基于CNN-LSTM-Attention和自回归的混合水位预测模型

【目的】水位预测对交通运输、农业以及防洪措施具有重要影响。精确的水位值可用于提升水道运输的安全及效率、降低洪水风险,同时也是保障区域可持续发展的必要条件。【方法】提出一种CRANet的混合水位预测模型,以卷积神经网络(CNN)、长短期记忆网络(LSTM)、注意力机制以及自回归(AR)组件为基础,旨在应对时间序列数据中存在的线性与非线性问题,缓解自回归及ARIMA模型的缺陷。其应用不仅在于为航运调度提供决策支撑,加强导航安全效率,同样能提升防洪减灾的能力。其中,CNN和LSTM组件有效地针对数据集内的局部和全局关系进行捕捉,AR组件则能充分考虑数据的时间序列特性。同时,通过注意力机制,模型能够优先考虑相关特性,提高预测效果。【结果】研究成果所提出的模型已成功应用于中国西江梧州站的水位预测,在测试集上预测未来3 h级别水位的MAE、RMSE和R^(2)分别为0.086、0.114 5和0.950 8。【结论】结果表明所提出的CRANet模型在水位预测方面的高可用性、准确度与稳健性,相较于AR、SVR、CNN、LSTM等模型具有更优的MAE、RMSE和R^(2)。

鄂东北诸河来水对汉口站水位顶托量化研究

围绕汉口站水位预报精度提升问题,开展了鄂东北来水对汉口站水位顶托量化研究。复盘了2024年汉口站水位发展过程及水位流量关系变化趋势,辨析了汉口站水位影响因素,定性分析了鄂东北来水对汉口站泄流能力的影响,并以2014年以来鄂东北合成来水顶托典型案例为研究对象,采用经验公式和多元回归方法,以鄂东北合成来水涨幅、汉口站当下水位量级以及该量级下水位上涨1 m时对应的流量变幅为变量,构建了汉口站水位顶托量化模型,量化分析了鄂东北来水对汉口站水位的顶托程度。研究结果表明:鄂东北来水最大涨幅中能够对汉口站水位产生实际影响的流量所占比例为0.3~0.8;汉口站水位顶托量化模型相关系数达到了0.94,检验误差在0.1 m以内,可以较为准确和便捷地计算鄂东北来水对汉口站水位的顶托量,为汉口站水位精细化预报提供了重要参考依据。

0℃层高度与夏季阿克苏河洪水的关系

应用阿克苏河两条支流的出山口水文站日流量资料,以及流域及其周边3个探空站的0℃层高度资料,分析了1999年夏季阿克苏河流域特大洪水期间0℃层高度与日流量的关系.阿克苏等3站的0℃层高度逐日变化与阿克苏河两条支流逐日流量之间有显著的相关关系.托什干河日流量与超前2～3d、持续3～4d的0℃层高度累积值之间的相关系数最大;库玛拉克河日流量则与超前3～4d、持续4～5d的0℃层高度累积值之间的关系最为密切.阿克苏河流域东部库车站的0℃层高度与托什干河日流量之间的关系最密切;中部的阿克苏站、西部的喀什站的0℃层高度与库玛拉克河日流量之间的关系更加显著.1999年特大洪水中,阿克苏河日流量与0℃层高度之间呈指数函数关系.以0℃层高度为因子,建立了阿克苏河两条支流4个日流量序列的非线性多元回归模型.

感潮河段水位预报方法浅析

针对感潮河段水情复杂、水位预报困难,分析评价了国内外感潮河段水位预报基本方法及研究进展,并概述了感潮河段水位预报实时修正方法,提出了一种简单实用有效的预报方法供参考。

长江中游洪涝灾害的发展趋势与跨流域治理的必要性

回顾了近五百年来长江中游洪涝灾害发生的历史，运用历史外推原理对洪灾的发展趋势进行了预测，认为在未来的十几年内，长江中游洪灾的发展态势不容乐观。在防御对策上，中央“三十二字”指导原则提出后，人们普遍把眼光投向流域内生态环境的治理。从历史看，长江中游自古以来就是受洪患严重威胁的地区，近代流域内生态环境的破坏在一定程度上人为地加剧了这一威胁，流域内生态环境的治理十分重要。但导致长江中游洪灾的根本原因还是我国水资源分布的不合理造成的，多数年份长江流域与海河、滦河流域等华北地区水资源的多寡相矛盾，“南涝北旱”时有发生。因此实施跨流域治理，采取“南水北调”中线方案，不仅可在一定程度上根治长江中游的洪患，而且还能缓解华北地区缺水的不利局面，取得事半功倍的效果。

2020年淮河上游暴雨对王家坝水位影响预估分析

王家坝闸是淮河防洪的第一道屏障,淮河上游(河南省中东部、东南部)出现的暴雨及相应的面雨量是导致王家坝水位变化的直接因素。流域面雨量的监测预报是洪水预报与调度的重要参数,也是各级政府指挥防汛抗洪的决策依据。2020年汛期由于河南省淮河上游出现持续性洪水,致使7月20日王家坝开闸泄洪,这是继2007年开闸泄洪13年后的又一次开闸泄洪。为了进一步发现淮河致洪的降水特征、面雨量特征及预报关注点,提升淮河防汛抗洪能力,对2020年导致王家坝水位演变的淮河上游降水特征、分区面雨量特征及历史上淮河致洪相似年大尺度环境条件进行了分析。结果表明:(1)2020年汛期淮河上游降水与王家坝的水位演变密切相关,主要分为3个阶段,即旱涝急转阶段,王家坝水位缓慢升高再回落徘徊期;连续性暴雨阶段,王家坝水位接近警戒水位期;大暴雨阶段,王家坝开闸泄洪期。(2)淮河干流片连续5天累积面雨量≥100 mm时,可导致王家坝水位迅速升高,出现超警戒水位洪水;汝河片单日面雨量≥50 mm,且王家坝接近超警戒水位时,未来6天王家坝水位缓慢上升或基本维持。(3)研发的“淮河上游面雨量预报及王家坝水位涨幅预估系统”,经2020年汛期应用,预报误差小,有较好参考价值,特别是结合智能网格降水预报结果,预估7月1718日淮河干流片面雨量≥50 mm,将致王家坝水位上涨4.6~5.4 m,出现超警戒或超保证水位风险极高,与实况基本吻合。(4)以淮河上游致洪暴雨集中期为相似确定2007和2020年互为最相似年份,归纳出王家坝出现超警戒水位的暴雨预估指标、淮河致洪暴雨产生的环流特征和环境条件,为淮河上游致洪暴雨决策服务提供科学依据和技术支撑。(5)暴雨频发、降水落区重叠、降水中心强度大且降水具有连续性是导致2020年淮河王家坝开闸泄洪的重要原因。淮河干流片面雨量对王家坝水位增长起决定作用。

雅砻江流域水情预报方案

雅砻江是金沙江左岸最大支流,流域面积大,气候、地形地貌条件复杂。流域内规划有多级电站,其中部分电站已建成运行,部分电站正在施工建设。雅砻江流域水情预报的任务是实现各电站的流量预报、施工水尺预报。通过对流域的分析,设置了预报断面,介绍了水情预报流程。选择了流量预报模型、水位预报模型、实时校正模型,考虑电站调蓄作用对水情预报的影响,采用雅砻江流域的水雨情资料对预报模型参数进行了率定,统计了各预报断面的合格率。根据预报方案编制了预报系统,利用2016年的资料进行了验证,结果表明,编制的方案适合雅砻江流域,满足日常生产的需要。

邕江洪水的天气气候成因及预测因子探讨

分析邕江洪峰水位序列的特征及其与环境场的相关关系,对邕江洪水的天气气候成因及预测因子作初步探讨,得到一些对实际预测有用的结果。

乌溪江流域自动洪水预报系统研究与应用

由于预报模型的局限性和实时信息的不完善,洪水预报过程存在一定误差。利用自动预报模型和人工预报参数交互式修改相结合的方式可提高洪水预报精度。在乌溪江流域自动洪水预报系统研究中,采用径流系数控制前期雨量损失总量,通过调整雨量损失进行产流计算,根据时段降雨的降雨中心和降雨强度选用单位线进行汇流计算。同时在自动化洪水预报基础上配以预报人员的多年预报经验,完成可实时修正、高精度的实时洪水预报。以典型洪水预报为例,人工预报参数交互式修改方法的准确性较高,人工预报峰现时间相差1 h,人工预报洪峰流量误差为0.74%,预报精度等级为乙级。研究成果已在浙江省乌溪江流域自动洪水预报系统得到应用,对其他流域洪水预报具有参考价值。

河流洪水数值预报在流体力学基础上的论证

用流体力学的基本理论,论证了河流洪水的基本特性:洪水漫滩后,主槽过水能力降低;由于主槽过水能力降低,上游来水形成雍水;河流洪水运动的有旋性;河流洪水能量的耗散性。提出联解流体力学的基本方程组进行数值洪水预报。

淮河流域2016年汛期洪水预报试验

预报大流域降雨径流与洪水是非常复杂的预报难题。本研究建立气象水文耦合预报模型对复杂大流域的洪水预报进行预报试验。模型采用中央气象台格点化降水预报产品作为预见期内降水,驱动水文水动力学耦合模型进行洪水预报。选择新安江水文模型用于流域降雨径流模拟,基于扩散波与柱蓄和楔蓄理论建立Muskingum-Cunge水位流量演算模型进行具有行蓄洪区的复杂河系洪水预报。以淮河鲁台子站以上流域2016年汛期洪水为例,将构建的气象水文耦合预报模型进行洪水预报试验。结果表明,模型取得了较好的预报精度,应用格点化降水预报产品考虑预见期内降水预报的洪水预报对于不考虑预见期降水预报,洪水预报预见期得到一定的有效延长,对同类流域预报有一定的借鉴意义。

鸭绿江感潮河段洪水预报模型的修正

鸭绿江感潮河段47 km,现有洪水预报模型在大潮预报时有明显的缺陷,问题的主要原因是没有明确体现洪峰到达时间与潮汐两高两低涨落时间的叠加。为此,对高低潮的影响以3 h为一段进行时间离散化处理,确定8个时段内的潮位值,作为附表在模型中进行应用,相对定量地确定了模型L3与L4线间的预报值幅度选择,实例应用预报精度提高到允许误差的10%,预测准确。

海平面上升对长江口涨落潮历时差的影响

针对近年来全球变暖,海平面上升影响河口地区水文特性的问题,对海平面上升对长江口涨落潮历时差的影响进行研究。采用二维潮流数学模型的方法,模拟在长江口上游大通的洪枯季及年平均径流量条件下,海平面上升100 cm对涨落潮历时的影响。结果表明:海平面上升减小了长江口北支上半段、南支和南北港等中上游区域的涨落潮历时差,对靠近外海的北支末段和南北槽的涨落潮历时差影响很小。海平面上升加大了河口地区的涨潮动力,使长江口的涨落潮历时差有所减小,由此对长江口地区的盐水入侵和泥沙输运带来的影响必须引起重视。

灰色自记忆模型在黄河凌汛水位预报中的应用

应用灰色自记忆模型,根据1957—2006年黄河内蒙古段巴彦高勒、三湖河口、头道拐3个水文站实测封冻期最高水位,建立了封冻期最高水位预测模型,并对2007—2011年封冻期最高水位进行了预测。结果表明:巴彦高勒、三湖河口、头道拐站预报合格率分别为66.7%、100%、83.3%,拟合合格率分别为90.7%、93.5%、91.1%。

潮位过程预报的近似方法

分析了下关站潮位过程的影响因子,提出了潮位过程的平均潮位、潮差、潮位过程平移、潮位过程分解与重建等概念,并用简单实用的统计相关方法建立了下关站潮位过程预报模型;用水文观测资料对所建立的模型进行了率定,率定结果表明,所建立的模型具有一定的预报精度、能够满足秦淮河流域水动力学洪水预报模型的边界条件预报要求。

基于导向标准断面法的受冲淤影响洪峰水位预报模型

为有效解决受冲淤影响洪峰水位预报问题,以巴水流域主要控制站马家潭水文站为例,在分析水文站水位-流量关系特性的基础上,采用导向标准断面法建立了受冲淤影响的洪峰水位预报模型。实例验证结果表明,模型水位预报精度较高,能满足马家潭水文站预报精度要求,可以较好解决受冲淤影响洪峰水位预报的难题。

基于混合回归模型的沿海平原河网洪水位预报研究

本文针对沿海平原河网水文情势复杂、洪水位预报困难的特点,以温瑞平原为研究对象构建混合回归模型,采取物理成因与数理统计相结合的思路,探究适用于沿海平原地区的洪水位预报新途径。利用产汇流模型计算求得各水文分区洪水过程,形成预报因子库,并在此基础上构建混合回归模型,通过耦合多元逐步回归模型与门限回归模型进行洪水位预报研究。研究结果表明:混合回归模型在温瑞平原洪水位预报中取得了较好的效果,验证洪水确定性系数为0.82,合格率为75.60%,具有较高的预报精度。该模型算法结构简单,对输入资料的要求较低,可操作性和实用性较强,可以为沿海平原地区洪水预报实际工作提供一定的参考。

新安江模型在呼玛河洪水预报中的应用

基于呼玛河流域降雨及洪水特性,采用新安江模型建立洪水预报方案,详细介绍了流域概况、模型结构、参数、精度评定等,并对影响预报方案精度的因素进行了简要分析。结果表明,该模型在呼玛河洪水预报中精度较好,可为类似地区提供借鉴。

相应水位法在水文预报中的应用

相应水位法是目前洪水作业预报中应用较为广泛的一种简便水文预报方法。它根据河道洪水波运动原理,洪水波上同一位相点(如起涨点、洪峰、波谷)通过河段上下断面时表现出的水位,彼此称相应水位,建立相应水位经验关系,由上断面现时水位预报下断面未来时刻水位的河道洪水预报方法。主要通过对牡丹江长汀子水文站与牡丹江水文站建立洪峰水位相关关系,实现对牡丹江水文站洪峰水位的预报,为牡丹江市防汛调度提供及时的水文信息。

滩槽流量分别演算法进行汾河下游河段洪水预报

汾河下游柴庄以下河段由于受人为和自然等多种因素影响，河道发生持续淤积，过水能力大幅度降低，使河道行洪特点发生很大变化，正常的洪水预报方法失效。本文提出滩槽流量分别连续演算法进行洪水预报，反映了本河段河道汇流的特殊性，取得了满意效果，解决了多年来该河段预报的难题，对同类河道具有参考价值。