数字孪生汉江流域建设先行先试关键技术探讨

针对汉江流域水工程种类多样、体量庞大、预报调度任务复杂且艰巨、水资源管理与调配业务信息化程度不足的现状,选取汉江流域作为数字孪生建设先行先试工作试点,重点围绕防洪调度和水资源管理与调配业务需求,开展数字孪生平台及预报、预警、预演、预案“四预”功能建设。目前,数字孪生汉江流域已初步构建与流域实体孪生的数据底板,搭建统一且通用的模型平台和微服务化的知识平台,融合专业模型、知识图谱与业务应用,基于水工程联合调度规则库、水位目标控制的水库调度方式优化、行蓄洪空间防洪调度知识图谱等关键技术,形成防洪调度和水资源管理与调配智慧应用。建设过程中在可视化技术、孪生平台、知识图谱等方面凝练相关技术成果,可为其他数字孪生建设提供支撑参考。

长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统设计

引调水工程往往线路长,节点多,监测数据量大,控制要求复杂,人工分析判读难度大。针对上述问题,构建长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统,结合监测数据、调度规程、水利专业模型,提出输水调度运行状态自动判读方法。介绍了系统设计总体框架、技术路线及系统功能,并以南水北调中线工程为例进行了应用研究。结果表明:该系统实现了中线工程输水运行状态自动判读,能进行不同工况下的输水调度运行过程模拟,可为调度人员进行状态分析判读提供重要支撑。

云计算环境下水利水电工程GIS应用技术展望

云计算正在改变传统硬件产业和软件产业的商业模式,并促使企业IT架构、软件与服务业甚至普通人的生活发生重大而又深刻的变化。介绍了云计算定义、云计算与网格计算的关系、云计算的优点、不足及风险、国内外现状及发展趋势;对云计算环境下的水利水电GIS架构及实现过程进行了分析。一个完整的"云"计算系统是由应用软件层、平台层和基础架构层3个层构成。为了解决人们在水利水电GIS方面的各种需求,提出基于面向服务的体系架构,建设现代水利水电共性服务的平台,该平台是基于软件即服务和平台即服务的思想和理念构成的。同时还对云计算环境下水利水电GIS应用进行了展望。

基于WebGIS的水库群调度拓扑设计分析与应用

长江流域水系复杂,防洪范围广,控制性水库的防洪调度目标具有多元化、多区域分布等特征,水库在流域内的分布各式各样,各种调节能力的水库以串联、并联等多种形式互相连接,具有复杂的空间拓扑关系。为快速清晰地判断防洪对象、水库群以及水系的干支流、上下游拓扑关系,利用基于对象关系数据库的Web GIS网络分析模型,有机结合图形数据和属性数据,以长江流域为例,选取多个水库、断面及防洪对象构建简洁高效的网络拓扑关系,实现复杂水网的可视化和智能化,从而提高水库群联合调度的决策效率和智能效果。

风光水互补系统发电效益-稳定性多目标优化调度

风光水互补系统联合运行是解决风电、光电等间歇性能源消纳的有效方法之一,但互补系统的发电效益与稳定性存在矛盾关系,如何分析系统的出力互补特性并解析效益-稳定性关系是本研究解决的关键科学问题。本研究在雅砻江流域风光水互补示范基地上开展研究工作,采用互补系统总发电量最大、出力过程变异系数最小为目标构建效益-稳定性多目标优化调度模型,采用径流、风速和太阳辐射强度等作为输入,分析调度方案出力互补特性与目标关系。研究结果表明:效益-稳定性目标之间的关系为总发电量越大,变异系数越大,出力过程平稳性越差;互补系统在日内时间尺度上的互补关系为从夜间到日间再到夜间,光电出力从零逐渐增大再变为零,风电出力从大变小再变大,存在日内互补关系,水电能源依靠调节能力可有效互补平抑风电和光电出力。

湄公河干流洪水洪灾特点及防洪对策研究

湄公河是一条著名的雨洪河流,单位面积洪峰流量接近全球雨洪河流的极限值,洪灾频繁。为了减少洪灾损失,对湄公河干流的水系特征、洪水特性和洪灾特点进行了全面分析和分段论述;在此基础上探讨了洪灾成因,总结了防洪特点,并结合国内外防汛实践,提出了防洪对策。结果表明:湄公河干流洪水峰高量大,历时较长,河道洪水来量与泄洪能力不足的矛盾十分突出;洪水地区组成复杂,洪水来源以左岸支流为主,洪水类型以区域性洪水为主;湄公河三角洲漫滩、回流及潮流运动巨大,左右岸、河湖之间防洪关系非常复杂,宜按照“以人为本,人水和谐”的治理原则和“以泄为主,泄蓄兼筹”的防洪方针,科学处理蓄泄关系和河湖关系,对上下游、干支流洪水治理做出全面规划,并以中下游、三角洲地区和洞里萨湖区为规划重点,在充分利用河网、湿地、湖泊蓄泄洪水的基础上,因地制宜采取堤防护岸、河道整治、防洪水库等工程措施与非工程措施相结合的防洪体系;加强湄公河流域各国的防洪减灾合作,做到河湖两利,左右岸兼顾,上下游、干支流相协调相结合,保证重点防洪保护区人民群众生命财产安全,使得防洪减灾由被动防汛到主动迎汛,由单纯抵御洪水到安全管理洪水转变。

基于预报调度一体化计算的水库纳雨能力分析

水库防洪调度对于确保水库及防洪对象安全、水资源合理利用具有重要作用。降雨量集中、洪水预见期短等因素给水库防洪调度带来巨大挑战。水库纳雨能力分析是提高水库防洪能力的一项重要非工程措施。引入气象预报降雨数据以延长水情预报的预见期,结合水库防洪调度,提出了一种基于预报调度一体化计算的水库纳雨能力动态分析方法,并以滦河流域潘家口水库为例进行了应用研究。结果表明:水库纳雨能力分析有效延长了洪水预见期,为水库防洪调度争取更多的响应时间,可用于防洪形势分析及防洪调度预警,有效提升水库防洪度汛能力,具有较高的实用价值。

基于敏捷搭建技术的水利业务应用系统架构研究

针对当前水利专业应用系统的一体化耦合程度高、功能模块复用性低、业务范围扩展困难、开发耗时较长的问题,提出了基于敏捷搭建技术的业务应用系统架构。从配置化搭建、系统平台服务、模型微服务框架3个方面重点阐述了如何解耦系统,并用组态化、流程化的设计思路实现业务应用系统灵活搭建的关键技术。研究成果为不同专业方向、不同区域范围的水利业务应用提供了快速建设系统的思路。该成果在多个区域水利业务应用系统的建设中得到了实践,验证了其高效性、灵活性和扩展性,具有良好的实用推广价值。

水库洪水调度方案的解析驱动方法研究与应用

为将水库洪水调度方案快速转化为模型计算资源,首先对洪水调度要素进行量化解析生成调度条款库,并采用统一结构存储管理;其次,构建通用驱动引擎,实现对调度条款库的动态适配和全过程模拟计算;然后设计多种调度场景对调度条款库进行校验修正,并采用http服务方式对驱动引擎进行模型化封装。滦河流域潘家口水库的实例应用结果表明,该方法行之有效,计算成果与洪水调度方案的文字描述相符,可有效支撑洪水调度决策。

流域洪水调控计算的组态耦合技术与应用

为快速应对流域洪水调控的不确定性计算需求,对流域防洪体系进行数字化建模,将复杂的洪水调控任务分解为相互独立的模型算法组件,研究不同洪水调控场景下防洪对象与模型组件的动态适配技术,提出多类型洪水调控计算的组态耦合方法。结合长江上游防洪体系的水库调蓄与水流传播综合分析情景,对水库群的洪水调度、回水模拟及河道洪水演进动态耦合计算进行实例应用,可大幅提升作业响应速度,任务配置灵活,适应性强,复用度高,对流域洪水的智能调控分析和会商研判决策具有重要支撑作用。

湄公河与洞里萨湖水量交换特征

洞里萨湖是湄公河最大的连通湖泊,湄公河与洞里萨湖水量交换特征一直是国际社会关注的热点问题,但相关研究成果较少。利用4个河湖控制站的长系列水文资料,分析了湄公河与洞里萨湖水量交换特征,结果表明:湄公河与洞里萨湖的水量交换强度大,洞里萨湖对湄公河径流调峰补枯作用明显,每年汛期5—9月份均会发生倒灌,1995—2011年年均倒灌历时122 d,倒灌水量377亿m^3,占湄公河干流同期来水的14.4%,倒灌洪峰流量8402 m^3/s,占干流同期来水的20%,其中7—9月份倒灌水量占全年的88.6%;汛后10月份—次年4月份洞里萨湖向湄公河补水,年均补水历时244 d,补水水量711亿m^3,是湄公河倒灌入湖水量的1.96倍,占湄公河下游同期来水的29.9%,其中10月份—次年1月份补水量占全年的83.1%。年倒灌历时、水量与洪峰流量,年补水历时、水量与峰值的年际变化较小,变幅分别为76 d、283亿m^3、6095 m^3/s和76 d、474亿m^3、4677 m^3/s,变差系数为0.07~0.24。倒灌、补水水量不仅与湄公河和洞里萨湖的来水大小有关,还受到河湖水位差及洞里萨河水位等因素影响。研究成果可为湄公河三角洲和洞里萨湖区治理提供科学依据。

三峡区间面雨量空间插值方法对比分析

空间插值是常用的面雨量计算方法,以三峡区间为研究对象,选取反距离加权、普通克里金、协同克里金3种空间插值算法,进行面雨量空间插值计算和对比分析,其中协同克里金插值将地形作为影响因素。三峡区间面雨量插值结果表明:克里金插值在精度上要优于反距离加权插值,插值效果也更平滑;协同克里金的插值精度优于普通克里金,平均绝对误差、误差均方根相对于普通克里金插值分别降低了19%,10%。因此,在山区或地形复杂区域的面雨量计算,将地形作为协同区域化属性的协同克里金插值更合适。

基于CNN深度学习的径流预判方法及应用

为快速预判流量等级,将复杂洪水预报过程简化为径流预判任务,借鉴卷积神经网络(CNN)在图像识别领域的应用思路,研究CNN径流预判模型搭建过程,深入分析样本处理、网络搭建、参数率定、性能测试、精度检验、知识训练等关键环节,提出基于CNN深度学习的径流预判方法。根据某水库2008-2017年的历史运行资料,构建其入库径流等级预测CNN模型实例,采用61 362个样本进行参数训练,17 532个样本进行模型测试,8 766个样本进行成果检验,预测准确率为92.94%。研究结果表明,CNN径流预判方法可作为防汛形势分析及会商决策的重要依据。