪水集合概率预报,分析比较BMA、Copula-BMA、EMOS、M-BMA 4种统计后处理方法的有效性。结果表明:4种统计后处理方法均能提供一个合理可靠的预报置信区间;其期望值预报精度相较于确定性预报有所提高,尤其是水量误差显著减小;M-BMA方法概率预报效果最佳,它能够考虑预报分布的异方差性,不需要进行正态变换,结构简单,应用灵活。

内陆河流域防洪安全评估方法探讨——以喀什噶尔河流域为例

中国内陆河流域主要分布于经济落后的西北边疆地区,水文与地形地貌条件复杂,防洪工程设施薄弱,防洪管理水平不高。根据中国西北内陆河洪水灾害特点与防洪保安要求,建立防洪安全评估指标体系,以喀什噶尔河流域为例,计算分析得出其防洪安全指数为0.49,处于初步安全状态,并探讨了防洪保安能力提升策略,可为中国西北内陆河流域防洪治理提供技术参考。

SSA-LSSVM在中长期径流预测中的应用研究

为提高中长期径流预测精度,利用奇异谱分析（SSA）对输入资料进行数据预处理,消除噪声,得到重建序列。以水布垭水库1951~2009年的入库月径流资料为依据,选用季节性一阶自回归模型、支持向量机模型和最小二乘支持向量机模型作为径流预测模型,对原始序列和重建序列进行模拟预测。结果表明,基于奇异谱分析的最小二乘支持向量机的模拟预测精度最高,率定期和检验期的模型效率系数分别高达89%和84%。说明采用SSA对资料进行预处理可以显著提高中长期径流预报的精度。

基于年径流分类的水库优化调度函数研究

传统水库调度函数一般以最大化长系列多年平均发电、保证率等指标为目标函数,其内涵是水库多年运行的平均期望效益最大化,并未考虑年径流丰枯的区别。显然水库的优化调度函数与入库径流的丰枯情况有关,丰水年的优化调度函数与枯水年相比势必差异较大。为研究年径流分类对水库优化调度函数的影响,本文建立了考虑发电量及保证率的多目标优化调度模型,采用NSGA-II算法优化安康水库调度函数。结果表明：考虑径流分类,采用丰、平、枯水年的单独优化比长系列优化取得更好的效益。发电量最大非劣解提升发电量0.71%、保证率4.56%,保证率最高非劣解提升发电量1.37%、保证率2.57%。

珠江三角洲水文水动力耦合模型研究

粤港澳大湾区国家战略的实施对珠江三角洲河网区防洪保安提出了更高的要求。珠江三角洲地区除受本地暴雨影响外,上游受西、北、东江干流洪水威胁,下游受台风暴潮影响,洪涝灾害成因复杂,急需对珠江三角洲的洪涝特性进行深入研究,而数学模型是最为经济便捷的研究方式。水文水动力耦合模型是当前的研究热点,在珠江三角洲地区,水文水动力耦合模型大范围、跨区域的应用仍是空白。以珠江三角洲为研究区域,以具有三角洲洪涝特色的前山河流域中珠联围为重点研究区域,采用紧密耦合的方式,构建珠江三角洲水文水动力耦合模型。将研究区域的水动力模型与重点研究区域的水文模型耦合,采用2020年6月和2008年6月的实测水文资料进行了率定与验证计算。计算结果表明:模型计算值与实测值吻合较好,满足精度要求,可投入使用。本研究可为大湾区防洪保安研究及相关业务奠定技术基础,为国家战略的顺利实施提供保障。