基于图神经网络的水富—宜宾航道多站点水位预报模型

受到岷江、横江影响,向家坝下游水富—宜宾段水位变化特性复杂,干支流间水位、流量数据属于多维时空数据。研究选取spectral temporal graph neural network(StemGNN)时空图神经网络用于向家坝下游多站点水位预报,结果表明:该方法适用于研究区域的多站点水位预报,未来1、8 h模型预报性能较优,在向家坝站、宜宾站、李庄站3处的最大预报误差约为0.5 m。StemGNN特点是能够从输入数据中自动提取河网结构信息,体现研究区域的汇流特性。横江流量对于研究区域水位流量影响较小;向家坝水库水位、横江水位、高场水位代表研究区域前期的水位情况,高场流量作为较大的流量输入,对于研究区域水位流量影响较大。研究成果可为近坝段、支流入汇等水位变化特性复杂河段的多站点水位预报提供新思路。

基于多源卫星数据的岸线提取与崩岸识别对比研究

传统的崩岸巡查方式受到监测范围的限制,效率有限,无法及时感知崩岸险情。从卫星影像中提取水域岸线对于河道崩岸的监测和预警意义重大,以高分一号、二号、Landsat 8号、Sentinel-1号卫星影像为数据源,使用了基于DeepLabV3+图像语义分割技术、传统NDWI指数、SAR技术的3种水体提取方法;以2021年12月湖北省嘉鱼县肖潘段长、深约100 m尺度的窝崩为例,探讨了多源卫星数据在河道崩岸识别中的应用能力。研究结果表明,国产高分一号、高分二号卫星结合DeepLabv3+可以提取到水体边缘,通过不同时期影像的对比,能够反映河道两岸的崩岸情况。在实际的工作实践中,推荐采用高分卫星与DeepLabv3+方法进行自动化的水域岸线提取;并在多云、雨天气时,采用SAR方法进行补充;必要时,可结合高分卫星、Sentinel-1号卫星影像图,人工开展目视判别。

基于AutoML的长江下游周旬尺度枯水位及潮位预报

基于微软在2018年发布的自动化机器学习建模平台Azure AutoML,探索长江下游水位及潮位预报模型构建与应用。以大通枯水期周旬尺度最低水位、南京未来14与20次低潮中最低潮位的预报为例,开展研究并从模型构建与评估、预报精度、输入因子重要性等角度进行分析。研究结论表明:微软Azure AutoML平台可便捷地进行自动化机器学习模型的构建;两站点的预报模型在2014—2020年模型构建过程、2021年模型精度分析过程中均取得较高的精度指标,但在最低水位(潮位)波动变幅较大的阶段,预报模型的性能有待进一步提高;大通站不同预见期预报模型的重要输入因子较为一致,排名前三的重要变量依次为八里江、大通、安庆水位;南京潮位预报规律较为复杂,应尽量纳入更长时段的前期潮位信息。

基于Azure AutoML的泥沙预报模型构建与应用

泥沙预报是开展水库泥沙实时调度的前提,而水沙作用机理和演进规律的复杂性又导致开展高效、精准的泥沙预报较为困难。基于微软在2018年发布的Azure AutoML自动化机器学习技术,进行了泥沙预报模型构建与应用的探索。选取三峡水库泥沙重要控制站——寸滩、清溪场、万县、黄陵庙站构建了含沙量预报模型,并从模型构建与评估、预报精度、输入因子重要性等角度开展了分析。研究结果表明:Azure AutoML技术可便捷地进行自动化机器学习模型的构建,基于该技术建立的预见期为1~3 d的模型针对沙峰消退阶段和含沙量较小阶段预报效果较好;预见期为1~2 d的模型可以对沙峰开展较为准确的预报;寸滩、清溪场站含沙量主要受到上游来沙的影响,而万县、黄陵庙站的含沙量自相关性较强。

金沙江下游梯级水库泥沙淤积和坝下河道冲刷规律

金沙江下游4个梯级水电站总装机容量相当于两座三峡水库,是“西电东送”中部地区的源头工程,工程效益发挥对经济社会发展意义重大。2012年以来,向家坝、溪洛渡、乌东德和白鹤滩电站等陆续蓄水运行,层层拦截金沙江的泥沙,20132020年向家坝出库年输沙量均值下降至152万t,减幅超过99%。大量泥沙淤积在梯级水库内,同时向家坝以下河道发生长距离冲刷。本文以自金沙江下游工程筹建以来的观测资料为基础,针对梯级水库的泥沙淤积和坝下游河道冲刷规律开展研究,结果表明:金沙江下游四个梯级电站自建成运行至2020年底,累计淤积泥沙约5.98亿m^(3),其中溪洛渡库区淤积量占比达92.5%,20132020年溪洛渡和向家坝水库排沙比分别为2.64%和22.2%,其水库泥沙主要淤积在常年回水区的干流河道内,以死库容内淤积为主,侵占有效库容的比例小于1.3%。金沙江下游库区干流河道的峡谷特征明显,淤积多表现为主河槽的平铺式淤高。溪洛渡和向家坝库区淤积的泥沙沿程分选特征明显,越靠近坝前,中数粒径减小、细颗粒泥沙沙量百分数增加,极细颗粒泥沙会在库区一定范围内大量沉积。向家坝下游河床普遍冲刷,但冲刷强度减弱明显,重要涉水工程局部冲刷并未超出预期范围。向家坝下游河道深泓高凸段相对稳定,使得坝下游枯水位未大幅下降,2000 m^(3)/s下枯水位累计降幅约0.43 m;坝下游河床粗化明显。

金沙江下游水库蓄水期生态流量研究

金沙江下游的乌东德、白鹤滩水库已于近年来投入运用,汛末蓄水期金沙江下游水库对坝下“长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区”生态流量的影响日益突出。为减轻可能存在的影响,需合理制定水库蓄水期最小下泄流量。本文从金沙江下游最小及适宜生态流量计算出发,系统归纳了屏山水文站生态流量的现有研究成果,结合溪洛渡、向家坝水库实际运行数据,得到了具有实际可操作性的金沙江下游水库蓄水期生态流量,溪洛渡、向家坝水库8月、9月的合理生态流量分别为6080 m^(3)/s、6098 m^(3)/s。研究结果可为金沙江下游水库生态监测及管理工作提供参考。

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。

趋势变异条件下非一致性洪水频率计算方法的择优比较分析——以洞庭湖区弥陀寺站为例

受到全球气候变化和大规模人类活动等变化环境的影响,特别是长江三峡水库、葛洲坝电站等大型水电工程的兴建,洞庭湖区各站点的洪水序列发生了变异,并引发了洪水频率分布的非一致性问题。以洞庭湖区内弥陀寺站为例,采用线性趋势、非线性趋势、小波分析及希尔伯特-黄变换四种考虑趋势变异的非一致性洪水频率计算方法推求了年最大洪峰流量的频率分布,并进行了四种方法的择优比较分析。结果显示弥陀寺站年最大洪峰流量序列的均值存在显著下降趋势变异,四种方法推求的过去和现状条件下频率曲线的差异较小,而对未来时期的预测差异较大;经择优度计算与比较分析,基于非线性趋势方法所得结果为最优,且进一步得出年最大洪峰流量的频率分布在过去、现状和未来三个时期存在显著的差异,将直接影响洞庭湖区内弥陀寺站附近堤防的安全评价和区域防洪规划。

长江上游巨型水库群联合蓄水调度研究

以长江上游30座水库巨型水库群为研究对象,建立提前蓄水多目标联合优化调度模型,采用分区策略、大系统聚合分解、参数模拟优化方法和并行逐次逼近寻优算法求解。研究结果表明:所提模型框架可较好地解决巨型水库群联合蓄水优化调度问题;智能算法对于复杂约束的多目标优化问题可产生大量非劣解;Pareto前沿分布范围均匀且广泛,可供决策者灵活调度。与原设计方案相比,在防洪风险得到控制的前提下,通过水库群提前蓄水联合优化调度,水库总蓄满率由90.40%增加到94.42%,年均增发电量76.5亿kW·h(+3.76%),经济社会效益显著。

长江上游ECMWF降水和径流预报产品评估

欧洲中期天气预报中心近年发布了季节性的GloFAS Seasonal径流和SEAS5降水集合预报产品。选取长江上游6个控制站的径流预报及4个分区的面雨量预报为研究对象,通过计算分析AUC、ROCSS和可靠性等指标,评估了这2种产品对于长江上游水库群蓄水期的枯水情景的预报能力。结果表明:2种产品提前一个月判断枯水雨情的效果较好,但产品倾向过度预测枯水事件发生的可能性,在实际生产运用中需得到重视。研究成果可为基于中长期预报的长江上游水库群提前蓄水调度提供科学依据与技术支撑。

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。

长江上游水库群提前蓄水联合优化调度研究

综述水库群汛末提前蓄水调度的研究进展和存在的问题。通过解析复杂串并联水库群的空间分区解耦原理,研究分区控制的动态蓄水理论和方法。以变化环境下的水库群最优蓄水时机选择为切入点,建立水库群多目标联合蓄水调度模型并求解。制定基于分区控制的长江上游控制性水库蓄水方案及评价指标体系。溪洛渡、向家坝和三峡梯级水库的模拟调度结果表明,在确保防洪安全和满足其他约束条件的前提下,提前蓄水的年均发电量可增加30.44亿kW·h（增幅4.89%）,并显著地提高了水库群的汛末蓄满率及水资源利用率。

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%。

水库超蓄利用的效益与风险初探

妥善协调水库防洪与水资源综合利用矛盾,在确保工程安全的前提下,充分利用洪水资源,可使水库效益最大化。以具体水库工程为例,探讨了在保证水库安全的前提下,通过工程及管理措施控制汛限水位,利用水库调蓄洪水提高防洪、灌溉能力的有关问题,并提出了相应的经济效益计算方法,初步分析了水库超蓄的风险控制问题。分析计算表明,水库适当超蓄洪水可获得可观的防洪发电等效益,但也存在着较大的安全风险,应在充分掌握水情变化趋势、保证水库安全的前提下,合理进行超蓄调度。

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。

金沙江下游水沙序列变异诊断及归因分析

金沙江中下游干流、支流雅砻江梯级水电站相继建成运行,使得进入金沙江下游水沙特性出现了一些新变化。本文采用水文变异诊断系统对金沙江下游干流关键控制站的年径流量、年输沙量序列进行了变异诊断及归因分析。主要结果为,金沙江下游水沙关系发生明显变化,主要体现在径流量总体变化不大,但输沙量明显减少。石鼓、白鹤滩、向家坝站年径流量序列未发生变异,受面平均降水突变式跃升的影响,攀枝花站年径流量序列在1997年发生向上的跳跃变异。因极端降水增加致使产沙变大,石鼓站年输沙量在1997年发生向上的跳跃变异;因金沙江中游水库建设的影响,攀枝花、向家坝站年输沙量在2010年发生向下的跳跃变异;因攀枝花至华弹区间年输沙量显著减少,白鹤滩站年输沙量在2002年发生向下的跳跃变异。

1959-2020年洞庭湖四水洪水情势变异特性及归因分析

近几十年来,湖南四水(湘江、资水、沅江、澧水)的水文情势发生了显著改变,对湖区调洪与区域防洪产生了一定的影响。为深入认识四水洪水情势发生的复杂变化,采用水文变异诊断系统对近60 a(1959-2020年)来洞庭湖四水出口控制水文站点的年最大洪峰流量序列、年最高洪峰水位序列进行了变异特性及归因分析。结果表明:湘潭站洪峰、水位序列未发生变异;受降水突变式跃升的影响,桃江站洪峰流量、洪峰水位序列在1987年发生向上的跳跃变异;因站点断面的水位流量关系发生了变化,桃源站年最高洪峰水位序列在1989年发生向上的跳跃变异;因江垭、皂市水库联合调度的影响,石门水文站年最大洪峰流量序列在2003年发生向下的跳跃变异。

基于大气环流和海温场的降水组合预报模型

针对降水具有混沌性和随机性,准确进行长期降水预报难度高的问题,提出时变海温多极指数和因子预报意见指数,基于大气环流和海温场构建长期降水组合预报模型,以三峡水库流域为例进行了验证。结果表明:组合预报模型在三峡水库流域1961—2020年汛期的月降水预报中有较好的适用性,特别在6月和9月降水预报上表现优异;与多因子回归、随机森林数理统计模型和CFSv2、ECMWF system 4动力数值模型相比,该模型更为稳健、预报精度提高显著。

关键水文信息对三峡水库调度决策的重要性分析

城陵矶(莲花塘)水位为三峡水库调度决策的重要指标,采用随机森林算法建立三峡水库出库决策模拟模型,分析三峡水库历史运行数据,从多角度对三峡水库调度所采用的水文信息,如月份、水库水位、城陵矶水位、预报入库流量等,进行排名与判断其价值,并重点分析城陵矶水位对三峡水库调度决策的影响。研究表明,所采用的随机森林模型能够合理地模拟三峡水库的出库决策,汛期的模拟效果要好于非汛期,可能是汛期调度决策受到预报入库流量、城陵矶水位的影响更加直接;无论是全年、汛期还是非汛期,水文信息的重要性排名均为预报入库流量、城陵矶水位、水库水位、月份;预报入库流量在汛期的重要性高于非汛期。

雅砻江梯级电站发电优化调度研究

以雅砻江梯级电站发电量最大为目标,综合考虑各约束条件,建立梯级水库发电调度模型,采用逐次渐近动态规划–逐次优化混合算法(DPSA-POA)进行求解。研究结果表明:联合优化调度与常规调度方案对比,两河口、锦屏一级、二滩电站的年均发电量分别提高了4.5亿kW?h (4.14%)、20.14亿kW?h (10.67%)和19.39亿kW?h (11.46%);雅砻江梯级水库的年弃水量减少了65.91亿m3,联合优化调度的经济效益巨大。