LSTM变体模型在径流预测中的性能及其可解释性

基于湘江流域1999—2013年实测水文气象数据,采用LSTM模型和其变体模型研究多个预见期下不同输入变量和不同模型结构对径流预测结果的影响,评估LSTM模型及其变体模型在短期径流预测中的性能,基于排列重要性法和积分梯度法探究了LSTM模型对流域径流预测的可解释性。结果表明：在历史径流输入数据的基础上增加有效的水文气象变量输入,可以明显改善模型的预测效果,输入变量的改变比模型结构的差异对预测结果的影响更大;随着预见期的增大,降水数据的加入对预测效果表现出不同程度的提升,预见期为1 d时,预测结果的纳什效率系数(NSE)提升2.0%,预见期为2～4 d时,NSE提升可达13.6%;降水和历史径流在预测中起着重要的作用,而前期湿润条件与降水事件的共同作用是湘江流域洪水的主要诱发因素;LSTM模型可反映两种不同的输入输出关系,这两种关系对应于近期降雨和历史降雨两种洪水诱发机制。     

赣江河水主离子化学特征和径流效应以及控制机制

赣江发源于我国中南部的江西省,是长江的一大支流,为了客观分析该河流的水化学特征,开展水质评价,对赣江1958～2016年水化学数据进行了收集和分析。结果表明:①Ca~(2+),Na~++K~+,HCO_3~-和SO_4~(2-)是河流中的主要离子,pH值范围为6.0～8.8,TDS范围为15.7～141.0 mg/L,所有离子月变化量与河流流量呈正相关。1980年以前河流流量与SO_4~(2-),NO_3~-和Cl~-的浓度月变化正相关程度高于1980年以后,这表明河水化学特征1980年之前主要是非点源成因,但1980年以后为多种来源的混合。②海盐源Cl~-占河水Cl~-的比例小于19%,硫酸参与硅酸盐岩和碳酸盐岩的风化,反映了1980年以后人为活动有所加强。Cl~-/(Na~++Cl~-)和SO_4~(2-)/(Na~++Cl~-)的增加与江西省国内生产总量、人口、煤炭消耗、肥料用量的关系受废水排放影响。③根据世界卫生组织饮用水标准,赣江的水质符合饮用水标准,但应该警惕Cl~-和NO_3~-浓度在1980年后在持续增加。     

降水径流特征变化对月水量平衡模型模拟精度及参数的影响

为评估水文模型在变化环境下的可靠性,以两参数月水量平衡模型为例,采用Mann-Kendall法分析降水径流资料在MOPEX数据集中美国本土的104个典型流域的一致性,基于可变模糊理论评价降水径流资料一致性对两参数月水量平衡模型模拟精度的影响,并探讨降水径流资料一致性和流域的气候特征对模型参数的影响。结果表明:研究流域中,92.31%流域的降水或径流资料的一致性遭到破坏;通过可变模糊集评价模型模拟效果,发现降水、径流趋势变化均会削弱水文模型的模拟能力,其中降水一致性破坏是水文模型模拟能力减弱的主要原因,并且该方法能够准确地识别影响模拟能力的次要因素;模型参数C和参数SC均随着流域多年平均径流系数增大而增大,参数C反映了流域的湿润程度,参数SC表征了流域的调蓄能力。研究成果可为防洪、抗旱、水资源规划和管理提供技术支撑。     

考虑随机来水的水电站中长期发电调度多重风险分析

为了分析来水不确定性导致的水电站发电风险,构建了日径流随机模拟模型,模拟生成了长系列径流序列,建立常规调度和优化调度模型,并将模拟径流序列作为输入驱动调度模型。以年均发电量、发电稳定性、弃水量、发电保证率、蓄满率为主要风险指标,建立了发电风险分析的指标体系。在此基础上,以三峡水库作为调度模型的研究实例,比较了常规调度和优化调度的风险水平。结果表明:优化调度较常规调度年发电量增加约5%;信息熵结果显示优化调度模型不确定性较小,更加稳定;优化调度弃水量约为常规调度的50%,且优化调度降低了出力破坏风险。文中给出的优化调度模型所得调度过程在经济效益及风险控制方面都有较优的表现。     

青藏高原东部地区水文气候变化趋势分析

青藏高原是众多河流的发源地,为了解该地区水文气候变化的情况,对其东部地区雅鲁藏布江(奴下站)、怒江(嘉玉桥站)、澜沧江(昌都站)、通天河(直门达站)、雅砻江(泸宁站)、黄河(唐乃亥站)共6个流域自20世纪80年代以来的年气温、年降雨和年径流的变化趋势进行研究,分析了年径流对气候变化的响应。结果表明:6个流域的年气温和年降雨基本呈较明显的上升趋势;年径流受气温和降雨的共同影响,奴下站、嘉玉桥站和泸宁站呈一定的上升趋势,昌都站、直门达站和唐乃亥站呈一定的下降趋势。区域内径流多年平均变化率与冰雪面积比例大致呈正相关关系:年径流呈现上升趋势的流域,冰雪面积比例较大,受降雨增加和融雪增加的影响偏大;年径流呈下降趋势的流域,冰雪面积比例较小,受气温上升导致蒸散发增大使径流减少的影响偏大。这些研究结果将对青藏高原地区防洪抗旱、水资源的合理配置和开发、区域水资源可持续利用等具有重要的作用和意义。     

基于雪岭云杉树轮的阿克苏河干流冬季径流重建

基于阿克苏河上游高山区采集的雪岭云杉树轮样芯构建了雪岭云杉树轮宽度年表,结合阿克苏河干流径流数据解析了雪岭云杉长期生长与阿克苏河干流径流关系,并重建了阿克苏河干流1813—2015年冬季径流序列。结果表明:利用雪岭云杉树轮宽度年表重建的阿克苏河干流1813—2015年冬季径流序列模拟值与实测值吻合度较高,重建径流序列稳定可靠;1813—2015年阿克苏河干流冬季多年平均流量为82.19 m~3/s,共出现5次持续丰水期和3次持续枯水期,最长的枯水段持续17年(1943—1959年);阿克苏河干流冬季径流变化存在51 a、29 a、16 a周期,第一主周期为51 a。     

雨水径流颗粒物对陶瓷透水砖堵塞的影响

通过雨水径流水质的实地检测,分析了雨水径流中颗粒物粒径分布规律;采用室内试验模拟了雨水径流引起的陶瓷透水砖堵塞过程,系统研究了雨水径流中颗粒物对陶瓷透水砖堵塞的影响。结果表明:雨水径流中的颗粒物绝大部分平均粒径小于50 μm;陶瓷透水砖堵塞机制主要是粒径 20~<50 μm的颗粒物引起的表面堵塞,砖表面截留的颗粒物质量约占总截留颗粒物质量的75%;陶瓷透水砖表面截留颗粒物的粒径范围与砖表面孔径范围并不一致,主要是因为陶瓷透水砖截留的颗粒物在其表面形成的“类滤膜”的筛滤截留作用。建议合理减小陶瓷透水砖小于50 μm范围的孔径占比,以提高人工清扫恢复陶瓷透水砖透水性能的效率。     

An automatic parameter calibration method for the SWAT model in runoff simulation

Runoff simulation is highly significant for hydrological monitoring, flood peak simulation, water resource management, and basin protection. Runoff simulation by distributed hydrological models, such as the soil and water assessment tool (SWAT) model which is the most widely used, is becoming a hotspot for hydrological forecasting research. However, parameter calibration is inefficient and inaccurate for the SWAT model. An automatic parameter calibration (APC) method of the SWAT model was developed by hybrid of the genetic algorithm (GA) and particle swarm optimization (PSO). Multi‐station and multi‐period runoff simulation and accuracy analysis were conducted in the basin of the Zhangjiang River on the basis of this hybrid algorithm. For example, in the Yaoxiaba Station, the calibration results produced an R² of 0.87 and Nash Sutcliffe efficiency (NSE) index of 0.85, while verification results revealed an R² of 0.83 and NSE of 0.83. Results of this study show that the proposed method can effectively improve the efficiency and simulation accuracy of the model parameters. It can be concluded that the feasibility and applicability of GA‐PSO as an APC method for the SWAT model were confirmed via case studies. The proposed method can provide theoretical guidance for many hydrological research fields, such as hydrological simulation, flood prevention, and forecasting.     

青海湖湖滨湿地演变与驱动因素分析

为了更好地应对气候变化的影响,对暖湿化气候下青海湖湖滨湿地的演变现状及其驱动因子进行研究。通过遥感影像解译和水文分析计算结合实地调查,发现21世纪气候暖湿化进程下,青海湖水位升高2.1 m,入湖水量显著增加。2003—2016年的年均径流量比1956—2002年的年均径流量增加了6.0亿m3,湖面降水增加了3.8亿m3,从最低水位到现状水位的湖滨淹没区面积为222 km2。湖滨区的地下水位抬升,地势较低的河谷区沼泽草甸面积扩大11.7 km2,溢出泉恢复,间歇性河流增加了近30条,间歇性湖泊(泡沼)恢复到1980年初的水平。同时,湖水位上升淹没了约23 km2的湖滨沼泽和鸟岛部分区域,植被腐殖质、食物碎屑和鸟类沉积粪便进入湖泊,加之畜牧业和旅游业的发展,牲畜粪便和垃圾流入青海湖,导致水深和光照适宜的湖滨区爆发刚毛藻水华。     

环境变化对石栈道站径流量的影响研究

环境变化是导致流域水文过程扰动的主要因素,评估其相对影响对于制定流域水资源规划和管理策略具有重要意义。采用非参数Mann-Kendall检验和Pettitt检验来诊断石栈道站径流的变化趋势和突变,以水文气象资料为基础,构建基于VIC径流模拟模型,并从不同年代来定量分析变化期的环境变化对年径流的影响。结果表明:石栈道站径流呈现显著下降趋势;突变发生在1979年,并据此将研究期划分为径流基准期(1959-1979年)和变化期(1980-1991年,2006-2015年);模型在研究区域内具有较高的适用性,Nash-sutcliffe效率系数和相对误差分别达到模型要求的0. 75以上及10%以下;在1980-1991和2006-2015年两个时段内,气候变化和人类活动对径流减少的影响分别为14. 4%、85. 6%和15. 4%、84. 6%。石栈道站径流变化受人类活动影响较大。