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南水北调与水利科技 2018年第1期16卷 35-41,56页

作者：陈曦陈喜程勤波张志才黄日超河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室南京210098 河海大学水文水资源学院南京210098

平原灌区水文过程受人类开采灌溉影响较大,地表水与地下水物质能量交换频繁,单目标率定方法难以同时有效模拟该区流量和地下水埋深过程。对此,在新安江模型基础上加入地下水蓄水库,构建地表-地下水耦合模型,建立包含流量与地下水埋深信... 详细信息

平原灌区水文过程受人类开采灌溉影响较大,地表水与地下水物质能量交换频繁,单目标率定方法难以同时有效模拟该区流量和地下水埋深过程。对此,在新安江模型基础上加入地下水蓄水库,构建地表-地下水耦合模型,建立包含流量与地下水埋深信息的多目标函数。采用MCAT分析流量和埋深单目标以及多目标下的参数敏感性,用SCE-UA算法率定遴选出的敏感参数,比较单目标和多目标率定结果。结果表明,该多目标参数优化方法显著提高了工作效率,解决了单目标率定中无法同时达到流量与地下水埋深过程模拟高精度的问题。模型在临涣集流域的耦合模拟中取得较好效果,为平原灌区地表水与地下水动态模拟和水资源评价提供参考。

关键词：地表地下水耦合模型地下水蓄水库临涣集流域敏感性分析多目标参数率定

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新安江模型与水箱模型在柘溪流域适用性研究

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水文 2018年第3期38卷 37-42页

作者：孙娜周建中张海荣葛乐壮华中科技大学水电与数字化工程学院湖北武汉430074 华中科技大学数字流域科学与技术湖北省重点实验室湖北武汉430074

为提高柘溪流域洪水预报精度,充分合理利用洪水资源,缓解该流域下游的防洪压力,同时为水库防洪调度以及经济运行提供科学合理的决策依据,研究了集总式概念性水文模型新安江模型及水箱模型在该湿润流域的适用性。选取该流域2004~2015年... 详细信息

为提高柘溪流域洪水预报精度,充分合理利用洪水资源,缓解该流域下游的防洪压力,同时为水库防洪调度以及经济运行提供科学合理的决策依据,研究了集总式概念性水文模型新安江模型及水箱模型在该湿润流域的适用性。选取该流域2004~2015年实测数据,应用三目标MOSCDE算法分别优选三水源新安江模型以及水箱模型参数,从而对该流域划分的多个子流域单元进行了场次洪水模拟计算,并对比分析不同流域单元两种模型的模拟结果,探究不同模型结构在柘溪流域场次洪水模拟中的差异,分析总结这两种模型在该流域的适用性。结果表明:两种模型模拟效果比较接近,均可以达到《水文情报预报规范》规定的作业预报精度要求,且对于流域内的大洪水的模拟效果也比较理想。从洪量以及洪水过程方面分析,两个模型的模拟效果比较接近;从洪峰拟合角度分析,新安江模型比水箱模型更适合该流域。

关键词：新安江模型水箱模型柘溪流域洪水模拟多目标参数率定

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流域水文气象特性分析及径流非线性综合预报研究

流域水文气象特性分析及径流非线性综合预报研究

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作者：彭甜华中科技大学

学位级别：博士

流域水文气象特性分析与径流非线性综合预报是水文学领域两个十分重要的研究课题,是水利工程规划建设、水资源优化配置和人类社会可持续发展的重要条件。我国独特的地理和气候条件造成了水资源时空分布严重不均,此外全球气候变暖和人类... 详细信息

流域水文气象特性分析与径流非线性综合预报是水文学领域两个十分重要的研究课题,是水利工程规划建设、水资源优化配置和人类社会可持续发展的重要条件。我国独特的地理和气候条件造成了水资源时空分布严重不均,此外全球气候变暖和人类活动的强烈影响下,流域水循环过程正在发生深刻改变,加剧了水资源分布的时空变异和不均匀性,尤其是近几十年来大型水利工程的兴建和跨流域调水工程的实施使得流域水文气象过程的形成与演变规律更趋复杂,对流域水文气象特性分析与径流非线性综合预报提出了更高的要求。本文围绕变化环境下流域自然水循环过程演变规律与水资源优化配置利用中面临的关键技术难题,以长江上游流域为主要研究对象,分析流域水文气象要素时空演变规律,研究流域水文建模与非线性综合预报的先进理论与方法,相关研究成果可以进一步推动水文分析和水文预报在实际工程应用领域的深化与发展。本文的主要研究内容包括以下几个方面:(1)为了研究流域水循环系统各类自然水文气象要素的变化趋势,研究工作以长江上游金沙江流域作为主要研究对象,分析了金沙江流域水循环要素包括气温、降雨量和径流量近37年的季节性和年际变化规律,首次引入新一代变化水平下的滑动平均方法——MASH滑动平均,并结合Mann-Kendall趋势检验、线性回归检验和Sen’s斜率估计分析了流域气象水文过程的年内季节变化和年际变化趋势,进一步分析了流域气象水文要素间的相关关系,研究结果表明MASH滑动平均能够消除周期变动和随机波动对水文气象时间序列的影响,结合多种统计检验方法能够揭示水文气象过程的长期内在变化规律及变化趋势。(2)概念水文模型结构复杂且参数众多难以确定,如何确定适应于不同流域下垫面异质性的水文模型参数一直是需要研究和解决的难题。针对传统水文模型单目标参数率定方法不能反映流域不同量级径流的内在特性,建立了水文模型多目标参数优化率定与非劣解优选理论与方法,首先引入正交实验设计、混沌遗传算子与第二代快速非支配排序算法相结合,提出了可有效求解非线性多重约束优化问题的多目标智能优化算法,进一步在对HYMOD模型进行多目标参数优化率定的基础上,引入基于投影的改进逼近理想解排序法和香农信息熵理论对Pareto最优解进行评价和排序,以期找到一种能权衡不同径流过程水文特性的综合最优参数方案。研究结果表明所提方法可以获得分布性更好的Pareto最优前沿和精度更高的径流预报结果,可以为水文模型参数优化率定提供一种高效的解决方案,为水库实时防洪调度提供数据支撑。(3)针对长江上游流域主要站点中长期径流时间序列的非线性和非平稳特征,首先以流域径流非线性动力系统的混沌特征参数辨识为切入点,研究并发现了流域内在特性作用下月径流时间序列动力响应的混沌现象,然后推求了月径流时间序列相空间重构的最佳延迟时间和嵌入维数,在此基础上以重构相空间作为输入变量,引入基于自适应动态阈值的改进***算法对若干个极限学习机弱学习器进行集成学习并对月径流时间序列进行预报;进一步引入经验小波变换对年径流时间序列进行分解,然后去除分解模态中的高频分量以消除原始径流时间序列的冗余信息,并引入全局收敛性较强的多元宇宙优化算法对神经网络模型进行训练,得到了高精度的年径流时间序列预报模型。实例对比对分析表明本文构建的中长期径流预报模型可以得到同等条件下预报精度更高、泛化能力更强的预报结果,可以为流域水资源优化配置和水库兴利调度提供高精度的中长期径流预报信息。(4)针对现有确定性水文预报方法无法描述径流预报结果的内在不确定性特征并给出其可能波动范围,提出了一种基于多目标核极限学习机的径流区间预报模型,采用双输出核极限学习机直接预报径流可能取值的上、下边界,并采用正交混沌NSGA-II算法对核极限学习机模型的隐层输出权值进行优化,以获得高质量的径流预报区间,进而准确把握预报信息的不确定性特征。实例研究表明多目标径流区间预报模型能够克服单目标区间预报模型惩罚系数难以确定的缺点,同时得到不同置信水平下的径流预报区间,与多目标神经网络径流区间预报模型相比,基于多目标核极限学习机的区间预报模型具有更好的稳定性和泛化性,正交初始化技术和混沌遗传策略能够改进NSGA-II算法的分布性和收敛性能,得到全局收敛能力更强的径流区间预报模型,从而获得可靠性和有效性更高的径流预报区间。

关键词：水文气象特性分析水文模型中长期径流预报径流区间预报多目标参数率定混沌理论集成学习经验小波变换神经网络核极限学习机

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耦合天气预报的流域短期水文预报方法研究

耦合天气预报的流域短期水文预报方法研究

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作者：张海荣华中科技大学

学位级别：博士

流域水文预报是水文学领域的重要研究内容,是水利工程规划建设、水资源高效利用及水电能源系统安全运行的基础和重要支撑。近年来,受全球气候异常变化和水电能源大规模开发的共同影响,流域水文特性和水资源时空分布规律发生了深刻变化,... 详细信息

流域水文预报是水文学领域的重要研究内容,是水利工程规划建设、水资源高效利用及水电能源系统安全运行的基础和重要支撑。近年来,受全球气候异常变化和水电能源大规模开发的共同影响,流域水文特性和水资源时空分布规律发生了深刻变化,对流域水文预报研究提出了新的挑战。本文围绕变化环境下流域短期天气-水文过程模拟和预报中面临的关键科学问题,以金沙江流域为主要研究对象,探索流域水文分析、陆气耦合预报和短期径流区间预报等方面的先进理论与方法,取得的主要结论及创新性成果包括:(1)研究工作首先对变化环境下流域气象水文时空演变情势进行了分析,由于传统的单变量趋势分析方法无法检验出整体气象水文事件是否存在显著变化趋势,本文首次引入多变量Mann-Kendal趋势分析方法,检验了金沙江流域主要控制站点的降水和径流联合变量变化趋势。研究结果表明,金沙江流域年降水量和年径流总体呈上升趋势,其中龙街站、乌东德站和白鹤滩站控制区域的年降水通过了单变量MK显著性检验,流域面平均年降水量的上升趋势较为明显。进一步,通过降水和径流的多变量Mann-Kendal趋势分析发现,龙街站控制区域的年降水和年径流存在显著的整体增大趋势,表明该区域气象水文循环强度正逐渐加剧,而在单变量MK显著性检验中,并未发现龙街站的年径流存在显著增大趋势。由分析结果可知,采用多变量Mann-Kendal趋势检验方法能够有效揭示降水和径流的联合变化趋势,有助于完整刻画气象水文事件的变化特征。(2)结合流域气象水文要素演变特征,本文优选了金沙江流域降水物理过程的参数化方案和嵌套模式,进而建立了适合金沙江流域的WRF数值天气模式,并提出了考虑不同初始场和参数化方案的降水集合预报方法,为金沙江流域提供具有一定精度的高时空分辨率短期降水预报。研究表明微物理过程方案选择Lin et al.方案、边界层方案选择MYJ方案和积云对流参数化方案选择New KF方案时WRF模式在金沙江流域的模拟效果最优。对于金沙江流域,双层嵌套模拟相较于单层模拟方案并没有明显优势,且在网格精度划分得当的情况下,网格到站点的三种降尺度方法效果较为一致。同时,通过构建金沙江流域多初值和多物理过程的中尺度降水集合预报系统,研究表明集合预报能够有效反映降水的预报不确定性,降水预报区间和集合成员中值预报结果对于预报调度具有重要指导意义。(3)在采用数值天气模式WRF进行流域短期天气预报的基础上,本文建立了金沙江流域短期天气-水文过程耦合预报系统。为克服传统水文模型单目标参数率定方法的不足,本文设计了径流总量相对误差、确定性目标和洪峰相对误差三目标MOSCDE算法,进行了新安江模型多目标参数优化率定,并引入模糊理论与信息熵原理研究了多目标非劣解模糊优选准则。结果表明,耦合数值天气预报的金沙江流域径流预报系统可以提供较高精度的水文预报信息,且有效延长了短期径流预报的预见期。同时,多目标参数优化率定可以协调不同目标达到整体最优,从而实现对洪水过程的洪峰流量、峰现时间、整体洪量以及洪水起涨消落等多个要素的准确模拟。进一步,为充分考虑降水预报的误差影响,本文进行了金沙江流域径流集合预报研究。结果表明,集合预报能够综合不同集合成员的预报优势,基于集合预报生成的径流预报区间能够较好的反映径流预报误差的变化规律,可以为流域管理提供更加丰富的预报信息。(4)耦合天气预报的短期水文预报可以提供确定性的径流预报,然而流域天气-水文过程的演变也具有不确定性特征。短期洪水区间预报在每个时刻都能给出预测变量的上下边界,可以反映预报结果的不确定性程度,相较于确定性预报更为先进。为此,本文首次引入对称性指标改进传统单目标LUBE区间预报方法,并将LUBE区间预报方法扩展到多目标框架下进行实现。结果表明,引入对称性指标使建立的LUBE区间预报覆盖率高且宽度较窄,预报区间的中值基本与实测流量曲线吻合,预报性能良好。同时,将LUBE方法扩展到多目标框架之后,极大地减少了单目标LUBE区间预报方法中CWSC目标函数参数选择带来的工作量,通过引入多目标非劣解模糊优选准则,有助于研究人员在PICP、PIARW和PIS等指标间做出决策,从而得到符合实际需求的径流区间预报。(5)在以上理论研究的基础上,综合考虑流域径流预报管理的实际工程需求,本文基于C/S结构模式,研究了跨平台数据传输与数据库高效读取技术,探索实现了后台业务自动预报计算功能,构建了满足分布式并行计算、松耦合业务处理和高性能人机交互需求的硬件拓扑结构和系统软件体系架构,开发了金沙江流域陆气耦合短期预报子系统,并在金沙江梯级调控中心水调管控平台集成、部署和应用。

关键词：多变量趋势分析数值天气预报集合预报多目标参数率定多目标非劣解优选陆气耦合区间预报

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流域水文分析与水文预报方法研究

流域水文分析与水文预报方法研究

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作者：叶磊华中科技大学

学位级别：博士

流域水文分析和水文预报是水文学领域的两个主要研究方向,是水利工程规划建设、水资源优化配置及安全高效可持续利用的重要支撑。由于我国特殊的地理位置和气候条件,导致水资源在时空分布上极度不均,此外受气候变化与人类活动的强烈影响... 详细信息

流域水文分析和水文预报是水文学领域的两个主要研究方向,是水利工程规划建设、水资源优化配置及安全高效可持续利用的重要支撑。由于我国特殊的地理位置和气候条件,导致水资源在时空分布上极度不均,此外受气候变化与人类活动的强烈影响,流域水循环过程和水资源时空分布规律发生了深远变化,加剧了流域水文特性的复杂程度和水资源的不安全性,尤其是大型水利工程、跨流域调水工程等人类活动对水文系统产生了重要影响,水利工程胁迫下流域自然径流破碎化导致水文系统偏离自然条件下的演变规律,使得流域水资源系统的时空变异规律更加复杂,对流域水文分析和水文预报研究提出了更高要求。本文围绕变化环境下流域水资源演变及高效利用中面临的关键科学问题和技术难题,以长江上游为主要研究对象,研究流域水文分析和水文预报的先进理论方法与技术手段,研究工作对于减轻早涝灾害损失及实现水资源可持续利用具有重要的理论指导意义和工程实用价值。相关研究成果可供流域管理机构参考和借鉴,应用前景广阔。本文的主要研究内容和创新性成果包括：(1)为克服单变量趋势分析方法无法检验出整体水文事件是否存在显著变化趋势的局限,本文引入多变量Mann-Kendal趋势分析方法,分别对长江上游干支流水文控制站的年最大洪峰、年最大7d洪量和年最低月平均径流、年最低3个月平均径流的单变量与联合变量进行变化趋势分析。实例研究表明,长江上游洪水过程整体呈现减小趋势,而低径流过程则整体呈增大趋势。在整体水文事件趋势分析方面,多变量Mann-Kendal趋势分析方法展现出明显优势,能够检验多个相互关联的水文变量是否具有显著变化趋势,而单变量Mann-Kendal趋势分析方法仅能单独检验某一水文变量否具有显著变化趋势。因此,对包含多个相互关联变量的水文事件进行趋势分析时,需要同时进行单变量和多变量趋势分析才能全面掌握水文事件中单个水文变量变化趋势和整体变化趋势。(2)在水文模型参数率定中,基于残差的整体性评价指标能够定量评价模型模拟结果和实测水文资料的差别,因而被广泛选作目标函数来指导水文模型的参数率定。然而,基于整体性评价指标的参数率定方法仅能保障水文模拟结果和实测水文资料的残差尽可能小,无法满足水文模拟结果和实测水文资料有较高的水文一致程度。因此,本文将能够量化流域水文特征的水文特性签名及整体性评价指标一起作为参数率定的目标函数,极大提高了径流预报的水文一致程度,尤其是提出的流量信息熵差指标能够度量模拟和实测径流的静态统计信息差异,从而提高了预报径流拟合流量历时曲线的能力。同时,针对目标函数个数过多而出现的支配保留现象,研究工作对水文特性签名目标函数进行离散化,既有效缓解了支配保留效应,又能兼顾目标函数的区分性能,提高了水文模型参数率定可包含的目标函数个数。(3)针对确定性预报仅给出变量在未来时刻的一个单点预报值,没有提供与预报相关的内在不确定程度,本文通过建立区间预报来度量洪水预报的不确定性。然而,传统区间预报建立方法需要对水文数据或预报误差的概率分布进行人为假设,而且建立区间预报的计算量较大,阻碍了区间预报的实际应用。因此,本文提出两种改进LUBE区间预报方法,第一种较大程度地改进了原始单目标LUBE区间预报方法存在的问题,第二种则是扩展单目标LUBE区间预报方法到多目标框架。长江上游洪水区间预报的研究结果表明,两种方法均明显提高了区间预报效果,在相似的区间预报覆盖率下,利用本文所提方法产生的区间预报宽度更窄。同时,本文采用区间预报平均相对宽度指标计算区间预报的相对宽度,提高了高流量时段的洪水预报效果。此外,多目标LUBE区间预报方法能够帮助研究人员根据需要选择覆盖率和宽度合适的区间预报,极大地减少了单目标LUBE方法中CWC目标函数参数选择带来的工作量。(4)为提高中长期径流预报精度,本文研究偏互信息输入因子选择方法,从前期实测降水、径流和遥相关气候因子中选择合适的输入,通过增加与流域径流相关性高的遥相关气候因子作为数据驱动模型的输入,实现了流域中长期径流高精度预报。偏互信息输入因子选择方法能够度量输入变量和输出变量的线性与非线性相关关系,且可以避免冗余输入变量的选入,函数测试结果表明,偏互信息方法对时间序列模型和非线性模型均十分有效,能够准确按照与输出变量相关程度顺序挑选出相关变量。同时,金沙江流域实例研究结果也表明偏互信息方法适用于水文气象变量的输入因子选择,基于偏互信息方法的预报结果优于线性相关系数法。

关键词：多变量趋势分析多目标参数率定流量历时曲线信息熵 LUBE区间预报偏互信息遥相关气候因子数据驱动模型

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HYMOD模型在老挝少资料地区应用研究

HYMOD模型在老挝少资料地区应用研究

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2022中国水利学术大会（中国水利学会2022学术年会）

作者：欧阳硕徐长江杜涛王琨长江水利委员会水文局

针对少资料地区水文特性分析问题,本文以南乌河孟威站以上流域为研究区域,选取实测流量和模拟流量的对数均方误差MSLE和4次幂平均误差M4E作为适应度函数,采用多目标优化算法MOCSEM算法,对集总式概念性水文模型HYMOD进行参数率定,研究探... 详细信息

针对少资料地区水文特性分析问题,本文以南乌河孟威站以上流域为研究区域,选取实测流量和模拟流量的对数均方误差MSLE和4次幂平均误差M4E作为适应度函数,采用多目标优化算法MOCSEM算法,对集总式概念性水文模型HYMOD进行参数率定,研究探讨了水文模型HYMOD在南乌河流域的适用性。

关键词：多目标参数率定 HYMOD模型少资料地区老挝南乌河流域

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