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三峡工程蓄水对鄱阳湖水情的影响格局及作用机制分析

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水力发电学报 2012年第6期31卷 132-136,148页

作者：赖锡军姜加虎黄群中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室南京210008

鄱阳湖近年多次出现罕见的枯水水情,且恰逢三峡工程开始试验性蓄水,三峡工程对鄱阳湖的影响因此广受关注和议论。为明确三峡蓄水对鄱阳湖的影响及其作用机制,本文运用长江中游江湖耦合水动力学模型,以2006年三峡蓄水试验为例,计算了汛... 详细信息

鄱阳湖近年多次出现罕见的枯水水情,且恰逢三峡工程开始试验性蓄水,三峡工程对鄱阳湖的影响因此广受关注和议论。为明确三峡蓄水对鄱阳湖的影响及其作用机制,本文运用长江中游江湖耦合水动力学模型,以2006年三峡蓄水试验为例,计算了汛末蓄水对鄱阳湖水情的影响分量。结果表明:受蓄水影响,鄱阳湖湖口、星子、都昌和康山水位平均下降0.94m、0.74m、0.50m和0.03m。水位影响格局呈北高南低。湖泊内部的洲滩湿地受水位下降影响,提前出露,受影响最大的是中部的开敞水域。干流水位快速下降,加速湖水下泄是三峡工程蓄水对鄱阳湖水位的主要影响方式。

关键词：环境水力学三峡蓄水影响水动力学模型鄱阳湖湿地水文影响机制

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基于长短时记忆神经网络的鄱阳湖水位预测

湖泊科学 2020年第3期32卷 865-876页

作者：郭燕赖锡军中国科学院南京地理与湖泊研究所中国科学院流域地理学重点实验室南京210008 中国科学院大学资源与环境学院北京100049

湖泊水位是维持其生态系统结构、功能和完整性的基础.鄱阳湖受流域"五河"和长江来水双重影响,水位变化复杂.为了准确预测鄱阳湖水位变化,采用长短时记忆神经网络方法(LSTM)构建了鄱阳湖水位预测模型.该模型以赣江、抚河、信江、饶河和修... 详细信息

湖泊水位是维持其生态系统结构、功能和完整性的基础.鄱阳湖受流域"五河"和长江来水双重影响,水位变化复杂.为了准确预测鄱阳湖水位变化,采用长短时记忆神经网络方法(LSTM)构建了鄱阳湖水位预测模型.该模型以赣江、抚河、信江、饶河和修水"五河"入湖流量和长江干流流量作为输入条件,预测鄱阳湖湖区不同代表站(湖口、星子、都昌、吴城和康山)的水位过程.研究以1956—1980年的水文时间序列数据作为训练集,1981—2000年作为验证集,探讨了LSTM模型输入时间窗、隐藏神经元数目、初始学习率等模型参数对预测精度的影响,并确定了鄱阳湖水位预测模型的最优参数.结果表明,采用LSTM神经网络方法可基于流域"五河"和长江来水量历时数据合理预测鄱阳湖不同湖区的水位过程,五站水位预测的均方根误差为0.41~0.50 m,纳什效率系数和决定系数达0.96~0.98.为考察模型训练数据集对鄱阳湖水位预测结果的影响,进一步选取了随机5年(1956—1960年)的资料和5个典型水文年(1954年、1973年、1974年、1977年和1978年)的日均流量资料来训练模型.结果显示随机5年资料作为训练数据的预测精度要差于典型年水文资料训练得到的模型,尤其是洪、枯水位的预测;由于典型水文年数据量仍远低于20年的资料,故其总体预测精度要略低于采用20年资料训练的模型.建议应用这类基于数据驱动的模型时,应该尽可能多选取具有代表性的资料来训练.

关键词：湖泊水位 LSTM循环神经网络模型参数训练集鄱阳湖

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流域水环境过程综合模拟研究进展

地理科学进展 2019年第8期38卷 1123-1135页

作者：赖锡军中国科学院流域地理学重点实验室中国科学院南京地理与湖泊研究所

以流域为单元开展水环境多要素、多尺度过程的综合模拟已成为了自然地理学重要研究方向。水环境过程综合模拟模型可定量解析流域系统水环境变化,是流域水环境研究与管理的重要工具。论文围绕流域水环境过程模拟的发展历程和最新进展,梳... 详细信息

以流域为单元开展水环境多要素、多尺度过程的综合模拟已成为了自然地理学重要研究方向。水环境过程综合模拟模型可定量解析流域系统水环境变化,是流域水环境研究与管理的重要工具。论文围绕流域水环境过程模拟的发展历程和最新进展,梳理总结了流域非点源污染过程和河湖等受纳水体水环境过程模拟的理论方法和模型软件;面向模拟不确定性问题讨论了模型选择、开发与集成、率定验证等流域水环境过程综合模拟建模的关键环节;结合最新的研究进展及相关学科新方法新技术的发展,建议后续研究关注流域自然和人文多过程综合集成模拟(包括流域系统人与水环境耦合模拟、多过程综合集成模拟)以及新方法新技术应用(包括数据同化理论方法创新与应用、高性能计算技术和人工智能技术)。

关键词：流域模拟数值模型非点源污染水质

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用任意不规则网格求解N-S方程

计算力学学报 2004年第3期21卷 379-384页

作者：赖锡军汪德爟王志东中国科学研究院南京地理与湖泊研究所南京210008 南京河海大学环境科学与工程学院南京210098

引入辅助点法开发了新的通量近似计算方法,建立了采用任意不规则畸变网格作为控制体积的单元中心有限体积求解Navier-Stokes的方法。它以同位网格作为变量布置方式,压力-速度耦合采用SIMPLE方法。数值算例表明,该算法对高度不规则的畸... 详细信息

引入辅助点法开发了新的通量近似计算方法,建立了采用任意不规则畸变网格作为控制体积的单元中心有限体积求解Navier-Stokes的方法。它以同位网格作为变量布置方式,压力-速度耦合采用SIMPLE方法。数值算例表明,该算法对高度不规则的畸变网格适应性强;其改进了传统算法在不规则网格下计算的困难,保证了模型在高扭曲度的网格下的整体计算精度不受网格拉伸畸变和剪切畸变的影响。

关键词： N-S方程辅助点 SIMPLE 单元中心有限体积

基于四维变分同化法的巢湖流域南淝河水质模拟

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湖泊科学 2021年第5期33卷 1458-1466页

作者：赖锡军何国建中国科学院南京地理与湖泊研究所流域地理学重点实验室南京210008 清华大学水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084

针对河流模拟中未知不确定性源对模拟精度的影响,以巢湖流域南淝河为研究对象,建立了基于四维变分同化方法的南淝河干流水质模型,研究了含未知污染源的南淝河水质过程模拟.模型以未知污染负荷的动态变化过程为控制变量,通过同化沿河不... 详细信息

针对河流模拟中未知不确定性源对模拟精度的影响,以巢湖流域南淝河为研究对象,建立了基于四维变分同化方法的南淝河干流水质模型,研究了含未知污染源的南淝河水质过程模拟.模型以未知污染负荷的动态变化过程为控制变量,通过同化沿河不同断面的逐日水质监测数据,识别不同河段的逐日入河污染负荷过程来实现水质过程的模拟,改变了常规模型模拟需提前预知并输入污染负荷的应用前提.模拟结果表明,采用四维变分同化方法的水质模拟结果有明显改进,重点河段水质模拟的纳什效率系数从小于0提高到0.5以上.识别的入河污染过程与降雨过程波动总体一致,证实南淝河的入河污染与降雨过程密切;同时,模型也可识别异常的入河负荷,提高模型对水环境问题的诊断分析能力.该方法可推广应用于复杂河流系统,为巢湖等流域污染来源定量解析、水质预测预警及污染管控提供支持.

关键词：数据同化污染负荷数学模型南淝河巢湖流域

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苦草对水流结构的影响研究

水科学进展 2015年第1期26卷 99-106页

作者：张英豪赖锡军中国科学院南京地理与湖泊研究所流域地理学重点实验室江苏南京210008 中国科学院大学北京100049

为研究沉水植被对水流结构的影响,以苦草为对象,利用实验室水槽实验研究了含淹没水生植被水流时均流速、雷诺应力及紊动能的垂向分布特征。受苦草冠层的影响,时均流速在冠顶以上呈对数分布,且随着流量的增加,冠层倾伏高度降低,对数剖面... 详细信息

为研究沉水植被对水流结构的影响,以苦草为对象,利用实验室水槽实验研究了含淹没水生植被水流时均流速、雷诺应力及紊动能的垂向分布特征。受苦草冠层的影响,时均流速在冠顶以上呈对数分布,且随着流量的增加,冠层倾伏高度降低,对数剖面愈加明显;冠层内部,由于冠层阻流面积在垂向分布上的差异,冠层内时均流速出现逆梯度分布,且在床面附近出现局部流速最大值。雷诺应力在冠顶附近达到最大值,并向水面与床底方向逐渐减小;受逆流速梯度的影响,冠层内部雷诺应力出现负值以及局部最大值。雷诺应力产生的剪切紊动使得紊动能在冠顶处最大,并向水面与床底进行垂向传输;受紊动传输距离的限制,冠层底部以叶片后产生的尾流紊动为主,紊动能较小。

关键词：水生植被时均流速雷诺应力紊动能

二维平面非恒定流数学模型的遥感水位数据同化

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水科学进展 2008年第2期19卷 224-231页

作者：俞云利赖锡军河海大学环境科学与工程学院江苏南京210098 中国科学院南京地理与湖泊研究所江苏南京210008

为了在水流计算中定量化利用遥感水位数据,基于偏微分方程最优化控制理论建立了变分模型来融合二维平面非恒定流的数学模型和数据。根据遥感数据空间信息密集的特点,提出遥感水位数据同化的新算法。采用人工合成数据考察了面域遥感数据... 详细信息

为了在水流计算中定量化利用遥感水位数据,基于偏微分方程最优化控制理论建立了变分模型来融合二维平面非恒定流的数学模型和数据。根据遥感数据空间信息密集的特点,提出遥感水位数据同化的新算法。采用人工合成数据考察了面域遥感数据对于定常参数和时变两类参数的反演效果。试验结果表明,遥感数据提供的空间分布式信息有利于空间分布式参数的反演识别,而且通过引入考虑水面空间变化信息的附加项,可以改善观测信息的同化,更好地辨识时变参数(流量过程)。以Moselle河的RADARSAT卫星遥感水位数据检验了模型的实用性。

关键词：变分同化参数识别遥感数据二维非恒定流数学模型

非结构同位网格SIMPLE类算法收敛性能比较

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空气动力学学报 2004年第3期22卷 289-294页

作者：赖锡军汪德■ 傅源方中国科学院南京地理与湖海研究所江苏南京210008 河海大学环境科学与工程学院江苏南京210098 中国科学院力学所北京100080

以非结构网格的SIMPLE算法为基础,将算法扩展为SIMPLEC算法。利用30°角的斜方腔流动计算成果,分析了非结构同位网格的SIMPLE/SIMPLEC算法的收敛性能;比较了因网格的非正交而引入的非正交项的取舍对该算法收敛性能的影响;并采用显式校... 详细信息

以非结构网格的SIMPLE算法为基础,将算法扩展为SIMPLEC算法。利用30°角的斜方腔流动计算成果,分析了非结构同位网格的SIMPLE/SIMPLEC算法的收敛性能;比较了因网格的非正交而引入的非正交项的取舍对该算法收敛性能的影响;并采用显式校正步法对SIMPLEC算法进行了显式校正。比较表明,在非结构同位网格SIM PLEC算法中可忽略非正交项,但有必要对压力作亚松弛。显式校正步法可显著地加速在非结构网格上求解N-S方程的收敛性能,而且在不同的松弛因子组合下,均有较好的收敛速率。

关键词：同位网格非正交显式 SIMPLEC算法非结构网格收敛速率松弛因子收敛性能扩展校正

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基于循环神经网络的洞庭湖水位预测研究

长江流域资源与环境 2021年第3期30卷 689-698页

作者：郭燕赖锡军中国科学院南京地理与湖泊研究所/中国科学院流域地理学重点实验室江苏南京210008 中国科学院大学资源与环境学院北京100049

洞庭湖流域分布了3个重要的自然保护区,是我国大型淡水湖泊湿地系统之一,生态资源丰富。水位是维持其生态系统结构、功能和完整性的基础。为预测长江和流域"四水"来水组合影响下的洞庭湖水位变化,该文采用两种循环神经网络方法--长短期... 详细信息

洞庭湖流域分布了3个重要的自然保护区,是我国大型淡水湖泊湿地系统之一,生态资源丰富。水位是维持其生态系统结构、功能和完整性的基础。为预测长江和流域"四水"来水组合影响下的洞庭湖水位变化,该文采用两种循环神经网络方法--长短期记忆(LSTM)和门控循环单元(GRU),构建了洞庭湖水位变化的预测模型。LSTM和GRU的优势在于能够学习网络的输入和输出之间的长期依赖关系,这对于模拟受上游来水影响的水位累积变化至关重要。模型以湘江、资水、沅江、澧水入湖流量和长江干流宜昌站前期流量作为输入条件,预测洞庭湖不同湖区的水位变化过程。利用1980~2002年水位流量时间序列数据对模型进行测试,2003~2014年数据进行验证,并对两种模型的预测结果进行了比较。结果表明:(1)循环神经网络LSTM和GRU方法均可合理预测洞庭湖水位的变化过程,NSE和R2均为0.91~0.95,各站水位预测的RMSE值为0.41~0.86 m, NSE和R2均为0.91~0.95;(2)LSTM的预测精度稍高于GRU,但GRU计算更高效,是LSTM一个很好的替代方案;(3)模型能够较准确的模拟一次洪水事件,洪水位的预测值与真实值的最大相对误差低于5%;且模型具有较好的多步长时间序列预测能力,有在水文模型应用方面的潜力。

关键词：水位预测 LSTM GRU 江湖作用洞庭湖