杭州水文现代化发展的思考与展望

水文科学是水利工作的重要基础,是推动新时代水利高质量发展的重要支撑。通过总结杭州水文发展现状,分析当前存在的主要问题,研判杭州水文现代化的发展目标和总体思路,提出健全优化的现代化水文站网体系、自动先进的水文监测体系、精准全面的水文分析预报体系、智能便捷的水文信息服务体系、精简高效的水文管理体系等杭州水文“五大体系”建设,形成“透彻感知、智能分析、精简管理、便捷服务”的现代化水文事业格局,为杭州水文现代化建设提供重要依据,有力支撑水利和经济社会发展。

杭州三堡排涝工程运行管理实践与思考

随着极端天气事件的增多,城市防灾减灾工作面临着巨大的挑战。杭州三堡排涝工程建成以来经历了8个汛期的安全运行,有力提升了区域防洪排涝能力。为进一步发挥杭州三堡排涝工程的防灾减灾功能和社会综合效益,通过对其防洪排涝、泵站运行、水文化水生态融合等工程运行管理实践的分析,提出推进流域骨干防洪工程建设,完善泵站相关技术规范,促进水工程与水文化深度融合等方面的合理建议,可为其他城市强排泵站的建设和管理提供借鉴。

基于GIS的杭州市水文预警系统设计与实现

水雨情实时预警是山洪灾害、洪水、城市内涝的重要预防手段,在防灾减灾中发挥着举足轻重的作用。为此,以GIS、数据库等实用技术为手段,通过构建自动预警系统、可视化展示、信息处理、规则定制、模板配置、智能适配的杭州市水文预警系统,功能设计灵活,操作简便、维护便捷,实现了预警自动生成、打印、传真、短信发送一体化作业,可有效提高水雨情预警的时效性,为杭州市水旱灾害防御提供及时、准确、可靠的水雨情预警信息。

杭州市东苕溪流域初始水权定价探索

在分析水资源资产价格评估内涵和必要性的基础上,借鉴排污权资产价格评估的做法,分别从水资源资产的有用性价值、稀缺性价值和所有权人权益价值三个方面,研究水资源资产价格评估的影响因子,提出初始水权定价评估方法。运用所建立的评估模型,结合杭州市东苕溪流域水资源开发利用现状,开展初始水权定价探索研究,为下一步开展水资源使用权的有偿出让和水权交易等实践活动提供方法和理论支撑。

基于图像智能识别的中小河流流量监测系统应用研究

基于机器视觉智能算法自动提取分析水流天然示踪物运动要素信息,研制天然河道流量监测系统,并在浙江临安桥东村水文站开展比测实验研究。提出运用“单宽流量比较法”确定代表性测点流速的权重,在测点流速稳定性分析的基础上优选代表性测点流速,合成指标流速并开展推流和误差分析。实验期白天时段中,测站高水期图像法测流系统误差-1.93%,随机不确定度25.8%。夜晚时段各水位级误差指标较白天总体偏大,高水期系统误差-4.63%,随机不确定度16.3%。研究显示,现阶段图像法测流可作为中高水期流量测验的辅助手段,该方法应用于全天候环境还须进一步探索,测量精度亦需提高。

山丘区小流域SCS广义单位线产汇流模型

以山丘区小流域洪水预报为研究对象,耦合改进后的美国农业部水土保持局(Soil Conservation Service,SCS)产流模型与广义单位线汇流模型,模型参数意义明确、容易确定。选取东江流域西枝江水系上游九洲水文站以上集水区域场次洪水资料,将SCS广义单位线模型与三水源新安江模型进行次洪模拟应用对比。结果表明:SCS广义单位线模型和新安江模型在研究流域场次洪水模拟中均具有适用性,洪峰、洪量及过程线均满足许可误差要求,两个模型的合格率分别为69%和77%,整体上新安江模型的模拟精度更优。新提出的SCS广义单位线模型结构简单,参数易于确定,能够提供可接受精度的模型结果,为山丘区小流域洪水预报提供新的模型选择,同时也能为广义单位线参数区域化规律研究提供支撑。

三堡排涝工程防御“烟花”台风效益分析及改进措施

三堡排涝工程是杭州市防洪排涝的重要节点工程之一,特别是对降低运河水位具有直接的防灾减灾效益。2021年7月22—27日,受“烟花”台风影响,杭州市普降大到暴雨,运河(杭州段)流域发生超警戒水位洪水,三堡排涝工程及时开机排涝,持续运行降低河网水位,有力保障了城市运行安全。为更好地发挥工程效益,分析“烟花”期间工程的运行情况、雨情、水情、工情等,对台风影响期间运河水流流向可能出现的3种情况进行水量还原计算,得到台风影响期间可能排入运河的水量分别为960万m^(3)、1763万m^(3)、1155万m^(3),并对三堡排涝工程进行精细化调度,使拱宸桥站最高水位降低0.41 m,超警时长由142 h缩减为26 h。结合运行实践,针对洪水期垃圾聚集拦污栅阻水问题,采取调整拦污栅横梁高程和加大栅距以增大进水量的改进措施,明显提升排涝效益;针对机组被动避潮问题,提出提高设计重现期和优选宽扬程段水泵转轮模型改进措施,确保水泵机组稳定运行,为强感潮河段城市强排泵站设计和建设提供参考。

基于卷积神经网络的东苕溪瓶窑水文站水位预报

东苕溪流域的洪水防御对杭嘉湖平原安危至关重要,而瓶窑水文站水位预报是东苕溪流域洪水调度的决策依据。基于二维卷积神经网络,构建了东苕溪瓶窑水文站水位预报方法,选择起涨水位、下游水位、上游水库下泄流量及区间降水量构建特征集,设计了三层二维卷积神经网络结构,对输入特征集进行有效特征提取,采用两层全连接神经网络建立水位预报模型,并利用粒子群算法优化模型参数,进而得到最优模型。东苕溪2007~2020年14场典型洪水过程水位预报实例分析表明,基于卷积神经网络的瓶窑水位预报模型预报精度能达到甲级,预报精度和可靠性较高。

水文分析图件微服务化技术在文档自动生成方面的应用研究

水文分析文档的质量和文档生成效率会直接影响水利防汛和水资源利用的效果。水文分析图件作为水文分析文档的重要组成部分,其制作质量成为当前衡量文档水平的重要指标。传统的图件制作方式在图件标准化和制作效率方面受到诸多限制,在防汛紧要时期无法保证图件制作的高效性和标准化。根据实际工作需要并结合目前主流的信息化技术,对水文分析图件进行微技术化封装,为各个应用文档提供接口服务,通过多次调用不同的服务接口,可快速生成各类水文分析文档。

复杂工程调度影响下的洪水预报研究——以分水江水文站为例

分水江水文站洪水预报是区域防灾减灾重要的非工程措施。通过概化流域水系拓扑关系和水量平衡关系,利用三水源新安江模型,构建考虑复杂工程调度影响下的分水江站洪水预报模型,并利用2013-2020年水文资料进行率定验证。结果表明:日径流模型径流深相对误差均低于许可误差,确定性系数均大于0.90;次洪模型12场洪水洪量和洪峰流量相对误差均低于许可误差,确定性系数均值为0.93,拟合效果较好,预报精度达到甲级水平,可为区域防洪减灾提供技术支撑。

基于系统聚类的分水江站水位分类预报和区间预报

研究分水江流域控制站——分水江站的水位预报方法,提高预报精度,对支撑区域防洪决策具有重要意义。利用分水江站2012~2020年典型历史洪水,基于系统聚类分析方法,以最大1 d洪量、洪峰流量、洪峰水位、洪水起涨历时占比作为聚类指标,将洪水分为Ⅰ、Ⅱ类两类洪水,采用流量演算—水位流量关系转换法对分水江站进行水位分类预报,并构建不同类型洪水水位流量关系的上下边界,提出一种分类洪水水位区间预报方法。结果表明,两类洪水的洪峰水位预报精度有所提高,预报区间宽度明显减小,提高了区间预报结果的可利用性。

基于残差网络的河流表面时空图像测速法

针对在耀光、紊流、降雨等复杂含噪场景下时空图像中有效纹理特征变得模糊,使得现有纹理主方向检测算法精度受限的问题,结合深度学习的思想,提出了一种基于残差网络回归模型的时空图像测速(ResNet50-STIV)法,并借助残差网络回归模型强大的非线性学习能力构建了回归预测函数。通过构建人工合成数据集和包含复杂场景时空图像的天然河流数据集对残差网络回归模型进行试验,结果表明:提出的残差网络回归模型在人工合成数据集下的检测精测可达到0.1°,对于天然河流数据集,具有残差结构的ResNet回归模型的检测精度优于VGG16;从模型层数看,基于ResNet50的回归模型能较好地平衡检测精度以及执行效率,在正常场景下的检测精度达到0.7°,而在耀光、紊流、降雨场景下能控制在1.3°以内,ResNet50-STIV优于现有的时空图像测速法;与流速仪法在多场景下表面流速比测的最大相对误差小于12%。

智控扫描式声学多普勒测流系统应用探讨

为加快水文监测新技术与装备在水文测报中的应用,在浙江嵊州站、江苏前垾村水文站分别建设智控扫描式声学多普勒流速仪测流系统示范应用站点。智控扫描式声学多普勒流速仪测流系统,通过水下智控转动扫描测流方式使传统的一维流速剖面数据扩展为二维扫描流速数据,并融合计算流体动力学、人工智能等多学科前沿技术,建模仿真河道流场以计算实时流量,原理上可有效提高测流精度和降低人工比测率定分析的工作量。通过对示范应用站点半年时间运行的稳定性和流量监测数据比测分析,得出示范应用站点测流系统稳定可靠,流量监测和人工监测数据趋势基本一致;在流态快速变化期间,测流结果存在一定迟滞性,可采用提升扫描速度的方式提高对流速变化的敏感度;流体及神经网络算法模型还需要进一步优化,结合多模型算法提高智控扫描测流系统的智能化能力,进一步提高流量监测的精度。

产流模型蓄水容量的一种尺度校正方法

针对不同尺度下地形指数以及蓄水容量的差异问题,以流域栅格地形为依托,提出了蓄水容量的一种尺度校正方法。以地形指数作为辅助因子,通过引入分辨率因子和分形理论分别对决定地形指数的上游集水面积和坡度两个变量进行尺度校正,并根据地形指数与蓄水容量之间的关联关系,计算地形指数校正后的不同尺度蓄水容量。实例验证结果表明,校正后的尺度蓄水容量均趋近于目标尺度蓄水容量,蓄水容量面积分布曲线逼近目标曲线;在仅考虑地形因素下,所提出的校正方法不仅能够有效降低尺度对地形指数和蓄水容量计算的影响,而且能够大幅减小计算工作量,提高计算效率。

基于在线SVM的平原河网河道水位预报方法

针对平原河网地区河道水位预报的不确定性特征,以京杭运河代表站拱宸桥站为例,提出了一种基于在线支持向量机的河道水位预报方法。根据拱宸桥站河道水位影响因子,选取京杭运河2008—2013年11场典型洪水过程的1500组水文数据作为样本,分别构建了固定式、在线增量式和在线剔除式SVM水位预测模型。定性定量比较了不同预见期下3种模型的预测数据,结果表明在线剔除式SVM模型的预报精度要高于其他2种模型。该方法可为研究平原河网地区河道水位过程实时预报提供参考。

基于卷积神经网络的钱塘江涌潮潮时预报

精准的钱塘江涌潮潮时预报对防潮安全管理、市民游客观潮、水资源开发利用、交通航运及涉水工程建设等具有重要意义。传统基于相似潮分析的经验预报方法无法精确分析一些短期随机性因子带来的影响,预报精度有一定的不确定性,因此提出了一种基于二维卷积神经网络的钱塘江涌潮潮时预报方法。选择农历日期、风力风向、上游来水、江道地形、前日隔日时间差等影响因素作为特征向量构建特征集,利用二维卷积神经网络提取输入矩阵的特征信息,构建全连接神经网络钱塘江涌潮潮时预报模型。通过粒子群算法对参数寻优,实现钱塘江涌潮潮时隔日预报,并以钱塘江代表站仓前站2009~2017年涌潮预报成果进行验证。验证结果表明,基于卷积神经网络的钱塘江涌潮潮时预报模型具有较高的预报精度和可靠性。

土壤含水率空间分布的快速计算方法

针对栅格分布式水文模型计算土壤含水率空间分布的低效率问题,基于地形指数与单点蓄水容量的内在关联,构建离散蓄水容量曲线,并将其应用于集总式新安江模型中替换传统蓄水容量曲线进行产流计算,通过解析离散曲线与空间栅格的对应关系快速获取土壤含水率的空间分布,将该方法应用于紫罗山流域洪水过程后的土壤水空间分布计算。结果表明,本文模型与栅格水文模型中输出的土壤含水率空间分布一致,而所需计算量仅与单栅格相同,极大地提高了计算效率。

水库温室气体排放研究

蓄水发电型水库碳角色近年来受到持续关注,为探求筑坝拦水对于水库温室气体排放的影响,以珠江上游岩溶地区率先修建的大化水库为例,采用水库温室气体净通量评估模型(G-res Tool)进行水库温室气体排放计算。研究表明:随着水域面积增加,大化水库蓄水后年均温室气体(CO_(2)和CH_(4))排放总量较蓄水前升高约2.5倍,但受地理环境和人为环境的限制,蓄水后水库温室气体年均排放通量为216 g CO_(2)e/(m^(2)·a),显著低于同纬度气候条件下的水力发电排放量,亦显著低于同等规模的火力发电排放量。研究成果可为同类型地区其他水电站工程温室气体碳属性的科学评估提供参考。

北苕溪流域台风“菲特”特大暴雨洪水分析

2013年10月6—9日,受台风"菲特"影响,北苕溪流域遭遇历史罕见的特大暴雨,四岭水库出入库流量和最高水位均刷新建库以来历史记录,流域控制站潘板站水位创历史新高。为掌握北苕溪流域暴雨洪水特点,分析此次降雨的雨量、强度、频率、时空分布、特性,研究洪水过程、组成、重现期和特性,并与台风"莫拉克"北苕溪暴雨洪水对比分析,为北苕溪流域防灾减灾提供参考依据。

昌化溪上游“利奇马”台风致灾成因及对策研究

受2019年9号台风"利奇马"影响,昌化溪上游小流域遭受了百年一遇的短历时局地强降雨,临安区岛石、龙岗镇多处电力、通信、道路、供水中断,人民群众财产损失严重。通过对两镇致灾成因分析,从地质灾害排查、山洪灾害防御、村镇规划、小流域规划整治、涉水工程建设、山核桃林发展、水情监测预警、通信保障等8个方面,提出针对性应对策略,为区域灾害评估、灾后重建和防灾减灾体系建设与完善等提供科学依据。