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系统微分响应修正在SWAT模型径流模拟的应用

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水文 2024年

作者：肖豪瞿思敏张旭旻嵇海祥游洋杨怡青石朋蒋思军陈辉河海大学水文水资源学院水利部南京水利水文自动化研究所江苏省水利厅宁波市水利水电规划设计研究院有限公司浙江省台州市长潭水库事务中心绍兴市汤浦水库有限公司

径流模拟与预报对于流域水资源可持续开发利用至关重要，但是由于模型输入、参数、结构等误差，模型模拟的径流存在误差，需要对其进行修正。系统微分响应修正通过建立因变量与自变量之间的系统响应函数对自变量进行修正，从而实现对因... 详细信息

径流模拟与预报对于流域水资源可持续开发利用至关重要，但是由于模型输入、参数、结构等误差，模型模拟的径流存在误差，需要对其进行修正。系统微分响应修正通过建立因变量与自变量之间的系统响应函数对自变量进行修正，从而实现对因变量的修正。将系统微分响应修正方法引入SWAT模型中，通过构建降水和径流的响应矩阵，以径流误差反演降水误差从而实现降水误差的修正，并通过模型计算来修正径流。首先构建理想模型验证方法的有效性，之后选取建阳流域作为研究区域，构建SWAT模型进行日径流模拟与修正，采用多个评价指标对比分析系统微分响应修正的径流过程和Autoregressive model（AR）模型修正的径流过程。研究结果表明，系统微分响应能够准确提取降水误差信息并通过修正降水来实现径流序列的修正，并且系统微分响应用在流域内的径流修正效果优于自回归模型，修正后多年平均NSE由0.71提升到0.88，提高幅度为24%，系统微分响应修正方法可以用于SWAT模型的径流修正。

关键词：误差修正降水误差 SWAT模型系统微分响应修正自回归模型

复杂水流条件下侧扫雷达流量在线监测精度提升研究

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水文 2024年

作者：蒋飞卿陈宇飞朱易青张志强王蓓嵇海祥王赠安水利部南京水利水文自动化研究所江苏南水科技有限公司水利部水文水资源监控工程技术研究中心江苏省溧阳市江南工程检测有限公司北京密云水库管理处云南省水文水资源局西双版纳分局江苏宁沪高速公路股份有限公司

侧扫雷达流量在线监测能够提高监测效率和质量、扩大监测范围和密度，但在水利工程影响等复杂水流条件下，其应用精度面临挑战。综合考虑各种流量影响因素，分别构建基于多元线性回归模型、机器学习最小绝对收缩和选择算子（LASSO）模... 详细信息

侧扫雷达流量在线监测能够提高监测效率和质量、扩大监测范围和密度，但在水利工程影响等复杂水流条件下，其应用精度面临挑战。综合考虑各种流量影响因素，分别构建基于多元线性回归模型、机器学习最小绝对收缩和选择算子（LASSO）模型、深度学习长短记忆网络（LSTM）模型的侧扫雷达流量在线监测精度提升方案，并进行比较分析。在允景洪水文站的应用表明：（1）三种推流方案均满足规范要求，可为允景洪水文站及类似受水利工程影响测站的侧扫雷达推流方案构建提供参考。（2）LASSO模型最优，较常规方法精度提升了22.93%；多元回归模型精度略低于LASSO模型，但构建简单，适用于需要快速推流的情况；LSTM模型虽然复杂度最高，但精度却最低。研究结果可为侧扫雷达推流方案的改进和优化提供思路和方法。

关键词：侧扫雷达流量在线监测复杂水流条件推流方案允景洪水文站多元线性回归模型机器学习LASSO模型深度学习LSTM模型

基于协整理论的淮河流域上游洪水预报实时校正方法

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水资源保护 2022年第6期38卷 88-95,145页

作者：张旭旻瞿思敏李倩石朋嵇海祥宋兰兰王麒栋河海大学水文水资源学院江苏南京210098 苏州市网慧水利设计咨询有限公司江苏苏州215128 水利部南京水利水文自动化研究所江苏南京210008 舟山市生态环境局浙江舟山316021

为了提高淮河流域上游的洪水预报精度,引入计量经济学中的协整理论与误差修正模型用于洪水预报实时校正;同时为了解决自回归算法无法针对非平稳序列建模以及序贯相关性问题,构建了基于误差修正概念的自回归误差修正模型。以淮河鲁台子... 详细信息

为了提高淮河流域上游的洪水预报精度,引入计量经济学中的协整理论与误差修正模型用于洪水预报实时校正;同时为了解决自回归算法无法针对非平稳序列建模以及序贯相关性问题,构建了基于误差修正概念的自回归误差修正模型。以淮河鲁台子站以上流域为研究区域,基于分布式垂向混合产流模型模拟结果,分别构建一阶至三阶自回归模型、误差修正模型和基于误差修正的自回归模型对模拟结果进行校正,采用修正效果评价系数、确定性系数、洪峰相对误差、径流深相对误差和峰现时差5个评价指标,分析对比各校正模型对流域2003—2014年10场洪水的校正效果。结果表明:3种实时校正方法均对淮河流域上游洪水有一定的校正效果,其中,自回归模型校正效果最差,排除误差序列非平稳的两次洪水后,其平均修正效果评价系数为0.20;误差修正模型能够有效校正预报洪水,其平均修正效果评价系数为0.76;基于误差修正的自回归模型校正效果较好,与传统自回归模型相比,对洪峰流量的校正效果显著提高,其平均修正效果评价系数达到0.98,可用于淮河流域上游洪水预报的实时校正。

关键词：协整理论误差修正模型自回归模型实时校正淮河流域上游

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基于恒虚警检测模型的水尺图像分割方法

水利技术监督 2022年第11期30卷 44-47,58页

作者：夏翔嵇海祥黄敏张晶水利部南京水利水文自动化研究所江苏南京210044 赣江下游水文水资源监测中心江西宜春336000

针对水尺图像自动水位识别系统中复杂的图像信息不利于计算处理问题,提出了一种基于恒虚警检测模型水尺图像分割方法。利用数字图像处理与雷达信号检测技术相结合,将图像横向像素灰度值与位置关系建立一维信号模型,采用恒虚警检测模型... 详细信息

针对水尺图像自动水位识别系统中复杂的图像信息不利于计算处理问题,提出了一种基于恒虚警检测模型水尺图像分割方法。利用数字图像处理与雷达信号检测技术相结合,将图像横向像素灰度值与位置关系建立一维信号模型,采用恒虚警检测模型进行阈值检测,判断水尺中目标信息是否存在,从而将目标信息分割出来。通过与传统边缘检测方法相比,能够更好保留图像信息以及去除背景噪声。实验表明该方法计算复杂度低,取得了较好的分割效果。

关键词：水尺图像图像分割恒虚警检测水位测量

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开发新型侧扫雷达系统提升在线流量监测能力

科技成果管理与研究 2022年第10期17卷 73-75页

作者：嵇海祥陈智杨海梅张勇水利部南京水利水文自动化研究所江苏南京210012 云南省水文水资源局西双版纳分局云南西双版纳666100

在2019年全国水利工作会议上,明确了水文现代化建设的重要引领作用,并提出监测手段自动化。在2021年水文现代化建设视频会议上,明确指出要“建立覆盖全面的‘空天地’一体化水文监测体系,实现水文全要素、全量程自动监测,水文信息采集... 详细信息

在2019年全国水利工作会议上,明确了水文现代化建设的重要引领作用,并提出监测手段自动化。在2021年水文现代化建设视频会议上,明确指出要“建立覆盖全面的‘空天地’一体化水文监测体系,实现水文全要素、全量程自动监测,水文信息采集传输接收处理、预测预报和分析评价全流程自动化和智能化”,以及“水文测站建设要充分采用现代先进技术手段,围绕全要素全量程全自动的监测目标,积极开展‘一站一策’分析,做好新仪器新设备比测工作,强化雷达、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)、无人机、无人船等新技术新设备和远程视频监控的生产应用”。

关键词：水文现代化在线流量监测水文监测水文测站全量程侧扫无人船远程视频监控

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基于雷达侧扫技术在高安水文站的应用

中国水运（下半月） 2022年第10期22卷 102-104页

作者：韩宝豆嵇海祥黄敏黄康文水利部南京水利水文自动化研究所江苏南京210012 赣江下游水文水资源监测中心江西宜春336000

为构建数字孪生流域,提高水文信息监测能力,强化水文应急监测手段。利用目前先进的雷达侧扫技术,解决流量在线监测难题。通过对高安水文站侧扫雷达在线监测系统与走航式ADCP的比测成果进行分析计算,对同时段在线监测数据与实测数据进行... 详细信息

为构建数字孪生流域,提高水文信息监测能力,强化水文应急监测手段。利用目前先进的雷达侧扫技术,解决流量在线监测难题。通过对高安水文站侧扫雷达在线监测系统与走航式ADCP的比测成果进行分析计算,对同时段在线监测数据与实测数据进行流速、断面面积、流量等参数之间的相关关系进行对比分析。结果表明:该系统平均流速及流量与实测数据拟合较好,误差在允许范围内。

关键词：侧扫雷达在线监测相关关系误差分析

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水库泥沙模型研究

水库泥沙模型研究

作者：嵇海祥河海大学

学位级别：硕士

水库的淤积问题，是全球性的问题。水库的淤积不仅仅会造成水库本身安全问题、降低水库的利用效益，而且对下游的人民生命财产安全带来极大的威胁。因此，对水库淤积的有关问题进行深入研究是摆在泥沙工作者面前的非常重要的课题。本... 详细信息

水库的淤积问题，是全球性的问题。水库的淤积不仅仅会造成水库本身安全问题、降低水库的利用效益，而且对下游的人民生命财产安全带来极大的威胁。因此，对水库淤积的有关问题进行深入研究是摆在泥沙工作者面前的非常重要的课题。本文利用高含沙水流和明渠水流运动的相似性，以泥沙平衡和河段泥沙线性蓄泄关系为基础，结合马斯京根法河道洪水演算，构成了河道水沙耦合模型。将异重流总流看作流管，流管的边界由河床和异重流流体与原水库水体交界面组成，取流管段为控制单元，分析其连续、扩散和运动的关系，获得了异重流运动总流差分模型。利用水库泥沙异重流的特点，采用水沙联合调度原则进行水库调度，在满足洪水调度规则前提下，使水库尽量多排沙，从而增加水库防洪、兴利的综合效益，延长水库使用寿命。

关键词：高含沙水流马斯京根法异重流水沙调度

系统微分响应误差修正方法在VIC模型中的应用与研究

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中国农村水利水电 2023年第10期 96-103页

作者：蒋语珣瞿思敏蒋思军嵇海祥司伟石朋万皓河海大学水文水资源学院江苏南京210098 浙江省台州市长潭水库事务中心浙江台州318024 南京水利自动化研究所江苏南京210008 水利部南京水利水文自动化研究所江苏南京210012

在应用水文模型进行水文预报的过程中,由于流域水文模型结构存在诸多的简化和假设,这些简化和假设会给水文预报结果带来误差,因此需要误差修正技术来提高水文模型在实时预报中的精度。系统微分响应方法利用系统响应函数通过对水文模型... 详细信息

在应用水文模型进行水文预报的过程中,由于流域水文模型结构存在诸多的简化和假设,这些简化和假设会给水文预报结果带来误差,因此需要误差修正技术来提高水文模型在实时预报中的精度。系统微分响应方法利用系统响应函数通过对水文模型的输入、状态变量、参数的修正来修正预报结果,该方法理论基础扎实,具有结构简单、不损失预见期的优点,已在多个流域水文模型中得到了广泛的应用,效果较好。VIC模型是一种大尺度分布式水文模型,该模型通过将流域划分成多个大小相同的网格,在网格内模拟产汇流结果。以闽江建阳流域为研究区域,构建流域VIC模型进行径流模拟,将系统微分响应误差修正方法应用于VIC模型中,通过对模型输入中的降雨量进行修正来修正预报结果,并与传统自回归模型误差修正方法(AR模型)进行对比分析。结果表明:系统微分响应方法在VIC模型中的修正效果较好,纳什效率系数从修正前的0.752提高到0.895,径流相对误差从修正前的7.89%降低到5.71%,而AR模型修正结果的纳什效率系数为0.807,径流相对误差为6.77%,这两种修正方法结果表明系统微分响应方法优于AR模型误差修正方法。结果表明系统微分响应修正方法在VIC模型中具有较好的适用性,能显著提高流域日径流模拟精度,可应用于未来的水文预报。

关键词： VIC模型系统微分响应误差修正日径流模拟

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基于开源GIS和数据库的动态洪水风险图系统研究

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水利信息化 2022年第6期 33-37页

作者：钟华马婷王旭滢嵇海祥南京水利科学研究院江苏南京210029 诸暨市水利局浙江诸暨311800 上海勘测设计研究院有限公司上海200335 水利部南京水利水文自动化研究所江苏南京210029

针对洪水风险图系统开发中第三方商业化软件采购成本较高的情况,借助开源软件技术搭建有效的动态洪水风险图系统,可降低系统开发成本。基于GIS平台、数据库技术和B/S架构,结合自主开发的水文水动力数值模型,搭建动态洪水风险图系统。系... 详细信息

针对洪水风险图系统开发中第三方商业化软件采购成本较高的情况,借助开源软件技术搭建有效的动态洪水风险图系统,可降低系统开发成本。基于GIS平台、数据库技术和B/S架构,结合自主开发的水文水动力数值模型,搭建动态洪水风险图系统。系统可通过洪水分析计算,对可能的超标准暴雨洪水导致的淹没水深、流速大小及淹没范围等进行模拟预测,在线绘制洪水淹没图。以诸暨市浦阳江洪水风险图管理与应用系统为应用实例,研发的动态洪水风险图系统可实现各类洪水风险图的自动绘制、风险预警等,在实际防汛中发挥作用,提高提升政府应急管理、防汛减灾、避灾转移的决策能力。

关键词：开源GIS 数据库动态洪水风险图系统 B/S架构水文水动力模型

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