Runoff Simulation of Shitoukoumen Reservoir Basin Based on SWAT Model

[Objective] The study aimed to simulate the runoff of Shitoukoumen Reservoir basin by using SWAT model. [Method] Based on DEM elevation, land use type, soil type and hydrometeorological data, SWAT model, a distributed hydrological model was established to simulate the monthly runoff of Shitoukoumen Reservoir basin, and the years 2006 and 2010 were chosen as the calibration and validation period respectively. [Result] The simulation results indicated that SWAT model could be used to simulate the runoff of Shitoukoumen Reservoir basin, and the simulation effect was good. However, the response of the model to local rainstorm was not obvious, so that the actual runoff in June and July of 2010 was abnormally higher than the simulation value. [Conclusion] The research could provide theoretical references for the plan and management of water resources in Shitoukoumen Reservoir basin in future.

基于Vine Copula的梯级水库短期发电调度风险估计

基于能准确描述高维变量相关关系的Vine Copula,考虑短期径流预报误差的空间相关性,构建了梯级水库短期发电调度风险估计模型,并将模型应用于长江上游溪洛渡、向家坝和三峡水库,分析了径流预报误差带来的单一水库、梯级水库短期发电调度风险。结果表明:基于C-vine Copula构建的联合分布能较好地描述屏山站、朱沱站、寸滩站和武隆站的日径流预报误差特性;随着水库可调节安全区间范围增大,单一水库发电量不足风险率、弃水风险率均越来越小,梯级水库发电量不足、弃水联合风险率和同现风险率越来越小,即水库调节库容越大,其承担的风险也就越小。

龙羊峡水库后汛期入库径流特征及可蓄水量分析

以1956—2022年唐乃亥水文站实测水文数据为基础,采用数理统计方法,重点分析黄河源区后汛期径流特征,并结合龙羊峡水库满负荷发电流量,对龙羊峡水库在后汛期可蓄水量进行不同情景的分析讨论。研究表明:1)唐乃亥水文站后汛期径流量年际变化较大,丰枯不均,以正常偏枯为主,多年平均后汛期径流量占汛期径流量的29.1%;2)唐乃亥水文站后汛期日平均流量在1000 m^(3)/s以上的径流量平均为8.96亿m^(3),年际变化极大,以1000 m^(3)/s发电流量运用,龙羊峡水库蓄至正常蓄水位的保证率仅为10%,多数年份汛期结束后水位无法达到正常蓄水位2600 m。建议根据后期来水,适时调整进入后汛期的时机,优化和调整龙羊峡水库年度调度方案,为高效合理利用黄河源区后汛期水资源奠定基础。

小型水库洪水预报模型研究及应用

针对缺资料地区小型水库入库洪水预报难的问题,构建了一种小型水库入库洪水预报模型,其产流模块采用SCS模型,汇流模块采用地貌瞬时单位线,模型参数基于高精度地形地貌数据确定,不依赖于实测流量资料进行模型参数率定,并在安徽省永堌水库进行了应用。采用1818号台风“温比亚”期间永堌水库强降雨洪水进行了验证分析,应用结果表明,构建的模型对该场次洪水过程两次洪峰模拟值与专家反推的入库洪峰较为一致,相对误差分别为3.2%和-11.8%,均在±20%以内,峰现时差均为0,径流深模拟相对误差为-19.2%,确定性系数为0.949,说明建立的小型水库入库洪水预报模型对本次降雨洪水模拟效果较好,对其他小型水库入库洪水预报具有较好的参考和借鉴意义。

闽江流域多时间尺度降雨—径流关系变化与成因

为进一步揭示闽江流域降雨—径流关系的时空变化规律,识别主要驱动因子,基于1960—2019年降雨和径流数据,应用TFPW—MK方法,按照年以及年内的汛期与非汛期、前汛期和后汛期、最大月和最小月等不同时间尺度,检测闽江上游三大支流、干流及全流域等空间尺度的降雨—径流演变趋势;结合Sen trend方法,从气候变化、土地利用和水库工程建设3方面,分析影响降雨—径流关系变化的成因。结果表明:1)闽江流域及各支流年降雨—径流均呈不显著上升,趋势变化一致;2)除支流建溪流域,闽江及其他支流非汛期降雨—径流上升趋势显著;汛期内部趋势变化分化明显,前汛期降雨—径流略减少,后汛期降雨—径流大部分显著增加;3)极端降雨—径流的变化趋势不一致,主要受大型水库工程建设的影响。基于多时间尺度的分析,更深入揭示闽江流域降水、径流的演变及气候变化与人类活动的影响,对区域水资源管理与水土保持具有重要参考价值。

考虑入库径流和负荷需求不确定性的水库优化调度研究

为量化水库入库径流和电网负荷需求的不确定性,分析二者对水库优化调度过程的影响,本文以三峡水库为例,引入鲁棒优化理论,建立径流和负荷的多面体不确定集合,结合k-means聚类算法对各不确定情景下随机模拟的入流和负荷情景进行聚类处理。建立以电站实际出力与计划出力偏差最小、总发电量最大和下游适宜生态流量改变度最小为目标的多目标优化调度模型。多目标粒子群算法求解结果表明:在考虑水库入流和负荷需求不确定性的前提下,各情景下的水库水位升降变化规律与实际水位变化规律基本相同,且与实际水位相比,水库能在更多时段维持较高水位运行,提高了三峡电站在蓄水期的整体发电水平。

黄河上游近60年水沙变化特征及其影响因素

由于受人类活动及气候变化影响,黄河上游干流水沙特征发生显著变化。为探究黄河上游水沙变化情况,基于黄河上游5个水文站19642019年水沙、遥感影像等数据,利用Mann-Kendall检验法、滑动t检验法、累积距平曲线和双累积曲线等突变检验方法和小波分析法,对黄河上游水沙变化特征进行研究。利用水沙关系曲线及线性回归法等方法估算人类活动和气候对水沙变化的贡献率,并着重讨论梯级水库建设及土地利用变化对水沙的影响。结果表明:1)黄河上游玛曲-小川段流域内降雨量和径流量变化幅度不明显,贵德站、循化站、小川站19862019年年均输沙量分别减至19641985年的9.8%、24.6%、38.8%,输沙量大大减少。黄河上游玛曲-小川段径流量突变多在1986年,输沙量突变多在1969、1986、2004年,径流量存在8、16、22 a周期,输沙量存在4~8、18~21、27 a周期。2)1969年后,河流输沙能力增强,水沙关系显著改变。在不同时段内,人类活动对径流量变化在19872019年贡献率为66.3%,对输沙量变化在19701986、19872004、20052019年的贡献率为72.96%、70.73%、69.7%。人类活动对黄河上游干流水沙影响占据主导因素。3)刘家峡水库淤积最为严重,单库运行期水库淤积量为2.39亿t,排沙比变化范围为1.39%~10.7%。梯级水库联调使得径流量在19642004年间减少47.8%,19642019年间梯级水库减沙94.8%,梯级水库对输沙量影响远大于对径流量的影响。4)19802020年间,草地面积增加了1880.03 km 2,增幅3.1%,有利于减少输沙量,草地拦沙效益大于截流效益。

基于多因素分析的密云水库流域径流变化归因

为准确揭示密云水库流域径流变化的物理成因,基于降水、径流非平稳特征诊断结果,采用SWAT(soil and water assessment tool)水文模型,基于Budyko理论的弹性系数法和水量平衡法揭示该流域径流变化原因;对比验证各模型归因结果差异,进一步探究归因方法和基准期选择对流域径流变化归因结果的影响。结果表明:基于Budyko理论的水量平衡方法更适用于水利工程众多、跨流域调水活动频繁的密云水库流域径流变化归因计算;利用该方法进行分析,当基准期长度达到16年及以上时,流域径流变化归因分析结果逐渐趋于稳定,而基准期选取过短会高估人类活动对径流的减水效应;此外,基准期选取靠近研究初始时段时,计算得到人类活动的减水效应相对较大。综合考虑上述各因素的影响,认为人类活动是密云水库流域径流变化的主导因素;在变化期Ⅰ,其减水效应在-128.32%~-119.56%波动,在变化期Ⅱ,其对径流的削减作用为-75.58%~-70.70%。研究结果有助于提升对密云水库流域径流复杂演变规律和物理成因的科学认识。

PSO-LSTM-TMPH模型在水库调蓄流域径流模拟中的应用

水库的建设和运行使得水库下游流量发生了显著改变,为了在月径流模拟中充分考虑水库的调蓄作用,选择东江流域作为典型流域,使用粒子群算法优化的长短期神经网络(Particle Swarm Optimization-Long Short Term Memory,PSO-LSTM)对东江流域的3个多功能水库枫树坝、新丰江、白盆珠水库的出流进行了模拟,并与传统的水库模型Level Pool Scheme(LPS)进行对比;使用三参数月度水文模型(Three-Parameter Monthly Hydrological Model Based on the Proportionality Hypothesis,TMPH)进行水库入流和区间来水模拟,与上述两种水库出流模型结合分别形成PSO-LSTM-TMPH和LPS-TMPH对东江流域重要站点龙川、河源、岭下、博罗进行预见期为一个月的径流模拟。结果表明:①PSO-LSTM在三大水库的模拟中效果均好于LPS,尤其在新丰江水库出流模拟中,在验证期的纳什效率系数(Nash-Sutcliffe Efficiency,NSE)、均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)分别为0.59、55.59 m^(3)/s,相比LPS提高了0.22,降低了17.01 m^(3)/s,说明该模型可以很好地捕捉多年调节水库复杂的水库出流规则;②PSO-LSTM-TMPH模拟龙川站、河源站、岭下站、博罗站径流的NSE为0.87,0.86,0.91,0.93,相比LPS-TMPH,NSE提高了0.09、0.21、0.07、0.03;③在测试期内,PSO-LSTM-TMPH水库出流模拟效果仍然较好,相比训练期、验证期模拟效果差异小,说明模型的模型泛化能力较强。研究建立的PSOLSTM-TMPH混合模型可以结合深度学习和物理模型各自的优势,适用于人类活动干扰下的径流模拟,可为优化水资源利用、实施干旱调度等提供技术支撑。

金盆水库上游降雨径流二维泥沙输移沉积模拟

为了探究降雨径流在不同流量、含沙量下对西安市金盆水库水体的影响规律,基于湍流流动模型,对2022年10月降雨径流时期西安市金盆水库上游的泥沙输移和沉积进行了数值模拟,并对所建立模型的可靠性进行了验证。通过对不同流量、含沙量下的径流进行模拟计算,表明在沿程前部断面处,流速越大底部含沙量越小;在沿程后部断面处,流速越大断面含沙量越高;径流含沙量越大,断面含沙量越大,泥沙分布厚度越大。因此,可以根据降雨径流时期来水的流量及含沙量分析泥沙输移沉积的过程,为水库的运行维护提供参考。

基于长系列数据的密云水库入库径流演变规律及驱动力分析

密云水库是华北地区最大的水库,是首都的战略资源库。目前,水库正处于高水位运行,研究径流演变规律及影响因素,对高水位下水库水资源的合理利用具有重要的理论和实践意义。本文运用随机水文学、序列统计等方法,分析径流演变规律,探讨了降水和人类活动对密云水库径流变化的影响。结果表明:密云水库径流年内分配极不均匀,主要集中在7月下旬至8月上旬,8月居多,并且集中期有滞后现象,最大滞后9天;年际变化剧烈,年代变化明显,密云水库流域径流呈下降趋势,1999年以来下降趋势更为显著;非汛期年径流预测持续年份需在24年以上,汛期径流预测持续年份需在40年以上;密云水库流域径流量与降水量的年代、年内变化趋势基本一致,但两者的变化趋势不太一致,不同时期降水与人类活动对径流的影响不同。

基于集合Kalman滤波的中长期径流预报

为降低中长期径流预报的不确定性,增加水电站水库的发电效益,针对现有方法侧重于提高单一预报模型确定性预报结果的准确性以降低径流预报不确定性的问题,提出一种基于集合Kalman滤波的入库径流确定性预报方法。以旬为预见期的锦西水库实例验证结果表明:相比传统的单一预报模型和传统的信息融合预报模型,基于集合Kalman滤波的中长期径流预报可使RMSE降低4.78 m^(3)/s,合格率可提高0.56%,且更有效地降低了汛期预报的不确定性,得到了更加准确、可靠的确定性径流预报结果,可为开展流域梯级水电站优化调度提供技术支持。

柏叶口水库控制流域1952-2021年径流特征

本文利用多种指标对柏叶口水库控制流域1952-2021年(70 a)的径流资料进行年内年际变化特征分析。采用线性相关检验法、Mann-Kendall检验法、Spearman秩次相关检验法对柏叶口水库径流量变化趋势分析,利用Mann-Kendall突变检验对柏叶口水库径流量进行变异分析,采用小波变换对柏叶口水库径流量进行周期性分析。结果表明:柏叶口水库径流年内分配极不均匀,径流主要集中在7-9月,多数年份径流量峰值出现在8月,少数年份径流量峰值出现在7月、9月,极个别年份径流量峰值出现在10月。70 a来,柏叶口水库年径流量总体上呈现较为显著的下降趋势,突变年份为1970年,主要周期为4 a、7 a和37 a,在37 a的时间尺度下,2019年以后柏叶口水库入库径流偏少。

密云水库上游潮白河流域丰平枯特征及其与入库水量的定量关系

[目的]揭示密云水库上游潮白河流域水量变化的年际时序规律及丰平枯季节性差异,为京津冀地区水资源高效利用及生态用水保障提供决策参考。[方法]在收集流域水量数据,进行潮白河流域逐月丰平枯水期分析的基础上,采用距平百分率解析潮白河流域水量变化特征,并推导流域丰平枯时段与径流水量的定量化关系。[结果]2010—2021年,潮白河流域的枯水期历时远大于丰水期和平水期时间,但丰水水量及其距平百分比每隔1~2 a均会呈现指数级增长趋势,表明潮白河流域近年来更多的表现出了极端的气候特征。潮白河流域的丰水时段均主要出现在7—12月,流域平水时段基本伴生于丰水时段,但是2010—2021年,潮河与白河流域仅出现了6~7个月的平水期;枯水时段占据了12 a来的大部分时期,阶段性密集分布在除丰水期和平水期以外的所有时段。在所有时段,白河流域的水量均高于潮河流域,这可能归因于春季融雪对径流的补给。[结论]2010—2021年,潮白河流域极端降水时间增多,但枯水时段的比例远高于平水期和丰水期。3者的比例关系是影响流域水量最重要的因素。

Copula函数在水库枯水期径流预测的改进研究

为提高中型水库枯水期径流预测精度,引入改进的Copula函数,选取辽宁省2座中型水库为研究实例,对其枯水期径流预测的精度进行对比。结果表明:改进后的Copula函数引入变量概率密度,对函数变量进行优化后,可提升求解精度,相比于改进前,各中型水库枯水期径流年尺度径流预测相对误差分别降低12.6%和13.7%,月尺度径流预测误差分别降低10.9%和11.8%。研究成果对于中型水库枯水期径流预测精度提高具有参考价值。

Temporal Change of Runoff and Sediment Load and their Differential Response to Human Activities:A Case Study for a Well-vegetated Mountain Watershed of Southern China

This study examined the temporal trends of runoff and sediment load and their differential response to human activities in the Lishui river,a tributary of the Yangtze river in southern China.The long-term observation data at four gauging stations,generally involving two periods from 1954 to 1985 and from 2007 to 2011,were used.We detected no significant temporal trend for both the annual runoff volume(Q) and the annual suspended Sediment Load(SL) over more than 30 years before 1985.The flow duration curves and the Suspended Sediment Concentration(SSC) also hold constant before 1985.Compared with the period before 1985,SL has decreased by about 80% though Q remains unchanged for the period after 2007.Detailed examination shows that the flow duration curves after 2007 have changed with a significant decrease in the high-flow component,which acts as a major cause for the decreasing SL.In addition,SSC has decreased by several times,which also contributes to the decrease in SL after 2007.Both decreases in high-flow discharges and in SSC can be linked with recent human activities,mainly including vegetation establishment and dam constructions.The constant Q and the decreasing SL are also reported for the main stream of the Yangtze River and other major rivers in southern China,although they are orders of magnitude larger than our study area in drainage area size.The present study highlights the importance of high-flow discharges on SL and suggests that the use of SL is more appropriate to reflect environmental change than Q.

Comparison of the rise of water level in the typical catchments,Three Gorges Reservoir area

Water level is an important index for studying hydrologic processes. Water level rise processes were studied in three catchments(catchment I, II, III in Chen Jiagou watershed in the Three Gorge Reservoir Area) with different areas to provide useful information to inform data extension from a gauged-catchment to an ungauged catchment. The results showed that there are seasonal changes in the dominant driving mode of the rise of the water level. The rise of the water level in March is likely mainly driven by the mode of stored-full runoff, and in September or October, it is mainly driven by Horton-flow. The correlation coefficients of all indexes were significant among the three catchments, suggesting that these catchments have similarities and that water level data extension is likely to be completed successfully between the large catchment(III-Catchment) and the small catchment(ICatchment). It was confirmed that there is good similarity between the 0.6 km^2 and 6 km^2 catchments, and the data correlation is good between the catchments with the area differences in the Three Gorges Reservoir Area. In addition, the rise processes of the water level in the catchments were not only different under the same rain conditions, but this difference could also change with the rain condition.

Spatio-temporal trends and causes of variations in runoff and sediment load of the Jinsha River in China

The Jinsha River Basin is an important basin for hydropower in China and it is also the main runoff and sediment source area for the Yangtze River,which greatly influence the runoff and sediment in the Three Gorges Reservoir.This study aims to characterize the spatial distribution,inter-annual variation of runoff and sediment load in the Jinsha River Basin,and to analyze the contribution of rainfall and human activities to the runoff and sediment load changes.The monitoring data on runoff,sediment load and precipitation were collected from 11hydrological stations in the Jinsha River Basin from1966 to 2016.The data observed at the outlet of the basin showed that 71.4%of the runoff is from the upper reaches of the Jinsha River Basin and the Yalong River,while 63.3%of the sediment is from the lower reaches(excluding the Yalong River).There is no significant increase in runoff on temporal scale in the Jinsha River Basin,while it has an abrupt change in runoff in both upstream and midstream in 1985,and an abrupt change in downstream in 1980 and2013.The sediment load demonstrated a significantincreasing trend in the upstream,no significant reducing trend in the midstream,but significant reducing trend in the downstream.The sediment load in upstream showed abrupt change in 1987,in midstream in 1978 and 2014,in downstream in 2012.Rainfall dominated runoff variation,contributing more than 59.0%of the total variation,while human activity,including reservoirs construction,the implementation of soil and water conservation projects,is the major factor to sediment load variation,contributing more than 87.0%of the total variation.

径流变异对滹沱河流域水库生态调度的影响

分析了滹沱河中上游径流变异情况并计算了河道生态流量,通过构建岗南黄壁庄梯级水库供水及生态多目标优化调度模型,并采用NSGAⅡ求解多种情景方案,探求入库径流变异对水库生态调度的影响。研究结果表明:小觉站和平山站径流分别在1983年和1979年发生变异,流域径流整体呈显著下降趋势;利用频率众值法、Tennant法和年内展布法计算的河道理想、适宜及最小生态流量对应的年生态需水量分别为9.85亿、5.85亿、3.23亿m^(3);农业灌溉及生态需水缺水率随来水频率的增大而显著增大;入库径流下降趋势显著且发生变异,致使变异后不同水平年水库调度的供水保证率均有所降低;农业灌溉需水和生态需水矛盾显著,枯水年农业灌溉供水率降低4%可提高12%的生态供水率。

紫坪铺水库现状水沙情势变化与减淤措施研究

水库泥沙淤积是造成有效库容减少、运行成本增加以及水库寿命缩短的重要影响因素,科学判别水库的淤积形势以及开展合理的排沙措施是解决水库淤积的有效途径。紫坪铺水库自汶川地震后,入库沙量呈增加趋势,对水库的安全运行及下游用水安全产生了极大威胁。研究表明:汶川地震前,岷江上游径流量呈减小趋势,地震后有少许恢复,但仍处于偏枯状态;地震后入库沙量明显增加,截至2020年,水库淤积总量为1.952亿m^(3),占总库容的17.55%,泥沙总体淤积在库区中部,坝前淤积相对较少;为应对水库淤积问题,提出减少水库淤积的措施、异重流排沙、人工清淤以及工程措施与非工程措施结合的“上库调沙,下库调水”的综合减淤方式,以期为紫坪铺水库健康长效运行提供决策建议。