TVGM-LSTM耦合模型及其径流模拟效果分析

为提升变化环境下流域径流模拟与预测精度，以白河流域为例，构建了基于时变增益水文模型(TVGM)和长短期记忆网络(LSTM)的TVGM-LSTM耦合模型，并利用随机森林算法识别模型最优解释变量。将耦合模型应用于2011—2018年白河流域径流模拟，结果表明：TVGM-LSTM耦合模型在白河流域具有较好的径流模拟效果，率定期与检验期纳什效率系数分别为0.95与0.90;与TVGM相比，耦合模型提升了对非汛期径流的模拟精度，且能够较好地模拟汛期与非汛期洪峰；耦合模型能够有效避免过拟合问题，泛化性能较优，预测精度稳定性较强。     

改进的TVGM模型在辽东中小河流洪水预报的应用

辽东地区中小河流站点占全省总数的50%,区域降雨径流非线性显著,传统线性模型预报精度均难以达到理想效果。为提升预报精度,本文以桥头水文站为例,探讨改进的非线性时变增益模型(TVGM模型)在区域预报的适用性。结果表明:改进的模型由于增加降雨强度及初期土壤含水量两个变量,洪水模拟精度综合评定可达乙级标准,相比于模型改进前,径流深及洪峰误差均值分别降低13.5%和9.9%,预报精度及预见期均得到明显改善。     

新安江模型参数变化对流域降雨径流过程的影响分析

水文模型可以模拟自然流域的降雨径流过程,在降雨径流过程模拟中,水文模型参数的选择往往会影响模型对流域径流过程的模拟效果.针对新安江模型,以陕西黑河金盆水库流域为研究流域,分析新安江模型参数变化对模拟流域降雨径流过程的影响,以确定新安江模型参数的敏感程度,从而服务于研究流域的汛期水文预报参数修正.模拟结果表明:在研究流域新安江模型参数中KKSS、KKG、WLM、WDM、kg、k为敏感参数,对模拟流域降雨径流过程的影响较大;参数WUM、IMP、B、c、SM、EX为不敏感参数,对模拟流域降雨径流过程影响较小.     

城西试验流域水文特性及水文过程模拟

水文试验是认识水文规律的重要基础工作。根据我国东部低山丘陵区城西试验流域的实测资料,分析不同尺度降雨径流之间的响应关系,再利用新安江流域水文模型进行径流模拟,进一步探讨该模型在我国东部低山丘陵区的适用性。结果表明:在试验流域空间尺度(几十平方公里)的暴雨洪水过程中,洪水峰现时间一般滞后雨峰3～4 h;场次和月尺度上的降雨径流具有较好的正相关关系;在日尺度上,降雨径流关系散乱,以10和70 mm降雨量为阈值呈U型分布; 3种时间尺度上,径流均受到前期退水过程的影响,其中,时间尺度越短,受前期退水过程的影响越显著;新安江流域水文模型在我国东部低山丘陵区具有较好的水文模拟能力,且月尺度水文过程的模拟效果优于日尺度,对天然流域的模拟效果优于人类活动扰动的流域。     

基于物理基础的分布式水文模型应用研究

为了探讨基于物理基础的分布式水文模型在国内半干旱半湿润流域的应用,研究模型径流模拟在中小尺度流域的合理性与适用性,采用基于连续栅格单元演算的分布式水文模型CASC2D,对县北沟流域1983年～2007年8场洪水和栾川流域1961年～1998年8场洪水进行了径流模拟.对模拟精度、特征值等方面进行的比较分析结果表明,模型在县北沟流域和栾川流域均取得较好的模拟效果,且县北沟流域的模拟效果比栾川流域好;模型适用于中小尺度的半干旱半湿润流域,在超渗产流与混合产流流域均能取得较高的精度.     

应用SCS模型计算秦巴山区小流域降雨径流

水土保持综合治理通过改变流域下垫面条件影响流域的降雨径流过程,基于土地利用类型、土壤类型等信息数据和流域水文资料,应用SCS流域水文模型对秦巴山区商南县两条对比流域进行降雨径流过程的模拟.结果表明,模型所模拟的径流过程与实测径流过程具有较好的一致性,相对误差小于18%,可以应用于秦巴山区小流域.     

总径流线性响应模型在中小流域的应用

前言总径流线性响应模型(TLR)是近年建立的一种新的水文模型,曾在国内外一些较大流域运用。获得比较满意的效果。为了摸索此模型在中小流域的适用性,我们与南京水文水资源研究所合作,在海河流域的漳卫河、大清河、滦河试用了此模型。本文是应用该模型的若干体会。     

新安江-海河模型在烟台市典型流域的径流模拟

为建立适用于烟台市半湿润地区的水文模型, 考虑流域水文特征及下垫面条件的影响, 采用新安江-海河模型 对 2011- 2018 年烟台5 个典型流域进行径流模拟。2014 年起烟台连续 3 年干旱, 河道干涸, 径流量与2014 年前相 比大幅减少。考虑到干旱的影响, 采用 Mann-Kendal 检验法对年径流序列进行突变检验,确定 2014 年为年径流突变点, 将模拟序列分为 2 个时间段。结果表明: 径流过程分段模拟之后, 新安江-海河模型在烟台市典型流域的径流模拟精度较高, 参数取值较为合理, 模型能够反映实际的产汇流情况, 有较好的适用性。     

GR3降雨径流模型在滦河流域的应用

GR3降雨径流模型属概念性集总式水文模型,具有结构简单、参数少的特点,较少的参数设置可以有效降低由"异参同效"带来的不确定性。为验证其在海河流域半湿润地区的适用性,选择以滦河水系潵河、瀑河流域为例,开展利用GR3模型进行降雨径流模拟的适用性研究。结果表明,该模型对于洪峰与洪量模拟精度的把握比较平衡,能有令人比较满意的次洪精度,在滦河流域拥有一定的适用性。     

基于多卫星降雨产品和多降雨径流模型的西江流域径流集合模拟

由于水文模拟不确定性的存在,单一模型获得的径流模拟结果难以满足水文精度要求。集合模拟则是减少不确定性,提高模拟精度的有效方法。现有研究多考虑水文模型的结构不确定性,将不同水文模型的径流模拟结果综合起来。但模型输入的不确定性也是水文模拟不确定性的重要来源。因此,基于贝叶斯加权平均(BMA)方法,考虑模型结构和输入的不确定性,设置了3种集合方案,对2种卫星降雨产品(TRMM、CMORPH)输入到3种水文模型(DDRM模型、新安江模型、GR4J模型)得到的径流序列进行集合,对各集合方案的模拟精度和不确定性进行分析。结果发现,不同卫星降雨产品输入到分布式水文模型中所得到的不同模拟序列具有较好的互补性,采用BMA方法对其进行集合模拟可以有效提高模拟精度,减小径流模拟不确定性。     

水污染物初始排污权定价策略研究——以河南省为例

为了探索理论和实用性兼顾的水污染物排污权初始分配价格的定价方法,在对现有排污权定价模型分析的基础上,通过对环境容量的资源性和价值性的探讨,建立了支付意愿定价模型和租金分配定价模型。以河南省为例,水污染物(以COD和氨氮为例)排污权初始分配价格计算结果为:支付意愿定价模型核算出的COD排污权价格为3 463元/t,氨氮排污权价格为4 329元/t;租金分配定价模型核算出的COD排污权价格为4 499元/t,氨氮排污权价格为9 122元/t。两种定价模型均具有一定可行性,但租金分配定价模型的定价理论更为合理,定价结果更为可靠,因此推荐以租金分配定价模型为主,以支付意愿定价模型为辅来进行水污染物初始排污权的价格制定。     

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。     

全过程联合校正的洪水预报修正方法

洪水实时校正是洪水预报的重要组成内容,也是水文预报研究的热点与难点。为进一步提高洪水预报精度,提出了一种全过程联合校正的洪水预报修正方法。该方法的主旨是在雨量站数目较多的流域,构建雨量站网密度与洪水预报误差分配比例之间的定量关系;对雨量站数目较少的流域,借用该比例关系,将洪水预报总误差按比例划分为面雨量输入误差和模型误差两部分;再基于系统响应理论,对研究流域的这两部分误差进行修正,从而实现输入误差与模型误差的全过程联合校正。在淮河三个典型流域的应用结果表明,相较于目前单变量的系统响应曲线修正方法,全过程联合校正方法可进一步提升误差修正效果,提高洪水预报精度。     

基于 SWAT 模型的北山水库流域地表径流模拟

为评价北山水库流域地表水资源,选用SWAT软件构建了该流域的分布式水文模型。基于2016-2018年实测水文数据以及高程、土地利用类型、土壤类型等数据,完成了对北山水库流域的SWAT模型构建,利用SWATCUP软件对参数进行率定及敏感性分析,选取决定系数(R~2)、纳什效率系数(NSE)、平均相对误差绝对值(MARE)和均方根误差(RMSE)作为模型评价指标。结果表明:北山水库月蓄水量模拟值与实测值吻合良好,模型率定期和验证期的R~2均达到0.89,NSE分别达到0.88与0.85,MARE分别为5.04%与4.23%,RMSE分别为1.15×10~6 m~3与0.90×10~6 m~3,由此表明该模型能近似反映研究区的径流变化特征,展示了SWAT模型在该流域的适用性。此外,基于验证的水文模型对主要参数进行敏感性分析,表明影响该区径流模拟最为显著的两个参数是浅层地下水回归流阈值和径流曲线数。     

丹江口水库流域月尺度降雨与径流预报研究

以汉江上游丹江口水库流域为研究区域,通过降雨-气象遥相关分析从74项大气环流因子中筛选出预报因子,建立月降雨量与预报因子间的多元线性回归模型,根据大气环流因子对月降雨量进行预报,并构建研究区域的SWAT模型,以预报的月降雨量作为模型输入,实现月径流量的预报。以2012年逐月降雨及径流为例,模型对降雨和径流预报的合格率均约为83%,预报效果较好。研究表明,根据降雨量-大气环流因子的统计相关关系预报月降雨,并结合水文模型进行径流预报,对研究区域具有一定的适用性。     

粮食增产期黑龙江省农业水土资源 时空匹配格局研究

黑龙江省粮食总产量十二连增的同时,也给农业水土资源带来了诸多问题。为了客观地评价黑龙江省农业水土资源时空匹配情况,根据黑龙江省粮食增产期(2003-2015年)的水土资源利用状况,采用基尼系数和农业水土资源匹配系数分析了黑龙江省农业水土资源时空匹配变化情况。结果表明:(1)粮食增产期黑龙江省农业水土资源空间匹配差异较大,基尼系数在0.4475~0.4907之间,属于匹配较差范围;农业水土资源匹配系数均低于全国水平,且在时间上表现为匹配程度持续降低的态势。(2)空间差异上,黑龙江省中西部干旱区水土资源匹配程度较低,不宜继续开垦;三江平原地区粮食种植面积大,建议发展节水灌溉;北部和东南部地区水资源相对丰富,宜涵养水源,以实现可持续发展。     

基于 TOPKAPI 模型的湿润流域洪水模拟

为了研究分布式水文模型在湿润流域的应用效果,将基于物理的分布式TOPKAPI模型应用到淮河上游息县以上流域,模拟该区域2007-2017年间的11场次洪水过程,分析模型的适用性。结果表明,TOPKAPI模型在湿润流域场次洪水模拟中精度尚可,但随着流域面积的增大,大坡岭、长台关、息县的平均纳什效率系数依次为0.54、0.5、0.29,模拟精度有所下降;在合理范围内调整滞时,平均纳什效率系数最多提高0.2,在合理范围内调整河网蓄水消退系数,平均纳什效率系数最多提高0.3,考虑滞后演算法的TOPKAPI模型的平均纳什效率系数能达到0.7。分析结果表明,合理采用滞后演算法的TOPKAPI模型能有效用于湿润流域的洪水预报。     

基于多模型 M CP 方法的洪水概率预报

洪水概率预报通过提供具有一定置信度的预报区间,评估预报结果的可靠度,为防洪调度提供重要依据。以淮河关键防洪断面王家坝为研究对象,分别采用API和新安江(XAJ)确定性模型进行初始的确定性预报,在此基础上,再采用模型条件处理器(MCP)推求不同量级洪水预报流量的条件概率分布函数,实现洪水概率预报。分别从中位数的确定性精度评价和概率预报的可靠度评价两方面对预报结果进行分析,结果表明:MCP洪水概率预报结果不仅具有较高的可靠度,而且其中位数预报与确定性模型结果相比,预报精度整体有所提高,说明MCP具备一定的校正预报能力。     

环境激励下泵站出水塔结构模态参数辨识研究

高扬程提水泵站的出水塔结构在水流的激励作用下易出现剧烈振动甚至由此造成破坏,为研究其振动特性需对其结构模态参数进行准确辨识。以甘肃景电二期工程总干六泵站的出水塔为例,在工作荷载激励下对其振动信号进行现场采集,根据实测的结构振动时程,利用随机子空间法和特征系统实现算法分别对出水塔结构的模态参数进行时域辨识,并将其辨识结果与ANSYS三维有限元模拟结果进行对比验证。结果表明:随机子空间法和特征系统实现算法均能准确辨识出水塔结构模态参数,其模拟结果与实验结果吻合较好。研究成果可为泵站出水塔结构的更新改造设计和安全运行监测提供理论依据,同时能够为灌区水工结构的模态参数辨识提供技术参考。     

基于多源数据的黑河流域日尺度蒸散发量模拟

植被蒸散发是地表水量平衡和热量平衡的重要参量,也是衡量植被生长状况和作物产量的重要指标,同时也是进行流域水资源优化配置的依据。遥感技术的快速发展使其成为区域尺度蒸散发模拟的重要手段。以黑河流域为例,构建遥感驱动的蒸散发模拟模型,结合多源遥感数据(MODIS、TRMM等)以及GLDAS全球陆面数据同化系统数据,对黑河流域2005、2010、2015年三个时期的潜在蒸散发和实际蒸散发进行了时间尺度为每日、空间尺度为1km的模拟。研究结果表明:潜在蒸散发月际变化明显,从5月开始增长,于7月达到峰值,然后逐渐减少;实际蒸散发在月份之间变化趋势明显,在2015年均达到了最高值;精度检验结果表明本研究采用的两个模型均达到了很好的效果,Kristensen-Jensen模型更适合用于黑河流域。本研究为黑河流域地表特征数据集提供了重要的日尺度蒸散发数据。