基于未来降雨的水库实时优化调度研究

为了充分利用未来降雨信息指导水库调度,构建了以最大削峰为目标的水库实时调度模型,提出了一种考虑未来降雨信息的水库优化调度方法,基于水箱模型利用24 h降雨量预报信息预测入库流量并建立每个时段的泄洪指标求解模型。以山美水库防洪调度为例进行研究,与降雨启发信息优化调度方法进行比较,结果表明,此优化调度方法在目标函数上表现更好,与利用洪水预报的优化调度方法效果相近,能较好地解决来水不确定性的问题。

基于改进智能算法水库群防洪优化调度研究

水库群防洪优化调度通过合理安排水库群的蓄泄水量,最大程度减轻洪水灾害。针对水库群防洪调度目标难以分解以及“维数灾”等问题,构建基于最大削峰准则的水库群防洪优化调度模型,利用轮库法有效降低维度并结合粒子群智能算法优化求解。以黄河花园口以上干支流的5座大型水库组成的混联水库群为例,开展典型年水库群联合优化调度,结果表明:相较于常规调度,优化调度方案能够削减防洪控制点的洪峰流量,平稳泄流过程,提高控制性水库的防洪可靠性,大大减轻黄河下游的防洪压力。

基于启发式分割算法的水文变异分析研究

通过构建理想样本探讨了启发式分割算法在水文变异诊断中的可行性,比较了其与传统变异检验方法在检验性能上的差异,同时结合珠江三角洲河网三水站1900-2004年年最大洪峰流量序列检验其实际应用效果。研究表明该方法能较好排除虚假变异点干扰,较准确识别变异点数目及其发生时间,检验性能优于传统方法,适用于水文变异分析,特别是对复杂非线性非平稳水文序列,实际应用效果较好。通过变异分析发现三水站年最大洪峰流量序列在1993年发生跳跃变异,且为均值向上跳跃,表明区域防洪形势将更加趋于严峻。

年最大洪峰流量群居蜘蛛优化投影寻踪预测模型

年最大洪峰流量预测,受较多的复杂因素的影响,不确定性较强,用常规统计方法做出准确预报具有较大困难。从水文序列本身出发,提出将投影回归模型应用于年最大洪峰流量预测,为了更好获得投影寻踪模型参数和预测精度,提出了运用延迟相关系数法确定回归预测因子、群居蜘蛛算法优化投影寻踪模型最佳投影方向参数a、利用最小二乘法确定多项式的权系数c、岭函数个数M的群居蜘蛛优化投影寻踪年最大洪峰流量预测模型,结合长江宜昌站(1882年-2004年)的年最大洪峰流量资料进行实例预测,训练阶段平均绝对相对误差为8.61%,预测阶段平均绝对相对误差为10.51%,该模型预测效果较好,模型结果稳定,可有效应用于年最大洪峰流量预测。

黑河洪峰变化及其对全球气候变暖的响应

利用黑河洪峰及黑河上、中游降水和气温资料,采用线性倾向方法、功率谱分析方法、滑动t-检验法、累计距平法、Cramer’s法以及相关统计方法等,分析了黑河年最大洪峰流量及其出现时间的演变特征及其原因。结果表明:黑河年最大洪峰出现时间变化呈现波动性,并且与上游气温变化趋势基本一致,其突变年在1983年前后,突变前年最大洪峰时间是推迟的,突变后则明显提前,黑河年最大洪峰出现时间与气候变暖关系密切,随着全球气候变暖,黑河年最大洪峰出现时间存在提前的趋势。黑河年最大洪峰流量的时间演变以波动形式为主,存在准3年和准11年的变化周期,其突变在1973年前后;黑河年最大洪峰流量与洪峰出现日前三天黑河上游的降水多少有关;黑河年最大洪峰与年平均流量的历史演变趋势也具有很好的相似性。

近50a来新疆区域与天山典型流域极端洪水变化特征及其对气候变化的响应

以年极端洪水超标率来反映区域极端洪水,分析了新疆区域极端洪水变化;以年最大洪峰记录分析了天山山区主要河流极端洪水变化规律,并用14站资料分析了天山山区气候变化特征,讨论了天山主要河流极端洪水变化对区域气候变化的响应.结果表明:受气候变暖影响,1957—2006年全疆极端洪水呈区域性加重趋势,尤其南疆区域极端洪水明显加剧,北疆区域也有加重趋势,但相对较缓.全疆及北疆、南疆在20世纪90年代中期以来都处于洪水高发阶段.近50a来,在新疆区域洪水呈加重趋势的变化背景下,发源于天山南坡的托什干河和库玛拉克河年最大洪峰流量呈显著增加趋势,发源于天山北坡的玛纳斯河与乌鲁木齐河年最大洪峰流量虽有增加,但是变化趋势较缓.以年最大洪峰流量发生转折年为界,天山典型流域托什干河、库玛拉克河、玛纳斯河和乌鲁木齐河在20世纪90年代(或80年代)以来与前期相比,呈现出相似的变化特征:年最大洪峰流量明显增大,年际间变化更加剧烈,洪水年更频繁.以年最大洪峰流量发生转折年份为界,玛纳斯河、托什干河和乌鲁木齐河后期的年最大洪峰集中日期较前期推迟2～9d,库玛拉克河却提前5d.玛纳斯河、乌鲁木齐河和库玛拉克河后期的集中度较前期增加0.8%～8.3%,托什干河减小1.1%.1961—2010年,新疆天山山区气温明显上升,升温率为0.34℃.(10a)-1,1997年以后明显增暖;天山山区降水显著增加,增加速率15.6mm.(10a)-1,同时极端降水强度增大、频数增多.近50a来天山主要河流极端洪水变化与区域增温以及天山山区极端降水事件增多等有密切关系.

近60年渭河流域极端降水和洪水演变特征

渭河流域地处中国西北地区东部,是气候敏感区和生态环境脆弱区,极端降水事件往往引发洪水、泥石流等灾害。现有研究主要集中在降水引发的流域径流变化,而极端降水和洪水变化规律有待挖掘。本文基于1961—2021年气象水文资料,选用8个极端降水指数、4个代表水文站年最大洪峰流量,采用百分位阈值法、Kriging空间插值法、线性回归法、滑动平均法、小波分析法,分析了渭河流域极端降水和洪水时空演变特征、周期特征以及2021年极端降水和洪水特性。结果表明:(1)近60年渭河流域极端降水总量和暴雨频次显著增加的同时,极端降水强度亦有所增强,而弱降水事件减少。极端洪水整体呈不显著减少趋势。极端降水和洪水均在2000年以后显著增加,特别是极端降水总量和暴雨频次较多年均值偏多12%~22%,并且各极端降水指数极大值均出现在2000年以后。(2)极端降水和洪水年内分布不均,前者主要集中在7月和8月,后者除“七下八上”期外,9月也是多发期。(3)各极端降水指数均呈现由上游向下游递增的分布,中游南部极端降水普遍强于北部。流域内大部分站点极端降水指数呈增加趋势,显著增加地区位于中游周至—临潼区间以及长武—宁县。(4)极端降水和洪水存在多个周期变化特征,且极端洪水周期年代际特征显著。(5)2021年渭河流域极端降水强度、大雨以上降雨日数均为近61年来之最,华县站出现2012年以来最大洪水过程,咸阳站出现1935年有实测资料以来9月份同期最大洪水。研究结果可为渭河流域水旱灾害防御以及治理规划提供参考依据。

世界已知最大洪水及其外包线公式

世界最大洪水及其外包线公式有助于人们分析和认识世界洪水极值的地区分布规律,能为洪水频率分析成果和可能最大洪水(PMF)成果的合理性检查提供重要标尺,还为某些短缺暴雨/洪水资料的地区粗略估算PMF提供方便。根据世界范围内大量的洪水极值,求得世界已知最大洪水洪峰流量外包线的新公式:Qm=154A0.738(用于A<300 km2的情况);Qm=1 830A0.316(用于A=300~3 000 000 km2的情况)。对世界最大洪水的地区分布特点和洪水成因作了简要的分析。

广东省主要江河年最大洪峰流量与大洋海温的关系分析

针对海温对年最大洪峰的影响,采用相关分析法分析了太平洋区域多年逐月的286个海温格点与广东省四大江河控制站年最大流量系列资料,获得了相关性最为明显的特定时间和特定区域的海温,为年最大洪峰预报提供了理论依据。

HHT在年最大洪峰流量规律分析中的应用

Hilbert-Huang变换能够定量描述非线性、非平稳、弱相依、高度复杂时间序列的时频特性,较传统的时间序列分析方法更具优势。通过对时间序列进行EMD分解,得出其演化过程的内在模函数和趋势项,并对内在模函数做Hilbert-Huang变换,获得序列的变化周期。以汉江上游的两个代表水文站——石泉和安康水文站的年最大洪峰流量为例分析,石泉站年最大洪峰流量变化存在3.06年、7.11年和24.98年的周期,安康站年最大洪峰流量变化存在3.01年、6.07年、15.97年和29.65年的周期,且两站的年最大洪峰流量序列呈降低的趋势。

设计洪水计算中年最大选样法与超定量选样法的比较

利用宜昌站实测径流资料,对年最大选样法和超定量选样法进行比较,两种选样方法简便易算,超定量选样法可从有限的洪水资料中利用更多的洪水信息。在进行洪水频率分析前,检验样本系列的独立性,并利用常用的线型优选方法选择合适的频率线型。结果表明,超定量选样法在设计洪水计算中的结果是可靠的。

基于Copula函数的1977—2014年广东省年最大洪峰特征分析

基于广东省51个水文站的1977—2014年的年最大洪峰流量数据,分析了年最大洪峰流量序列的特征和趋势,综合运用MK和Pettitt等数理统计方法研究年最大洪峰流量的变化趋势,同时基于单变量和多变量Copula函数进一步分析洪水重现期及洪水联合分布,揭示土地利用对广东年最大洪峰流量频率的影响机制。研究结果表明:(1)广东省29(22)个站点年最大洪峰流量有增加(减小)的趋势,且北江的三水、石角、高道和西江的小罗年最大洪峰流量呈显著增加趋势,站点大多数集中于北江流域和西江流域;(2)Inverse Gaussian和Log-logistic是年最大洪峰流量拟合最优的单变量分布函数,Clayton Copula是年最大洪峰流量拟合最优的Copula函数;(3)在1977—2014年间,51个站点中有10个站点(其中六个集中在鉴江和漠阳江水系,其余集中在北江和西江水系)发生了百年一遇的洪水,有的甚至远远超过百年一遇,剩余的站点洪水的重现期多集中在20~30 a一遇;(4)选取考虑两站点(高道站与石角站、连平站与顺天站、马口站与三水站、潮安站与东桥园站、合江站和高州站)间年最大洪峰流量的联合分布情况,超过20 a一遇的洪水发生的概率很低,同时5种年联合分布情况下联合重现期和同现重现期随着流量增大而增大,同现重现期总体大于联合重现期。广东省51个站点中,无论是年最大洪峰流量的空间分布还是发生年份的时间分布上都受到了城市化进程下土地利用类型变化的影响,二者在空间和时间上存在一致性。

黑龙江流域洪峰水位特征分析

黑龙江流域地跨中、俄、蒙三国,沿岸地区洪水灾害频繁,在一定程度上制约了当地国民经济的发展。因此,有必要对流域的洪峰水位变化特征进行分析,为流域水资源管理提供可靠依据。结合SPSS对相邻两站的洪峰水位进行相关分析,相邻两水位站的相关系数均较大,成极显著相关,且有非常显著的统计学意义。经回归分析得出相邻两站间洪峰水位均成线性关系,且不包含常数项。降水量对洪峰水位影响分析表明,最大洪峰雨量的影响最为显著,其次是汛期雨量,相关关系最不显著的是年降水量。

基于SA-FOA的水库防洪优化调度研究

由于优化调度方案在确保水库及上下游安全、减少洪水损失等方面比常规调度方案更有效,自20世纪60年代以来各种优化算法被大量用于水库防洪调度方案的优化。果蝇优化算法(Fruit Fly Optimization Algorithm,FOA)由于具有原理简单、参数少、计算量小及易于实现等优点而被广泛应用,然而已有研究发现其存在过早收敛、易于陷入局部最优等问题,为此提出一种用于求解水库防洪调度问题的耦合模拟退火算法的果蝇优化算法(Fruit Fly Optimization Algorithm Coupled with Simulated Annealing Algorithm,SA-FOA)。该算法通过设置随迭代次数逐渐减小的果蝇移动搜索距离,提高了迭代初期的收敛速度并避免了迭代后期错过最优解;同时,将模拟退火算法中的Metropolis准则引入到果蝇优化算法的迭代过程中,依概率对产生的新个体进行选择,克服了果蝇优化算法易陷入局部最优解的缺点。以坝前最高水位和最大削峰准则作为目标函数,构建水库双目标防洪优化调度模型,采用SA-FOA求解日照水库两场洪水的最优泄流方案集,结果表明:(1)两个目标函数近似成反比关系,这是因为两者代表的目标存在冲突所致;(2)与FOA求得结果进行对比可知,SA-FOA求得的目标值比FOA更优;(3)通过与实测泄流过程对比可见,优化调度方案的最高水位和泄流量平方和均小于实测值,故SA-FOA求得的优化调度方案优于实测值。

低调节性能水库防洪优化调度分段试算法改进

基于水库实时防洪调度的操作流程,以最大化实时调洪库容为准则,提出腾库预泄段、过渡维持段、削峰蓄洪段、安全消落段、期末消落段等5阶段划分原则;以最大削峰准则为目标,构建各分段优化出库过程的确定方法,形成低调节性能水库防洪优化调度改进分段试算法。以富春江水库为对象,开展改进分段试算法模拟调度并与原分段试算法进行对比,实例结果表明:改进分段试算法与原分段试算法相比优势明显,克服了原方法调洪计算中频繁突破库容、泄流能力上下限的问题,算法稳定性能良好;减少了闸门操作频次,增强了优化调度方案的可操作性;削峰效果更加显著,同等条件下削峰率提升13.3%。

两变量联合分布在水文频率分析中的应用研究

以汀江流域上某站点的实测洪水资料为样本,利用Gumbel-Hougaard Copula函数构建两个边缘分布为P-Ⅲ型分布的年最大洪峰流量系列与年最大7 d洪量之间的联合分布。实测资料的率定结果表明,年最大洪峰流量和年最大7 d洪量的联合观测值的理论概率分布与经验概率分布拟合得很好。并基于此理论联合分布,进行了一些分析计算。

鄂州市湖泊调蓄作用浅析

随着全球气候影响和快速城市化的发展,近年来暴雨洪水频发。利用1959-2016年鄂州最大日降水量数据,应用皮尔逊Ⅲ分布法计算鄂州市多年一遇的降雨量来确定鄂州20年一遇、50年一遇和100年一遇降雨量,通过分析鄂州梁子湖、鸭儿湖等中型湖泊在不同重现期其削峰和调蓄洪水作用,发现梁子湖对20年一遇、50年一遇、100年一遇洪水的调蓄水量分别为3.29、3.73和4.04亿m^3,调蓄水量分别占入湖水量的87%、83%和80%;上鸭儿湖对20年一遇、50年一遇、100年一遇洪水的调蓄水量分别为0.39、0.22和0.23亿m^3,调蓄水量分别占入湖水量的35%、32%和30%,对比鄂州市防洪排涝标准并讨论鄂州防洪对策。

长江三峡以上洪水组成分析

利用宜昌、寸滩、屏山、高场、富顺、北碚、武隆7站1951-2008年共58 a的洪水系列,并对宜昌站2003-2008年流量资料进行还原推算,详尽分析了三峡及三峡以上各主要干支流年最大洪水出现规律;三峡洪水汛期洪量组成以及年最大7,15,30,60 d洪量组成。结果表明：金沙江、嘉陵江和岷江来水是三峡洪水的基础,寸滩-宜昌站区间来水量对三峡洪水起到加帽、造峰作用,两者来水遭遇常形成高峰洪水。分析成果能够为三峡水库调度运行提供重要的技术依据。

基于区域回归分析法的浙江省洪水计算分区

以浙江省122个水文站历年最大洪峰流量与不同时段雨强、流域面积、河长、河床比降为指标,建立区域回归方程,利用该回归方程计算各水文站历年最大洪峰流量,并与实测值比较,结果表明计算值与实测值相关关系的分区规律明显,可将浙江省分为两个洪水计算区,计算值大于实测值的站点相对集中于钱塘江中上游、瓯江中上游、浦阳江、曹娥江等区域,占该区全部站点的69.5%;计算值小于实测值的站点相对集中于天目山、会稽山、四明山、天台山、大盘山、括苍山、南北雁荡山等呈"7"字形分布区域,占该区全部站点的73%。该分区结果与浙江省梅雨、台风雨以及土地利用、植被等分区总体吻合,表明分区结果是合理的,该分区方法具有可行性。

堰塞体逐渐溃决数学模型研究

堰塞体是高位岸坡在地震作用下滑坡导致正常河道被堵塞而形成的天然堆石体。根据堰塞体溃决的特点采用有底坡明渠出流形式,结合冲刷率与速度平方成正比的关系建立堰塞体逐渐溃决数学模型。对“10·10”白格堰塞体溃决过程计算分析,结果表明:当冲刷系数α=0.0007~0.0009,糙率n=0.030~0.035时,溃决洪峰流量为8813.04~14087.49m 3/s之间,与实测值相比,洪峰流量误差在32%之内。当采用冲刷率与流速的平方成正比的冲刷方式时,建议冲刷模型系数α在0.0007~0.0009之间选取,可降低计算结果误差。增大泄流槽的糙率n,减少冲刷系数α,可以减少溃决洪峰流量,延缓洪峰流量出现时间。边坡角度θ对于洪峰出现时间、断面最大流速、洪峰流量大小影响都较小。