不同DEM在无资料地区小流域计算中的应用

介绍了多种免费DEM的特点,它们可以作为基础地形数据源,应用到无资料地区的小流域洪水计算中。对各类DEM的应用效果做出分析,并通过算例进行验证,结果表明SRTM C、ASTER GDEM和SRTM X三者计算值相近,能够满足水文模拟及工程要求。考虑到精度和误差水平,建议在新项目初期阶段使用较为合适。随着分辨率的提高,小流域的主河道平均坡度呈微弱下降趋势,主河长呈增加趋势,不计其他影响,洪峰流量计算值将削弱,峰现时间将滞后。由于SRTM X波段的分辨率和精度相对较优,在有条件的情况下建议将其作为首选。     

城市化对济南小清河流域产汇流的影响研究

快速城市化背景下，流域产汇流特性发生改变，城市洪涝灾害问题日趋严重。为揭示城市化引起的土地利用变化对城市产汇流的影响，本文以济南市小清河流域为研区，分析了该流域2000—2017年土地利用变化，并构建不同城市化条件下的暴雨洪水管理（SWMM）模型，通过设置多种暴雨重现期情景，模拟不同城市化条件下的洪水过程并定量分析其变化特征。研究结果13表明：2017年地表径流量和下渗量分别是2000年的1.42倍和1/2，径流系数从2000年的0.56提高到2017年的0.79，洪峰流量从285.7 m3/s提高到311.7 m3/s，城市化对暴雨洪涝过程有明显的放大作用；常遇暴雨下2017年峰现时间比2000年提前，稀遇暴雨下相近。     

东部季风区不同地貌类型试验流域洪水研究

基于位于中国东部季风区的安徽省城西（丘陵区）和黄山（山区）试验流域实测资料,分析了不同地貌类型条件下的场次洪水特性,同时利用基于地形的水文模型Topmodel对两个试验流域进行次洪模拟,探讨该模型在长江下游东部季风区的适用性。结果表明：在年尺度和场次尺度上黄山试验流域的径流系数均高于城西试验流域;对于同一天气过程,城西试验流域洪水的涨水历时大于黄山试验流域,而洪水历时受面积、坡度、土地利用和河网分布等多重因素影响具有不确定性;利用Topmodel进行次洪模拟的纳什效率系数（NSE）均值达0.77,各模拟时段的平均相对误差控制在14%以内,模型在山区的适用性高于丘陵区。     

上犹江水库入库洪水预报的流溪河模型研究

本文采用90 m空间分辨率的数字高程模型数据构建上犹江水库控制流域的流溪河模型,基于不同河道分级和不同数量的雨量站方案,探讨模型在水库入库洪水预报中的适用性.采用粒子群优化算法选取最优参数,对2009—2020年间18场实测洪水进行了模拟.结果表明,3级河道构建的模型模拟指标比4级河道略好,模型预报效果更好.分别采用9...     

基于采样贝叶斯方法的洪水概率预报研究

基于贝叶斯理论建立了新安江模型参数和降雨观测相对误差的联合概率分布函数,利用自适应马尔可夫链蒙特卡洛方法DRAM(Delayed Rejection Adaptive Metropolis)对联合分布进行采样,得到模型参数和降雨误差的后验分布样本,二者相结合模拟得出洪水的概率预报结果.根据对江西滁洲流域32场洪水的模拟,采用交叉验证方法对概率预报结果进行了评估.根据连续概率排位分数CRPS(Continuous Ranked Probability score),相对于确定性预报方法概率洪水预报结果的改善达到26%.P值分位数-分位数图同样表明,概率预报方法对洪水的不确定性有较好的估计,但仍存在低估的现象.     

高效高精度水动力模型在洪水演进中的应用研究

针对现有的洪水演进及淹没过程二维数值模型中存在的计算精度不高、稳定性差、计算效率低下等问题,本文提出一套基于GPU加速技术的地表水动力数值模型（GAST）。选用英国莫帕斯小镇百年一遇洪灾为研究对象,模拟5 m和2 m分辨率地形下的城区淹没过程及范围,分析GAST模型的模拟精度、效率及稳定性。研究发现：GAST模型模拟淹没面积与实测结果百分误差仅为0.96% ~ 4.36%,同时计算5 m、2 m分辨率地形用时分别为2.17 h、9.00 h,具有较高的模拟精度、效率及计算稳定性;对比相同输入条件下的MIKE21 FM模型,GAST模型计算精度提升1.07 ~ 19.55倍;GAST模型计算效率提升3.4 ~ 11.78倍,且随着计算网格数的增加效率优势更为明显,故其应用前景广阔。     

数字流域水文模型在柘溪水电站洪水预报中的应用

将数字高程模型（DEM）生成的数字高程流域水系模型（DEDNM）与新安江水文模型相结合构建数字流域水文模型，并将该模型应用于柘溪水电站的6个子流域进行产、汇流计算，所得子流域出口的径流过程与实际洪水过程进行拟合，制作洪水预报方案。结合流域现有遥测信息和实时校正技术编制了实时洪水预报系统。实时预报系统通过近1年的试运行表明该方案得到了成功应用，预报精度达到甲级标准。试运行期间依据该系统预报调度对大洪水进行了有效的错峰削峰，充分显示了水库的巨大防洪效益;洪水后期的拦蓄洪尾也为水库后期的保水抗旱提供了有力保障，     

雅鲁藏布江上游径流变化及影响因素分析

雅鲁藏布江流域蕴藏着丰富的水资源，在气候变化背景下，近年来其上游(奴下水文站以上流域)的径流发生了显著变化。本文基于耦合冰冻圈过程的生态水文模型GBEHM，构建了雅鲁藏布江上游的分布式水文模型，对其水文过程进行模拟，计算得到上游水文要素的变化过程，并定量分析了气候变化对径流的影响。结果显示，1981—2010年雅江上游的年径流量和蒸散发量均呈显著增加趋势，降水增加是径流增加的主要因素；冰川和冻土发生显著退化，多年冻土面积占上游面积的比例减少约7%，多年冻土活动层厚度增加速率约30.6 cm/10a，季节性冻土的年最大冻结深度减少速率约7.3 cm/10a；流域冰储量以10亿m³/a的速率显著下降，而冰川融化径流以2.7 mm/a的速率增加。     

基于改进的回归支持向量机模型及其在年径流预测中的应用

针对回归支持向量机(SVR)惩罚因子C和核函数参数g的选取对模型性能有着关键性影响以及在实际应用中存在参数选取等困难,提出基于启发式算法的PSO-SVR和GA-SVR年径流预测模型,以云南省落却站年径流预测为例进行实例研究。首先,利用SPSS软件选取年径流影响因子,确定输入向量;其次,基于粒子群算法(PSO)、遗传算法(GA)基本原理,采用PSO、GA优化SVR惩罚因子C和核函数参数g,构建PSO-SVR和GA-SVR多元变量年径流预测模型,并构建基于网格划分(GS)与交叉验证(CV)算法相结合的GS-SVR模型作为对比模型。最后,利用所构建的模型对实例进行预测分析。结果表明:PSO-SVR和GA-SVR模型对实例后16年年径流预测(随机5次平均)的平均相对误差绝对值分别为2.53%、2.79%,最大相对误差绝对值分别为7.11%、6.64%,平均绝对误差分别为0.1394、0.1527,预测精度和泛化能力均优于GS-SVR模型,表明PSO和GA能有效对SVR惩罚因子C和核函数参数g进行优化。PSO-SVR和GA-SVR模型具有预测精度高、泛化能力强以及稳健性能好等特点。相对而言,PSO-SVR模型性能略优于GA-SVR模型。     

城市化对流域水文过程的影响模拟与预测研究

随着城市化进程的进一步加快,城市暴雨洪涝灾害频发,居民的生命财产安全受到严重的威胁。以粤港澳大湾区典型流域车陂涌为例,结合研究区快速城市化的特点构建了城市暴雨洪涝模型,模拟和预测了城市化过程对流域水文过程的影响。主要结论如下：1）构建了基于SWMM模型的城市暴雨管理模型并对其进行了验证,结果表明,该模型在研究区适应性较好。2）研究区1980年代初、2015年及2050年（预测）的城市用地占比分别为15.07%、47.64%及54.29%。在1980—2015年的新增的城市用地里,耕地转化面积占比最大,达到了86.49%。3）城市化后三个典型河道断面的流量过程线呈单峰状,起伏较大,而1980年代初过程线相对比较平缓;城市化还使得断面洪峰流量大幅增加,峰现时间提前。在0.5年一遇设计降雨条件下,2015年和2050年的流域出口洪峰流量分别比城市化前增加了2.27和2.7倍。本研究可为粤港澳大湾区海绵城市建设、防洪排涝提供科学依据。     

堰塞湖泄流槽开挖措施快速优化研究北大核心CSCD

堰塞湖一旦溃决,将对下游人民造成严重威胁,开挖泄流槽成为应急处置最常用、最关键的工程措施。如何快速、定量确定其断面形状,减少开挖量,以降低溃决洪水风险迫在眉睫。本文基于土水耦合机制,提出DBIWHR 2.0泄流槽自动优化设计模型。该模型基于水力学参数和双曲线冲蚀模型,可模拟溃口纵、横向快速扩展,实现溃决全过程快速分析(1小时内),进而在分析溃决特征值基础上快速获取泄流槽最优设计方案。将此模型应用于白格“11·03”堰塞湖发现:白格堰塞湖泄流槽最优设计时,溃决洪峰流量为31041.18 m^(3)/s,与实际溃决流量31000 m^(3)/s基本保持一致。但开挖量可由135000 m^(3)减少到71029.16 m^(3),仅为实际开挖量的53%,泄流槽最大深度由15 m减少到4.04 m,仅为实际槽深的27%。优化后的泄流槽在避免过度开挖导致堰塞湖坝体失稳的同时,也节约了施工时间、减少了抢险工作量,为堰塞湖的应急处置工作提供了快速、详实、有效的技术支持。     

基于 TDLAS 技术的 CO2 浓度检测方法研究

全球变暖日益严重,二氧化碳作为温室气体的主要成分,需要精准把控。 可调谐半导体激光吸收光谱技术因其具有高 灵敏度、高分辨率的特点,被广泛应用于气体检测等领域。 为了进一步提高 TDLAS 系统的测量精度,在小波去噪的基础上,对 去噪后的 TDLAS 二次谐波信号进行了频域分析处理,利用离散小波变换提取与 CO2 浓度变化相关的频域特征信号,建立回归 模型反演气体浓度。 时域回归模型校正集与预测集的相关系数分别为 0. 998 5 和 0. 997 3,RMSE 值分别为 0. 045 9% 和 0. 017 9%,预测集的最大相对误差为 4. 62%;频域回归模型校正集与预测集的相关系数分别为 0. 999 3 和 0. 999 7,RMSE 值分 别为 0. 032 0%和 0. 006 9%,预测集的最大相对误差为 1. 54%。 实验结果表明 TDLAS 系统的预测能力和测量精度均有效提高, 验证了该方法的可行性。     

城市地区流域洪水过程模拟:以清河为例

城市地区流域洪水模拟是当前洪水过程计算分析的热点和难点,本研究基于Mike洪涝模拟平台的河道一维水动力学模型(MIKE11),综合考虑城市地区不透水下垫面产流、多闸坝调度、城市排水、支流汇入等因素,系统构建了北京市主要排洪河道清河流域洪涝模拟模型,以设计流量、水位资料和实测场次洪水过程资料分别对河道、水工建筑物参数及运行规则进行了验证,模型模拟结果显示模型能够较好模拟城市流域复杂环境条件下的河道结点水位,情景模拟分析不同降雨重现期流域现状河道行洪能力和河湖雨水综合利用能力,显示清河流域具有明显的低水位、大流量的特点,可以满足20年一遇降雨行洪要求。在特大暴雨条件下清河干流中段清河闸至羊坊闸是河道洪涝的重点防护区域。从1年到20年一遇重现期设计降雨条件下,模拟蓄水占总库容的33.5%~54%。研究为城市流域防洪调度和雨水资源利用提供技术支持。     

解析逆Preisach磁滞模型

如何在保证模拟精度的基础上，提升逆磁滞模型的计算速度一直以来是国际电磁场领域研究的热点问题。然而，现有所提逆磁滞模型难以兼顾精度与速度的双重要求。解析形式的逆磁滞模型具有较快的求解速度，如何提出高精度的此类模型是解决上述问题的关键所在。为此，该文利用课题组所提基于解析Everett函数推导而得的解析正Preisach磁滞模型，分别推导了初始磁化曲线、磁滞回线下降支与上升支的磁导率的解析表达式，继而利用差分法，推导得到了目前唯一一个解析的逆Preisach磁滞模型。通过对比仿真与实验结果，验证了所提解析逆Preisach磁滞模型的模拟精度，并在模拟精度与计算速度两方面将其与广泛应用的逆J-A磁滞模型进行对比，发现它的平均相对误差比逆J-A磁滞模型小10%以上，且其计算速度约为逆J-A磁滞模型的2.67倍。     

环境变化对汉江上游径流影响的定量分析

气候和土地利用等环境变化的水文响应研究对流域水资源利用具有重要价值。以汉江石泉水文站上游为研究区,采用7种基于Budyko理论的弹性系数法和SWAT模型定量分析了气候变化和人类活动对径流变化的贡献率,设置多种气候变化和土地利用变化情景,分析其对径流的影响。结果表明,石泉水文站年径流呈减少趋势,气候变化对径流减少的贡献率为65.3% ~ 68.1%,人类活动的贡献率为31.9% ~ 34.7%,气候变化是近56年径流减少的主要原因。气候变化情景的模拟显示径流变化主要由降水变化主导。土地利用自然增长情景和极端草地情景使石泉水文站年径流量增加,而退耕还林、极端耕地和极端林地情景使年径流量减少。     

锂离子电池储能电站能耗优化

储能电站能耗预估与优化是提高电站能量效率及经济性的关键技术。因此，分析了电化学储能电站运行过程中电池模块、储能变流器(power conversion system,PCS)、变压器及辅助用电系统工作特性和能耗规律，并建立了储能单元和辅助用电系统的能耗模型。在负荷率基础上，储能单元和辅电系统的能耗模型加入电流、温度等特征量，以适应储能电站的多工况应用场景，提高模型用于能耗预估的准确性，并通过某地区电网侧百兆瓦级储能电站进行了应用验证。结果表明，所建立能耗模型与真实数据间的相对误差均值为0.6%，可有效估算储能电站能效水平。对比现有电站策略，在低于50%负荷率工况下，基于能耗模型的功率分配策略可提高储能电站能量效率0.6%～10.7%，通过减少电站能耗有效提升了电站运行经济性。     

基于解析Preisach模型的非晶合金磁滞特性模拟

作为一种高磁导率、高频损耗低的软磁材料,非晶合金已广泛应用于高频变压器等电磁装置。如何准确、快速模拟其固有的磁滞特性对设备的优化设计具有重要意义。针对经典Preisach磁滞模型数值求解耗时、分布函数辨识复杂、模拟非晶合金磁滞特性精度低等问题,提出了一种可准确快速模拟非晶合金磁滞特性的解析Preisach模型。首先针对非晶合金不可逆磁化分量分布函数,基于非晶合金磁滞特性曲线实验数据利用特殊解析函数进行拟合,然后在基于积分法得到闭合形式Everett函数的基础上构建了非晶合金不可逆磁化分量。引入了含参双曲正切函数表征非晶合金可逆磁化分量,继而通过线性叠加的方式得到了解析Preisach模型。将该模型对非晶合金磁滞特性模拟结果以及损耗计算结果与实验结果进行对比,发现相对误差小于10%,并且该模型数值求解简单、易于仿真实现,具有较高的准确性与实用性。     

风力发电机三维阵风谱建模与仿真的向量自回归法

针对风力发电机空气动力学和结构分析的要求,提出一种新的向量自回归(vector autoregressive, VAR)三维阵风速场仿真方法。在常规自回归(autoregressive, AR)法建模的基础上,根据维纳-辛钦公式,由协方差向量和功率谱求出自回归系数向量。其中输入参数为单点Davenport阵风功率谱(power spectral density, PSD)和互相关函数。基于此,推导出多维风速时程模型。算例采用一个3 桨叶风力发电机所在风场,其中心高为H=30 m, 风力机转子半径R=11.6 m, 沿风力机叶尖扫过圆周均布12个点,取其中3点进行仿真, 并采用Burg算法进行功率谱估计。采样频率0~0.9 Hz,频率采用点数N=1 800,时间间隔0.1 s。仿真结果表明,适当选取采样频率点数与时间间隔,可以在保证模拟功率谱计算精度的同时,具有快速高效的特点,弥补了传统方法在模拟三维风速时耗时长、精度低的缺点。     

隧洞围岩参数反演智能融合模型与分析方法

围岩力学参数反演分析一直是岩土工程研究的热点问题, 对于解决岩土试验不足条件下岩土力学参数的取值具有重要意义。为了获得更为合理准确的引水隧洞围岩力学参数,本文提出了一种融合多种机器学习算法的智能反演模型与分析方法。首先利用正交试验法设计了25组围岩力学参数,同时采用FLAC3D数值模型计算得到目标断面监测点的位移值,通过参数灵敏性分析得到围岩力学参数对测点位移的影响程度。然后基于25组数据针对弹性模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角四种不同的反演目标,选取不同种类的算法分别构建智能融合模型。最后,以青海“引大济湟”引水隧洞工程为工程实例,分析围岩力学参数对测点位移的影响由大到小依次为弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角;利用所建立的融合模型进行围岩参数反演分析,结合FLAC3D将所得围岩力学参数进行正演计算,得到拱顶沉降,拱底隆起和左右拱腰位移与现场实测值的相对误差分别为5.01%、3.21%、3.87%和4.17%,相对误差值均小于其他单个模型,表明所提出的反演智能融合模型与分析方法更为合理可行。     

一种改进型MABR系统的增氧性能评估

治理城市黑臭水体的关键之一在于提高水体含氧量。膜曝气生物膜反应器（MABR）低压无泡特点常导致受处理水体溶解氧（DO）分布不均，从而降低MABR系统整体增氧性能并影响黑臭水体处理效果。针对该问题，对MABR系统进行改进，在MABR系统的中空纤维膜组件中设置可制造气泡的特殊中空纤维膜丝，改进后的MABR系统可形成气泡羽流，气泡羽流的搅拌特性可使MABR系统在保持高氧转移效率的同时提高其增氧均匀性，提高黑臭水体处理效果。通过模拟试验分析了改进后的MABR系统在模拟黑臭水体中的增氧效果及均匀性。结果表明：改进型MABR系统增氧效果随曝气压力的增加而增加，与未曝气（0 kPa）试验24 h内DO饱和率均值相比，10、20和30 kPa下，河水DO饱和率均值在水平试验中的增幅为-2.8%、17.7%和29.4%，在水深试验中的增幅为13.6%、6.6%和32.1%。同时，水平与水深试验中河水DO饱和率的分布随曝气压力的增大而更均匀，与0 kPa试验相比（水平与水深试验中河水DO饱和率的方差均值分别为1.7和13.5），10、20和30 kPa下，河水DO饱和率的方差均值在水平试验中为0.3、3.9和0.4，在水深试验中为9.8、18.4和3.4。改进后的MABR系统可实现对水体良好的增氧效果与均匀性，为解决我国城市河道黑臭水体难题提供了技术支撑。