梯级水库设计洪水最可能地区组成法计算通式

利用Copula函数建立各分区洪水的联合分布,基于联合概率密度最大原则,推导得到最可能地区组成法的计算通式,并用来推求梯级水库下游断面的设计洪水。选择清江流域水布垭—隔河岩—高坝洲梯级水库为例,开展了验证和方法比较研究。结果表明:最可能地区组成法计算得到的设计洪水值位于同频率地区组成法多方案计算结果的区间之内;受清江梯级水库调洪的影响,宜都断面设计洪水的削峰率十分显著,最可能地区组成法推求100年一遇设计洪水的削峰率达到30.2%。该法具有较强的统计基础,组成方案唯一,结果合理可行,为复杂梯级水库设计洪水的计算提供了一种新途径。

基于Budyko假设预测长江流域未来径流量变化

基于Budyko水热耦合平衡假设,推导了年径流变化的计算公式,分析了长江流域多年平均潜在蒸发量、降水量、干旱指数和敏感性参数的空间变化规律。选用BCC-CSM1-1全球气候模式和RCP4.5排放情景,把未来气候要素预估值与LS-SVM统计降尺度方法相耦合,预测长江流域未来的气温、降水和径流变化情况。采用乌江和汉江流域的长期径流观测资料,分析验证了基于Budyko公式计算年径流变化的可靠性。结果表明:降水量变化是影响径流量变化的主导因素;长江各子流域未来径流相对变化增减不一,最大变幅10%左右;在未来2020s(2010—2039年)、2050s(2040—2069年)和2080s(2070—2099年)3个时期内,长江南北两岸流域的径流将出现"南减北增"现象,北岸径流变化增幅逐渐升高,南岸径流变化减幅逐渐降低。

基于SPI的鄱阳湖流域干旱时空演变特征及其与湖水位相关分析

以标准化降水指数(SPI)为工具,以鄱阳湖流域为研究对象,选择流域内13个气象站共50a的逐月降水量和5个水位站共50a的逐日水位为实验数据,通过Mann-Kendall检验方法和Kriging插值方法,分析了鄱阳湖流域干旱的时空演变特征,以Spearman秩相关系数为评价指标,比较了流域不同时间尺度的SPI值与各站湖水位、不同时间尺度干旱强度与各站年最低水位之间的相关程度。研究表明:鄱阳湖流域的干旱具有明显的季节性特征,春季和秋季具有较为明显的干旱化趋势;鄱阳湖的干旱覆盖面较广,干旱在不同区域内的不同时期都有可能发生和转移;鄱阳湖流域的气象干旱对湖水位具有较为显著的相关性,湖水位对3个月尺度和6个月尺度的SPI值响应最为明显,其与湖水位的相关程度,自近出湖口地区向远离湖口地区递增。

基于Copula函数的多变量水文不确定性处理器

传统的水文不确定性处理器(HUP)属于单变量结构类型,只能独立地给出各预见期实际流量的贝叶斯后验概率密度,没有考虑它们之间的内在相关性。本文利用Copula函数推导了贝叶斯转移预报(BTF)方法中后验转移密度的解析表达式,提出了基于Copula函数的贝叶斯转移预报(CBTF)方法和基于Copula函数的多变量水文不确定性处理器(CMHUP),进而发展了基于Copula函数的贝叶斯极值预报(CBEF)方法,并应用于三峡水库入库洪水预报中。结果表明:所提方法实用有效,CBTF方法和CMHUP可以定量地评估三峡水库入库流量转移预报的不确定性,准确揭示了水文预报不确定性在时间上的演变特征,CBEF方法则提供了预见期时段内最大入库流量预报的不确定性信息。所提方法不需要进行线性-正态假设,能够很好地捕捉流量过程的非线性和非正态特征,适用范围更加广泛,对于支撑防洪减灾和水库运行调度具有重要的参考价值。

活性碳纤维在石化废水处理中的应用研究

石油化工废水水质成分复杂、水质水量波动频繁、有毒有害物质含量高,对环境造成的威胁大。试验采用活性碳纤维对石化废水进行处理,考察了该材料对CODcr、氨氮、挥发酚、石油类的去除率,研究了活性碳纤维对石化废水净化的机理。试验结果表明活性碳纤维对石化废水中的CODcr、氨氮、挥发酚、石油类的去除率分别可高达80.4%、95%、94.6%、67.7%。碳纤维作为吸附剂及生物膜载体处理废水效率高,具有占地小、能耗小、污泥减量化、能够反复多次使用,运行成本较传统工艺低等优点,是一种良好的石化废水处理填料。

社会水文学研究方法和难点

人类文明离不开水。在气候变化和人类活动等变化环境下,人类社会系统与水文系统之间的联系愈加紧密。本文基于国内外研究现状,辨析社会水文学的基本定义、与水资源管理和生态水文学的区别,综述社会水文学的主要研究方法,展望社会水文学研究的热点和难点问题,最后简述目前学术界对社会水文学的争议。社会水文学重点研究社会–水文耦合系统的协同演化和动力学机制,以期能够增加人们对于社会水文系统内在联系规律的了解,提高人类对于未来水文水资源的预测能力。

气候变化下汉江流域虚拟水贸易分析

探讨气候变化下未来虚拟水贸易,为流域水资源合理配置研究提供了一种新的思路。本文在计算历史基准年2010s汉江流域主要作物虚拟水含量及贸易量的基础上,应用BCC-CSM1.1气候模式和SDSM模型,分析预测三种代表性浓度路径(RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景)下未来水平年2030s汉江流域内三大省份(湖北、陕西和河南省)7种主要农作物的虚拟水含量以及贸易量结果。结果表明:在三种气候变化情景下,2030s汉江流域主要农作物虚拟水含量基本上较2010s均减小;气候变化对农产品耗水结构影响较小;气候变化对虚拟水净流入量为正反馈作用,增强了经济增长对虚拟水净流入量的增多作用。在未来虚拟水贸易量分析中,不能仅考虑经济增长所带来的影响,必须同时考虑气候变化的影响。

水库蓄水问题研究进展

水库蓄水分为常规运用蓄水和初期蓄水,常规蓄水时受来水、用水的限制,而初期蓄水是对新建工程的试验,还将受到工程因素的影响。水库蓄水涉及来水、用水和工程问题,因此,识别蓄水影响因素,协调好来水、用水与蓄水,分配水库的供、蓄水量,明确蓄水风险,制定合理的蓄水方案至关重要。基于此,本文针对水库蓄水影响因素和蓄水方案、蓄水风险等问题,在阅读前人文献的基础上,梳理国内外各学者对此问题的理论及实践研究、探讨其未来研究重点,以期为后续的水库蓄水研究提供参考。

赣江流域未来降雨径流变化模拟预测

本文采用BCC-CSM1.1全球气候模式,在IPCC5推荐的三种代表性浓度路径RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下,应用SDSM统计降尺度技术将GCM输出进行降解,并作为分布式两参数月水量平衡模型的输入,模拟预测赣江流域未来的降雨径流变化。结果表明:在三种浓度路径下,2020s和2050s时期年径流量均比近期减少,2080s时期则存在差异:RCP2.6和RCP4.5浓度两种路径下的年径流量与近期基本持平,而RCP8.5浓度路径下相对近期有明显的增加。同时,未来主汛期径流减少,非汛期径流呈现不同程度的增加,气候变化在一定程度上有可能减轻赣江流域未来汛期的防洪压力和枯水期的供水压力。

基于峰量联合分布推求设计洪水

洪水事件一般由洪峰与时段洪量等多个要素组成,各要素间通常存在较强的正相关性,应进行多变量联合分析。在进行多变量洪水频率分析时,对于给定的联合重现期水平,存在满足防洪标准的无穷多种峰、量组合,但并非所有的组合都符合水文事件的内在规律,只有在一定的范围内取值才是合理的。本文基于Copula函数构造洪水峰、量之间的二维联合分布,提出了一种确定两变量取值边界的方法,推导了两种具有统计意义的两变量联合设计值组合,即两变量同频率组合和条件期望组合。以清江流域隔河岩水库为应用实例,结果表明,两变量设计值组合对应的水库调洪最高水位高于单变量设计值,但差别不大,从防洪安全的角度考虑,推荐采用两变量同频率组合作为水库防洪设计值。所提方法拓展了多变量洪水频率分析技术在水利工程实际中的应用范围。

PA-DDS算法在水库多目标优化调度中的应用

Pareto存档动态维度搜索(Pareto-Archived Dynamically Dimensioned Search,PA-DDS)算法是一种求解多目标问题的随机搜索启发式算法。本文将PA-DDS算法引入考虑供水和发电的多目标优化模型优化水库调度图,与非支配排序遗传算法(Non-dominaled Sorting Genetic AlgorithmⅡ,NSGA-II)和多目标粒子群算法(Multi-Objectives Particlce Swarm Optimization,MOPSO)对比了收敛性,并在求得非劣解分布的均匀性和与理论Pareto前端的相似性方面与NSGA-II进行比较,分析该算法求解水库多目标调度问题的优化性能,对比分析不同目标下的优化调度图。结果表明:PA-DDS算法能够得到更高质量的非劣解集,优化调度图与原设计调度图相比,能更有效协调供水和发电的矛盾,在小幅降低(0.96%)发电量的前提下显著提高(8.07%)水库供水量,平均每年增加经济效益0.55亿元。

设计洪水地区组成的区间估计方法研究

目前设计洪水地区组成计算方法都是以特定的地区组成情况来概括所有可能出现各种洪水组合,缺乏理论基础,计算结果差异较大,误差很难评估。本文采用各分区洪水的联合概率密度函数值度量地区组成发生的相对可能性,基于Copula函数推导得到分区洪水归一化的概率密度函数,提出了设计洪水地区组成的区间估计方法。清江流域隔河岩水库的应用实例表明:典型年法的计算结果不在95%置信区间内;同频率地区组成法位于该置信区间内,具有一定的合理性。所提方法具有较强的统计理论基础,不仅可以计算地区组成的各种点估计值,而且能够对估计的不确定性进行定量评价。

梯级水库下游设计洪水计算方法研究

我国《规范》推荐的梯级水库下游设计洪水计算方法,在实际工作中采用经验和概化处理,既影响成果的科学合理性,亦影响成果精度。本文以Copula函数理论为基础,构造了水库断面洪量与区间洪量的联合分布,推求了条件概率函数的显式表达式,提出了基于Copula函数的改进离散求和法,通过直接对条件概率曲线进行离散,克服了《规范》中离散求和法需要进行变量独立性转换的问题。以清江流域梯级水库下游设计洪水为例,分析比较地区组成法、离散求和法和基于Copula函数的改进离散求和法所得设计成果。结果表明,几种方法所推求的设计值差别不大,但改进的离散求和法所得结果稍微偏大,这是由于该法考虑了各分区变量之间的内在联系,结果比较合理和偏安全;受上游梯级水库调蓄的影响,高坝洲断面千年一遇设计洪水的削峰率高达40%以上。

贝叶斯概率洪水预报模型及其比较应用研究

贝叶斯概率预报系统(BFS)为开发各种概率水文预报模型提供了方法性的框架,选择合理的先验密度和似然函数是其关键问题。利用Copula函数推导了流量先验分布及似然函数的解析表达式,通过数值方法求解后验分布,构建了Copula-BFS模型。以三峡水库汛期入库流量概率预报为例,对所提Copula-BFS模型进行检验,并与水文不确定性处理器(HUP)和基于BP神经网络的贝叶斯洪水概率预报模型(BP-BFS)进行比较。结果表明:Copula-BFS模型后验均值预报可以提高预报精度且略优于现有的模型,具有性质更加优良的预报置信区间。本文所提Copula-BFS模型不需要进行线性-正态假设,适用范围更广,应用更加灵活,为洪水概率预报研究提供一条新途径。

基于决策因子选择的梯级水库多目标优化调度规则研究

运用极端随机森林挖掘水库调度信息,考虑各水库相关因子与决策目标的相互关系,提出了梯级水库输入数据选择(Cascade-reservoir Input-variables Selection,CIS)方法,引入Gaussian径向基函数建立水库调度规则,并采用PA-DDS多目标算法对水库调度规则参数进行优化,得到了同时考虑供水和发电的多目标优化调度规则集。汉江上游梯级水库的应用结果表明:CIS方法能优选得到较为稳定的决策因子,且能在充分利用已有优选信息的同时避免决策因子选取上的重复和冗余;经梯级多目标优化调度,优选的决策因子能得到比传统决策因子结果分布更优的非劣解集,在以发电为主要目标进行优化调度时,能有效调整汛期和非汛期的水量利用方式,梯级水库年均发电量和供水量分别提高了0.33%和7.84%。