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。     

基于误差修正模型的黄河源区年径流预测

为了提升黄河源区年径流预测精度以及了解黄河源区降雨、径流、泥沙之间的相互影响关系,以黄河源区唐乃亥水文站实测年降雨量、年径流量和年输沙量作为研究数据,采用协整理论分析方法,分别建立降雨—径流、径流—泥沙两变量误差修正模型以及降雨—径流—泥沙三变量误差修正模型,对研究区年径流量进行预测。结果表明:三变量误差修正模型的拟合优度均大于两变量误差修正模型的,模型解释性更强,更能定量表现黄河源区径流量—降雨量—输沙量之间的关系;三变量误差修正模型的平均相对误差为-4.83%,可以用于黄河源区年径流预测。     

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。     

考虑径流年际变异的洮河河道生态径流研究

人类活动尤其是大规模的水利工程建设,极大地影响了河道径流的一致性,因此考虑径流年际变异的河道生态径流研究具有重要意义。以洮河流域为例,采用Mann-Kendall突变检验法和滑动t检验法对洮河中游岷县站、下游李家村站1950—2016年逐月实测径流做突变检验,借助逐月次最小值法、逐月频率计算法计算了两站河道最小、适宜生态径流,分析了水文变异前后生态径流满足情况以及流域发展带来的可能影响。结果表明:岷县站和李家村站年径流存在显著水文变异,突变点分别出现在1989、1991年;逐月次最小值法得到的最小生态径流和逐月频率计算法得到的适宜生态径流均可保证河流生境处于"好"及以上的流量范围内;水文变异后,河流最小、适宜生态径流满足情况均变差,尤其是在鱼类产卵育幼期(4—8月);现状河流来水存在显著减少变化,未来人类活动强度和影响范围将进一步加大,应立足流域角度,统筹考虑河流生态用水与经济社会用水。研究成果可为流域未来更好地开展水资源开发与利用工作提供一定的参考。     

DEM分辨率对VIC模型水文模拟精度的影响

为研究DEM分辨率对VIC模型水文模拟精度与运行效率的影响,选用0. 5～5. 0'的DEM对浊漳北源上游地区进行了月径流模拟。在以纳什系数、确定性系数和相对误差为模拟效果评价指标的基础上,采用均值变点法分析水文计算单元数量和相对误差的变化趋势,探讨DEM尺度效应的最佳拐点。研究结果表明:DEM分辨率对水文计算单元数量的划分影响显著,数量变幅最大达到了98. 13%;纳什系数、确定性系数和相对误差受DEM分辨率的影响较小,三者的变化幅度在率定期为0. 019%、0. 009%、11. 879%,在验证期为0. 009%、0. 012%、9. 552%; 1. 0'的DEM能够在保证模拟精度的前提下显著提高模型的运行效率,为DEM尺度效应的最佳拐点。     

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。     

考虑多因素作用下的RC梁抗力时空退化模型

为研究钢筋混凝土结构锈蚀后的力学性能和抗力退化规律,基于RC梁加速锈蚀试验结果,首先综合考虑均匀锈蚀和点蚀同时发生的影响,对钢筋截面面积的时变模型进行分析,其次探讨裂缝宽度与氯离子扩散系数及RC梁抗力的关系,随后考虑受拉主筋锈蚀不均衡的影响,对结构抗力计算模型进行讨论,最后基于材料性能和结构尺寸的空间变异性,建立RC梁抗力时空退化模型,并对桥梁服役100 a后的抗力进行预测.研究发现:当考虑各参数的空间变异性时,不考虑裂缝影响得到的抗力值比考虑裂缝影响得到的抗力值高了9.91%;考虑各参数空间变异性时的抗力值比不考虑时下降了14.68%;适当的选取波动系数和单元尺寸对考虑结构各参数的空间变异性十分重要;潮汐区和浪溅区环境下结构的剩余抗力分别为初始抗力的43.23%和36.45%,较海岸线大气区环境下的抗力值分别下降了6.73%和21.35%,因此在结构服役期间,应尽量做好防腐措施,减少氯离子侵蚀对结构耐久性的破坏.     

气候变化下兰江流域未来径流的变化规律

为了研究气候变化对径流变化的影响,选择了浙江省钱塘江流域支流兰江作为研究区域,以1971—2000年为基准期,以2071—2100年为预测期,结合统计降尺度方法的LARS-WG天气发生器和CMIP5模型,利用分布式水文模型SWAT,计算和分析了兰江流域未来径流可能变化的情况。研究结果表明,在气候变化影响下,兰江流域未来的径流总量增加的概率较大,同时夏季发生洪水的频率也将有所增加。     

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。