长短时记忆网络与新安江模型耦合的降雨径流模拟性能

深度学习技术在降雨径流模拟方面具有广阔应用前景,但受训练样本限制,需与传统水文模型相耦合,由传统水文模型提供训练数据。耦合数据的选择和超参数方案对耦合模型的模拟性能影响显著,但尚未有专门的研究。本文以东湾流域为例,用双向长短时记忆网络耦合新安江模型不同模块数据,并用灰狼优化算法优化超参数,构建降雨径流模型。结果表明:模型耦合不同数据时,对日径流和场次洪水的模拟性能均有提高,尤以耦合产流量和模拟流量数据时最为明显。不同耦合数据需调整超参数方案,灰狼优化算法可满足需求。本研究为提高耦合模型径流模拟能力提供了新思路和新方法。

基于网格的精细化降雨径流水文模型及其在洪水预报中的应用

以正交网格降雨径流模型研究为基础,提出了用于洪水预报的精细化基于网格蓄满与超渗空间组合的降雨径流模型(Grid-XAJ-SATIN)。从模型的原理与结构、地理信息空间处理、参数空间分布估算、模型的驱动场分析、模型流域状态同化几个方面对该模型进行讨论,分析模型在湿润、半湿润流域的实际应用情况。结果表明,无论是湿润流域还是半湿润流域,所提出的精细化模型均能取得良好的模拟预报精度,且模型在输出流域出口断面流量过程的同时,可实现对流域内任意网格单元流量过程的精细预报。

灵活架构水文模型在不同产流区的应用

对于给定的流域,选择合适的水文模型进行模拟是水文学研究的难点。选取中国11个典型流域,划分为蓄满产流区、超渗产流区及混合产流区,分别验证4种经典概念性模型与4种灵活架构模型。研究表明:蓄满产流区灵活架构模型难以提高模拟精度,但可以检验模型构件对模拟结果的影响,排除不合实际的模型结构;超渗产流区灵活架构模型可以提高模拟精度,但缺乏系统性,难以完整准确地描绘水文过程。综合而言,灵活架构模型表现不稳定,通用性差,但架设与修改方便,易于确定流域产汇流关键过程,是水文模拟的有效手段。

新安江-海河模型的构建与应用

为研究海河流域下垫面变化对洪水的影响,对新安江模型进行修订,得到新安江-海河模型。选择海河6个典型流域作为研究对象,分别用新安江模型与新安江-海河模型进行产汇流模拟计算,结果表明:洪水分年代、分量级模拟精度较高,但此时新安江模型参数取值不合理,SM值偏大;新安江-海河模型与新安江模型精度相当或稍有提高,参数取值更加合理。

降雨和地形地貌对水文模型模拟结果的影响分析

概念性水文模型数量众多,判断模型是否适合研究流域可以通过模拟结果来体现,但是熟悉流域的产汇流特性可以筛选模型,从根源上大量减少工作量,也可以解决相似流域无资料的问题。选取6种概念性水文模型,以马渡王、板桥和志丹这3个半湿润与半干旱流域为研究区域,探讨流域特性与模型结构之间的关系,并通过降雨和地形地貌分析其对模型模拟结果的影响。研究结果表明,流域地形及植被对产汇流过程有重要影响,由于局部产流现象严重,河道坡度影响大于流域平均坡度,当区域气候条件相差不大时,地形地貌比降雨对流域产汇流特性影响更大。因此对于水文模型的选择,可以在熟悉流域产汇流特性的基础上因地制宜,必要时可以增加适合研究流域的模块来获得更好的预报,在半干旱与半湿润流域,同时具有蓄满和超渗机制的模型能得到更好的应用。

山区小流域洪水预报实时校正研究

为了解决现有实时校正方法对山区小流域洪水进行校正能力不足的问题,引入K最近邻算法用于洪水预报实时校正。以安徽省沙埠流域为试验流域,构建基于K最近邻算法的实时校正模型,同时采用BP神经网络实时校正法和传统的误差自回归方法,以洪峰相对误差和确定性系数为评价指标,分析各校正模型的校正结果。结果表明:基于K最近邻的实时校正法对确定性系数改善最优,BP神经网络实时校正法对洪峰误差校正更精确;将历史洪水资料纳入学习样本后,基于K最近邻的实时校正法的校正能力将进一步提升。基于K最近邻的实时校正法能够有效避免误差自回归方法对洪峰误差控制较差的缺陷,适应性强,反应灵敏,精确度高,可作为山区小流域洪水预报实时校正的有效工具。

新安江模型参数不确定性分析

以东苕溪流域和息县流域为例,运用基于贝叶斯理论的GLUE方法对新安江模型参数不确定性进行分析评价.结果表明,两个流域都存在大量"等效性"参数,不同的参数组能模拟出相同的效果,验证了GLUE方法的重要观点:模型模拟结果的好坏是由参数组合决定的.根据参数与似然值散点分布图,可将研究的7个参数分为不敏感参数(KG,KI,CG,CI)、敏感参数(CS)和区域敏感参数(K,SM)3类,通过计算90%置信度的不确定范围,可实现洪水概率预测的目的.

CASC2D模型与GSSHA模型在栾川流域的径流模拟

为研究半干旱半湿润流域复杂产流机制下不同模型结构对于径流模拟的影响,选取栾川流域为研究对象,在采用相同的DEM、土地覆盖以及土壤资料的前提下,利用基于超渗产流机制的CASC2D模型以及在其模型结构基础上改Green-Ampt方程为理查德方程计算下渗并增加地下水径流的GSSHA模型对1964—2000年间的8场洪水进行径流模拟。结果表明,GSSHA模型在栾川流域获得较好的模拟效果,除峰现时差外,GSSHA模型在洪峰、径流深模拟以及确定性系数方面均比CASC2D模型有较大提升。

利用HEC模型分析下垫面变化对洪水的影响——以伊河东湾流域为例

近些年,由于气候变化和人类活动的双重作用改变了流域下垫面的水文特性,探讨研究下垫面变化的水文响应过程具有重要的理论和现实意义.河南伊河洪水虽然量级不大,但发生几率较高,对水库运用和河道冲淤的影响较大.如果洪水变小,伊河下游的造床流量也相应减小,水库控制中常洪水的流量及所需的防洪库容可做相应调整,反之亦然.因此,为了科学治理和管理伊河,开展伊河中下游洪水变化研究也是非常必要的.通过HEC模型对伊河上游东湾流域采用历史反演法的模拟结果表明,东湾流域在1964-2000年近40年来,下垫面的调蓄作用有所增大,次洪径流相对于往年来说偏小了约35.11%,次洪洪峰偏小了约12.30%.1990 s前后下垫面条件下在较大洪水上差别不大,在较小洪水上的差别稍大.

半湿润流域蓄满超渗空间组合模型研究

半湿润流域蓄满产流与超渗产流兼有,如何区分两种不同性质的产流过程一直是水文预报的难题。基于主导性水文过程的概念,结合遥感技术与地理信息技术,采用水文学界应用广泛的CN值和地形指数指标,划分蓄满产流主导区与超渗产流主导区,提出了蓄满超渗空间组合模型。以东湾流域为例,验证了蓄满产流模型、超渗产流模型及蓄满超渗空间组合模型的模拟效果。结果表明:单一产流模型参数失真,蓄满超渗空间组合模型参数接近实际;蓄满产流与超渗产流主导区划分越精确,参数越合乎实际;蓄满超渗空间组合模型精度较高,验证期结果稳定。

流域分块对汇流参数的影响

选择屯溪、东湾及王快流域为典型流域,挑选合适的目标函数,采用单纯形法率定参数,研究流域分块对新安江模型SM、CS、CI及CG等参数的影响。结果表明,随着流域分块数增加:降雨资料均化程度减小,SM呈增大趋势,CS呈减小趋势,CI及CG基本保持不变;洪量、洪峰合格数及确定性系数均呈增大趋势,当子流域面积小于1000km2时模拟精度大幅度改善。

应用新安江-海河模型研究下垫面变化对设计洪水的影响

为了探明流域产汇流参数变化特征及其演变机理,分析流域下垫面条件变化对设计洪水的影响.通过新安江海河模型研究卫河流域代表区下垫面变化情况,采用综合线性权重法对元村集站设计洪水资料系列进行一致性修正.结果表明:自由水蓄水容量、河网水流退水系数、地表填洼蓄水能力和地下水库出流初始水深这4个参数在1980年后都变大,可见代表区下垫面1980年前、后发生了明显的变化,导致流域内径流量大幅减少;合河—新村—五陵区间在1980年前15场洪水和1980年后32场洪水的预报径流深合格率都超过80%,达到乙等精度;元村集站最大5日洪量修正后比修正前平均减小27.1%;最大15日洪量修正后比修正前平均减小25.4%;最大30日洪量修正后比修正前平均减小23.0%.本研究可为水利工程的建设规模的确定提供科学依据,保障地区的防洪安全,满足人民生活和生产用水需求.

泾河上游植被覆盖动态及其与降水径流的关系

采用Mann—Kendall法、双累积曲线法和二维视图技术分析泾河三关口以上流域1982年～2006年植被动态、降水及径流变化，研究植被与降水径流的关系。结果表明，降水量呈下降趋势，流域逐年植被覆盖从20世纪90年代中后期呈下降趋势，均不显著；径流量呈显著下降趋势，且在1995年出现突变。植被与降水的关系不太密切，而植被类型改变对径流减少的作用不可忽视。

新安江-海河模型在阜平流域的应用

对新安江模型进行了完善,得到了全新的新安江-海河模型,分别运用新安江模型和新安江-海河模型,对1958—2004年阜平流域进行了产汇流模拟。结果表明:不管是新安江模型还是修正后的新安江-海河模型,模拟精度都比较高,尤其是在洪水分年代与分量级模拟时,但是新安江-海河模型中各个参数的取值更能反映实际的产汇流情况,模型结构更加完善。

基于TOPKAPI模型的黑河上游径流模拟研究

为了进一步完善黑河上游区域近几年的水文循环研究,采用基于物理基础的分布式水文模型TOPKAPI模型,对1998年~2007年的日径流、月径流过程分别进行模拟研究;并使用径流深误差Re、Nash-Sutcliffe效率系数及决定系数R^2三种评价指标对结果进行分析。黑河上游流域的日径流过程模拟径流深误差合格率在率定期和验证期合格率均为100%;Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.82、0.77;相关系数R^2分别为0.84、0.81。月径流过程率定期和验证期的径流深误差Re均为-0.36%,模拟径流量相对偏小;效率系数E也均为0.81,相关系数R^2分别为0.85、0.89。结果表明,TOPKAPI模型可以较好地模拟黑河上游流域的日径流及月径流过程,有良好的适用性。

水文水力学结合的秦淮河流域洪水模拟与实时校正

针对以栅格新安江模型为代表的分布式水文模型在秦淮河流域洪水模拟预报中下游感潮河段应用精度受限的问题,以前垾村(秦)站为节点,上游采用栅格新安江模型计算产流,下游采用水动力学模型对受闸泵调度影响的感潮河段水位进行模拟,并采用K最近邻(K NN)法和反馈法对模拟结果进行实时校正。结果表明,采用K NN法校正后确定性系数为0.718~0.975,达到了乙等预报精度要求,可用于秦淮河流域洪水模拟预报。

改进的径流曲线数模型在洪水预报中的应用

精确、适用性强的水文模型是洪水预报的重要手段,是防灾减灾的有力支撑。考虑前期土壤湿度和雨强因子改进SCS-CN产流模型,并增加汇流模块开发出新型SCS-CN水文模型,从不同气候区、不同量级洪水等角度出发,在韩村、马村两个半干旱流域,胜利河、恭城两个湿润流域,对SCS-CN水文模型的流量模拟进行研究。结果表明,相对于新安江模型,SCS-CN水文模型在不同气候区均具有较好的适用性,在半干旱流域模拟效果更优;模型对各种量级洪水模拟精度整体较优,尤其对中低量级洪水的模拟效果最佳。

用新安江-海河模型分析下垫面变化对设计洪水的影响

为了研究下垫面变化对设计洪水的影响,选择漳卫河南运河河系的安阳流域为研究区,建立考虑下垫面变化的新安江-海河模型,分别用1980年前后的次洪资料对其进行参数率定,根据参数变化来反映流域下垫面的变化:然后采用1980年后的参数重演1980年前的洪水,通过计算出的次洪径流深和洪峰的变化幅度来反映流域下垫面变化对洪水的影响;最后用此变化幅度对典型站设计洪水系列进行修订。结果表明,自由水容量和河网水流消退系数均呈增大趋势,导致同等降水条件下流域内径流深和洪峰明显减小,且洪峰的减小幅度大于径流深的减小幅度。在设计洪水修订时,中小洪水径流修订幅度远大于大洪水的修订幅度。认为流域内地下水开发、水利工程和平原区灌溉工程以及水土保持措施的实施是洪水变化的主要原因。

面向新工科的气象特色水利类专业人才培养模式探索与实践

新工科产生与发展是我国教育创新发展的系统产物,对国家未来教育改革将产生深刻的意义和指引性作用。面向未来,空天地、大数据、人工智能等高新技术的发展极大丰富了水利学科的内涵,水利类相关专业需要摸清新工科发展的节奏,从根本上革新当前的实践训练平台和人才培养机制。文章从新工科视角出发,对水利学科的建设现状和发展趋向进行了总结分析,并以南京信息工程大学水利工程学科为例,凝练出具有气象特色的多学科融合高水平水利人才培养机制,为行业特色高校水利类专业的人才培养模式和实践平台建设提供可以参考的经典案例,促使水利相关专业的人才培养水平和创新教学质量得到全面提高,为国家水利行业持续发展培养高质量人才。

半湿润半干旱流域空间组合模型研究

在半湿润半干旱地区,下垫面条件复杂,产流机制混合多变,而现有的水文模型由于其固定的结构和模式,无法灵活地模拟不同下垫面特征的洪水过程.本文利用CN-地形指数法将流域划分为超渗主导子流域和蓄满主导子流域.将新安江模型(XAJ)、新安江-Green-Ampt模型(XAJG)和Green-Ampt模型(GA)相结合,在子流域分类的基础上构建空间组合模型(SCMs),并在半湿润的东湾流域和半干旱的志丹流域进行检验.结果表明:东湾流域的参数由水文模型来主导;而志丹流域的参数受主导径流影响很大.在东湾流域,偏蓄满的模型模拟结果优于偏超渗的模型,且SCM2模型(XAJ和XAJG的组合模型)的模拟效果最好(径流深合格率为75%,洪峰合格率75%);而SCM5模型(GA和XAJG的组合模型)在以超渗产流为主的志丹流域模拟最好(径流深合格率53.3%,洪峰合格率53.3%).在半干旱半湿润流域,SCMs模型结构灵活,在地形和土壤数据的驱动下,具有更合理的模型结构和参数,模拟精度较高,适应性较强.