基于随机森林和RBF神经网络的长期径流预报

基于我国南方某河流1965—1999年每年7月的实测流量资料,首先采用随机森林模型筛选预报因子,之后利用筛选的预报因子作为RBF神经网络的输入层,利用RBF神经网络对2000—2008年每年7月的流量进行了"滚动式"预报,并与实测结果进行了对比。结果表明:随机森林模型能有效地筛选影响因子,利用这些因子采用RBF神经网络进行径流预报的相对误差均在10%以内,拟合效果很好;"滚动式"长期径流预报结果相对误差的绝对值均在20%以内。     

基于大气环流和海温场的降水组合预报模型

针对降水具有混沌性和随机性,准确进行长期降水预报难度高的问题,提出时变海温多极指数和因子预报意见指数,基于大气环流和海温场构建长期降水组合预报模型,以三峡水库流域为例进行了验证。结果表明：组合预报模型在三峡水库流域1961—2020年汛期的月降水预报中有较好的适用性,特别在6月和9月降水预报上表现优异;与多因子回归、随机森林数理统计模型和CFSv2、ECMWF system 4动力数值模型相比,该模型更为稳健、预报精度提高显著。     

基于随机森林和RBF人工神经网络模型的新丰江水库枯季入库径流中长期预报

基于随机森林和RBF人工神经网络构建了新丰江水库枯季入库径流中长期预报模型,首先采用随机森林模型从74个水文气象特征量和前期降雨、径流中筛选预报因子,之后利用筛选的预报因子作为RBF神经网络的输入层,利用RBF神经网络对新丰江水库枯季入库径流每月的流量进行预报。结果表明,基于随机森林和RBF人工神经网络模型的枯季径流中长期预报模型精度较高,其中训练期平均合格率为91.24%,平均相对误差为7.80%,检验期平均合格率为67.31%,平均相对误差为26.73%,模型有较高的可靠性,预报结果可作为东江流域枯季径流预报重要参考依据。     

基于改进RBF神经网络的新疆黄水沟径流预报

依据新疆黄水沟水文站1961~2005年逐月实测流量资料,采用随机森林模型筛选预报因子,利用筛选的预报因子作为RBF神经网络的输入层,利用RBF神经网络对该河流2006~2013年径流量进行"滚动式"预报,并与实测结果进行对比。结果表明:随机森林模型能有效地筛选影响因子,利用这些因子采用RBF神经网络进行径流预报的相对误差均在10%以内,拟合效果很好;"滚动式"长期径流预报结果相对误差的绝对值均在20%以内。     

基于多重转移概率的长期降水量预报模型研究

阐述了随机过程中马尔可夫链和多重转移概率的基本概念,并据此建立了基于多重转移概率的长期降水量预报模型,将其应用于丹江口水库控制流域面降水量的长期预报中.预报结果表明,该方法可操作性强,预报效果比较理想,其预报值可供中长期径流预报和水库调度参考使用.     

基于MIV的遗传神经网络径流预报模型

针对中长期水文预报中预报对象与预报因子之间复杂的非线性关系,引入平均影响值对预报因子进行筛选,选出对头道拐站年径流量影响较大的年降水量、年均相对湿度、年均气压3个因子作为神经网络的自变量,利用遗传算法优化的BP神经网络建立了预报模型。预报结果表明:基于平均影响值的遗传神经网络的预报精度及稳定性均达到了满意的效果。     

湖南衡阳年、月降水量长期预测研究

应用水电站雨水情长期数值预报的思路和方法，对湖南衡阳年降水量和4～6月及7～9月降水量的长期预测作了研究。在逐步回归方法的基础上，对所选取的因子进行优化筛选，从而使预报的结果与实测值最为接近。这一方法已在多个水电站的长期雨水情预报中获得较好效果。对于湖南衡阳年降水量和4～6月及7～9月降水量的长期预测也应用这一方法，并根据湖南省所在地区气候特点对预测结果作了分析和检验。     

月径流预报建模方法对比分析——以嘉陵江北碚站为例

为提高径流预报的精度,以嘉陵江流域北碚水文站为例,选取1979～2019年径流资料,对比分析月径流预报多种建模方法的预报性能。选择时间序列法作为单变量预报模型的方法,随机森林、BP神经网络和多元线性回归作为多变量预报模型的方法,并应用时变权重进行组合预报,对比单变量与多变量、单一与组合模型预报结果。结果表明：(1)多变量预报模型预报效果更优,与时间序列模型相比,其平均绝对百分比误差减少约20%;(2)随机森林与BP神经网络这两种机器学习方法在单一模型中具有更好的预测能力;(3)时变权重组合预报方法能有效结合单一模型的优点,进一步提高预报精度。研究成果可为中长期径流预报的建模策略制定提供参考。     

黄河内蒙古河段凌汛期首封影响参数辨识和预报模型研究

黄河上游河道首封时间和地点准确预报是制定科学防凌预案的关键。本研究在总结黄河内蒙古河段首次封冻地点基础上,总结了首封河段同河道弯曲、束窄、桥梁及河心滩等河道特征的关系,定量总结了易发生首封河道的地形特征为：河段处弯曲系数大于1.5、束窄系数在0.25~0.60范围内,为首封地点分析预测提供依据。在总结首封日期影响因子特征基础上,分别基于随机森林和BP-DEMATEL模型构建首封日期分析模型,得到影响首封日期的主要因子权重,并应用到首封日期预报中。通过因子选择和模型比较两方面对比,随机森林模型选取出的关键因子得到的预报结果与实测值吻合率100%,其在首封分析中的应用效果最优。     

石羊河流域面雨量预报方法研究

利用1996-2008年ECMWF数值预报格点场资料和石羊河流域内6个气象站降水资料、2007-2008年47个加密自动区域站降水资料,采用Press准则进行预报因子初选,用逐步回归方法进行预报因子精选,运用最优子集回归建立石羊河流各县区域冷、暖季1～7 d降水量预报方程。以各县区降水客观预报产品为基础,采用线性插值方法,将县区降水预报插值到各县区内的区域站点上,使用算术平均法,制作了石羊河流域1～7 d面雨量预报模式。面雨量预报模式投入业务试应用,预报能力较强,取得了较好的预报服务效果,为流域面雨量预报提供了客观有效的指导产品。     

流域中长期径流分类预报方法

以水文循环基本原理为基础,从流域径流水汽来源影响因素角度明确了中长期径流预报基本概念及分类,即以气象(中期)、气候(长期)和天文因素(超长期)为预报因子,针对流域出口断面(或典型断面)的旬、月、季(汛期)或年径流,以及流域旱涝趋势进行预报。通过比较不同时间尺度下的水汽系统物理运动机理,论证了"短期气候预测"作为中长期径流预报理论基础的合理性,并将流域径流来源影响因素及其表现概括为三大规律:天文因素表现出的周期性是主要规律,反映了水文气候过程的基本状态;大气环流表现出的随机性对水文气候基本状态存在干扰,导致了波动;流域特征性规律反映了各种因素综合作用结果,具有流域的特殊性。最终,将流域中长期径流预报分为正常年份的径流过程预报和异常灾变年份的大旱大涝预测,其中前者的预报因子为水文气象与气候要素,后者为天文因素;在服务对象上,前者为水利工程常规运行调度服务,后者为防洪抗旱部门防灾减灾提供灾情预测;在结果发布上,前者提供定量的径流过程预报,后者提供丰、平、枯等3级(或5级)定性预测,并给出相似年份;在预报方法上,前者采用数理统计方法或物理成因相关分析法,后者采用周期性、随机性和流域特殊性识别等综合预报方法。     

基于AHP-灰色定权聚类的长距离输水工程闸门 应急调控方式研究

针对长距离输水工程,提出了应急调控过程中影响闸门调控效果的6项指标,包括调控时间、调控后污染范围、调控后污染物峰值浓度、调控成本、操作难易程度及调控对工程的影响;然后利用层次分析法建立和量化影响闸门调控效果的各项指标,并引入灰色定权聚类方法对闸门调控方式进行灰色分类,建立三角白化权函数,更能准确地确定闸门调控方式。最后以南水北调中线总干渠京石应急段起点至西黑山分水口之间的渠道为例,运用AHP-灰色定权聚类方法,确定了中线工程应急调控过程中较为合理的闸门调控方式为同步闭闸。     

河流系统实时洪水预报误差多点联合校正方法研究

实时校正是改善洪水实时预报精度的重要手段。河流系统中多个站点之间具有高度的水力联系,各个站点之间的误差也具有空间关联性。依据河道水流演进的基本方程和动态自适应的自回归方法,建立了考虑误差空间演化的河流系统实时洪水预报误差多点联合校正方法。利用洪峰段洪量误差、洪峰流量误差、纳什效率系数(NSE)和峰滞时间等指标分别对多点联合校正和不考虑误差空间关联性的单点校正开展校正效果评估。以淮河王家坝断面以上为背景开展实证研究,结果表明:考虑河流系统误差空间关联性的多点联合校正效果优于单点校正,洪峰段效果更为显著,能够更有效地提高河流系统洪水预报的精度。     

我国西北地区主要农作物贸易对区域水资源影响

随着我国粮食生产重心的北移,西北地区在全国粮食安全中的作用日益凸显,然而该地区水资源缺乏,水土资源时空匹配性差对当地的生态安全、粮食安全和水安全构成了巨大威胁。近些年,伴随着城市化和区域贸易的快速发展,西北地区农作物产量和外运量均快速增长,大量的农作物虚拟水伴随贸易输送到全国各地,进一步加剧了西北地区的水资源压力,严重制约当地的可持续发展。基于此,本研究对2000-2015年西北地区主要农作物生产水足迹和伴随着农产品贸易的虚拟水流动格局进行了量化分析,在此基础上评估了西北地区农产品贸易输出引发的水资源压力。结果表明,研究期内2000-2015年西北地区主要农作物生产水足迹呈上升趋势,从2000年的417.16亿m~3增长到2015年的439.87亿m~3。与此同时,农产品贸易伴生的虚拟水流动量显著增加,从2000年的220亿m~3增长到2015年的272.99亿m~3,严重加剧了当地的水资源压力。陕西、内蒙古、新疆和甘肃水资源压力均高于全国平均水平,陕西更是呈重度水资源压力状态。因此,本文从技术发展和宏观战略层面提出了创新农业实体水资源利用效率、建立虚拟水补偿机制以及合理优化调整区域产业结构的应对策略与建议,为保障我国西北地区水资源可持续利用提供了科学参考。     

基于机器学习模型的短期降雨多模式集成预报

短期降雨预报对洪水预报和水库调度极为重要,提高短期降雨预报精度有着重要的意义。以TIGGE资料中心的ECMWF、CMA及NCEP三个集合预报中心发布的桓仁水库流域预报降雨数据为基础,利用ANN、ELM以及SVM模型对桓仁水库流域未来1～3d降雨进行多模式集成预报,以期提高预报精度,并从绝对平均误差、均方根误差、相对误差、纳什系数、预报准确率等多个方面分析了集成预报的效果。试验结果表明,基于SVM和ELM的多模式集成预报模型预报效果均优于单一模式,基于ANN的集成预报模型在输入因子选择合适的情况下,其预报效果也优于单一模式,三种模型中,SVM模型对降雨预报精度改善最为明显。说明基于机器学习模型的多模式降雨集成预报方法可行且能够提高短期预报降雨精度。     

面向网络抗毁性的输水网络拓扑结构优化设计

为优化输水网络拓扑结构, 量化网络抗毁性, 建立以网络抗毁性最大化为目标的输水网络拓扑结构优化模型。 首先, 以输水网络拓扑结构为基础, 从节点所处位置的中心程度和可替代程度出发, 推求节点结构重要度, 并以此表 征网络抗毁度。其次, 以网络边可连接数及边无交叉性为约束条件, 建立以网络抗毁性最大化为目标函数的优化模 型。最后, 结合某输水网络算例, 应用遗传算法求解该模型, 寻求最优输水网络拓扑结构。算例计算结果表明: 优化 后网络中的节点结构重要度数值离散程度减小, 网络抗毁性相较优化前得到了很大的提升, 说明该模型能够为解决 输水网络拓扑结构优化问题提供参考。     

河北山地落叶松林河岸缓冲带去污效果试验研究

选用3种浓度铵态氮和总磷溶液,分别以0.67L/s、1.82L/s两种流量对河北省围场县落叶松林河岸缓冲带进行灌水试验,分析河岸缓冲带对不同浓度、不同流量地表径流中铵态氮、总磷的削减效果。结果表明,随缓冲距离增加,河岸缓冲带对地表径流铵态氮和总磷削减效果呈增强趋势。在相同缓冲距离处,较小地表径流量下对铵态氮和总磷削减率普遍大于较大流量下的削减率。随着缓冲距离增大,较小径流量下铵态氮削减率和较大流量下铵态氮削减率的差值表现出先增大后减小的趋势。经20m的落叶松林河岸缓冲带后,地表径流量对各污染条件下铵态氮和总磷削减率的影响逐渐变小。在两种径流量下,落叶松河岸缓冲带对铵态氮和总磷的削减率都呈现出重度污染削减率中度污染削减率轻度污染削减率的规律。     

虹吸式管道排沙技术在西霞院水库清淤中的试验研究

为研究虹吸式管道排沙技术在西霞院水库清淤中的应用及效果,基于水库库区现场的清淤试验,利用西霞院水库上下游水位差的虹吸作用,辅以破土射流冲吸式吸泥头扰沙,通过对输沙管道沿程含沙量和流量等特征值的跟踪监测,研究单泵及双泵串联条件下,200m3/s、220m3/s、230m3/s、240m3/s、250m3/s、300m3/s和330m3/s共7个流量级不同试验工况下测点含沙量的变化范围、趋势及粒径级配等,并对试验清淤效果进行定量分析。水库清淤的现场试验结果表明:随着虹吸式管道排沙试验的工况流量不断增大,所测的平均含沙量呈现出增大趋势,而最大含沙量呈现先增大后减小的趋势,整个试验过程最大含沙量达到342.61kg/m3,清淤2 000m3泥沙的生产成本为10.56万元。     

基于单机组试验选优的并联泵站群组合 优化运行算法研究

以并联泵站群日提水耗电费用最少为目标,构建包含各时段泵站运行数、站内水泵开机数、水泵叶片安放角及机组转速4个决策变量的并联泵站群变角变速组合日优化运行数学模型,提出基于二级子系统试验选优的大系统二级分解-动态规划聚合法。通过将原模型进行二次分解,获得以单机组日提水耗电费用最小为目标,各时段水泵叶片安放角及机组转速为决策变量的单机组变角变速组合日优化运行数学模型,采用大系统试验选优法求解。进而通过一系列二级子系统不同提水要求下的优化计算,获得单机组日提水量与提水费用的一一对应关系,原模型即可转化为以并联泵站群日提水费用最少为目标、各机组日提水量为决策变量的聚合模型,并采用动态规划方法求解。该方法可进一步完善组合工况调节方式下并联泵站群优化运行理论,较由站内单工况优化运行下获得的并联泵站群优化运行效益更为显著。以典型并联泵站群为计算实例,优化结果表明:各日均扬程下满负荷、80%负荷、60%负荷优化运行单位费用较定角恒速运行分别平均节约8.41%、23.07%、32.79%。     

仙居抽水蓄能电站地下厂房振动 数值模拟分析与安全评价

厂房振动问题为抽水蓄能电站设计关键,以仙居抽水蓄能电站为实例,对地下厂房进行共振复核和振动反应分析评价,在总结国内外控制标准的基础上,提出了适用该工程的振动控制标准建议值。有限元计算分析表明,机墩结构竖向振幅稍大,需要在结构设计中予以关注;厂房整体结构和主要构件的共振复核满足要求,地下厂房发生共振的可能性较小。振动最大位移、速度和加速度响应幅值均满足所拟定控制标准要求,其中立柱结构的振动均方根加速度偏大,但频率计权加速度幅值较小,可满足要求。针对立柱等局部构件振动反应偏大的情况,探讨了局部加固措施对降低振动强度的有效性,为同类型厂房抗振动优化设计提供参考。