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基于深度学习与HEC-HMS模型的小流域暴雨洪水耦合预报

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水利学报 2025年

作者：刘万谢帅钟德钰王永强包淑萍朱旭东华中科技大学土木与水利工程学院长江科学院水资源综合利用研究所清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室宁夏水文水资源监测预警中心

小流域暴雨洪水产汇流过程快,常规洪水监测预报的预见期较短,难以为防汛救灾提供有效支撑。本研究中构建了基于深度学习降雨预报的暴雨洪水耦合预报框架,通过以短临降雨预报驱动水文模型的方式延长洪水预报预见期,对小流域防洪具有重要... 详细信息

小流域暴雨洪水产汇流过程快,常规洪水监测预报的预见期较短,难以为防汛救灾提供有效支撑。本研究中构建了基于深度学习降雨预报的暴雨洪水耦合预报框架,通过以短临降雨预报驱动水文模型的方式延长洪水预报预见期,对小流域防洪具有重要意义。在短临降雨预报中,本文提出一种基于多预报因子输入的深度学习短临降雨预报模型(RNMCW),选取能有效反映水汽含量和水汽输送的组合反射率和雷达反演风场作为输入,以深度学习方法提取时空特征,从而预报流域内降雨。结果表明,该方法在各站降雨预报的相关系数均高于0.75,相比传统光流法提高了5%左右。之后用RNMCW预测的降雨对HEC-HMS模型进行参数率定,并以降雨预报结果作为水文模型的输入构建暴雨洪水耦合预报模型。相比HEC-HMS模型,耦合模型对2016年洪水的洪峰预测误差降低了2.17%,对20180722洪水预测的纳什系数提升了0.002。模型能够有效预报出洪水过程,并最多延长有效预见期2 h,从而提升洪水预报效果,为实际应用提供更好的支撑。

关键词：短临降雨预报深度学习雷达反演风场暴雨洪水耦合预报

考虑环流横向输沙及河岸变形的平面二维扩展数学模型

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水利学报 2004年第7期35卷 14-20页

作者：钟德钰张红武清华大学河流海洋工程研究所北京100084

本文考虑弯道环流输沙效应,在泥沙运动基本方程中增加了反映环流横向输沙附加项,对平面二维水沙数学模型的悬移质、推移质输沙方程和河床变形过程进行了扩展。借助土力学中关于边坡稳定性理论中的圆弧滑动法,并引入多杈树搜索方法,建立... 详细信息

本文考虑弯道环流输沙效应,在泥沙运动基本方程中增加了反映环流横向输沙附加项,对平面二维水沙数学模型的悬移质、推移质输沙方程和河床变形过程进行了扩展。借助土力学中关于边坡稳定性理论中的圆弧滑动法,并引入多杈树搜索方法,建立了适用于平面二维数学模型的河岸崩塌变形计算方法。经扩展后的平面二维水沙数学模型能模拟环流横向输沙及由其引起的河床冲淤和河岸变形,并应用该模型模拟了弯道发生、发展过程,计算结果与已有的认识是一致的。

关键词：平面二维流动与泥沙数学模型环流横向输沙河岸崩退有限体积法

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黄河下游平滩流量驱动与响应模型

清华大学学报（自然科学版） 2012年第6期52卷 759-765页

作者：张艳艳钟德钰吴保生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

为研究冲积河流平滩流量的变化规律,以黄河下游1950—2007年实测水沙及平滩流量数据为基础,根据量纲和谐原理,建立了反映冲积性河流河床演变规律的驱动与响应模型。对驱动与响应模型中水沙驱动力进行了小波分解;通过小波方差求极值的方... 详细信息

为研究冲积河流平滩流量的变化规律,以黄河下游1950—2007年实测水沙及平滩流量数据为基础,根据量纲和谐原理,建立了反映冲积性河流河床演变规律的驱动与响应模型。对驱动与响应模型中水沙驱动力进行了小波分解;通过小波方差求极值的方法,确定了水沙驱动力的主要时间尺度;并利用主要时间尺度下对应的周期函数代替了驱动与响应模型中的水沙驱动力。进而通过积分运算得出平滩流量驱动与响应模型的解析解。结果表明:黄河下游水沙驱动力具有4—5a和19—20a主要时间尺度;应用到黄河下游5个主要测站具有较好的计算结果。

关键词：平滩流量驱动与响应模型小波分析多时间尺度黄河下游

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明渠中悬移质的弥散-对流方程及悬浮机理

力学学报 2013年第1期45卷 83-93页

作者：张磊钟德钰吴保生刘磊水沙科学与水利水电工程国家重点实验室清华大学水利水电工程系北京100084

悬移质泥沙通常构成冲积河流总输沙量的主体,研究悬移质的悬浮机理具有重要的意义.以双流体模型为基础,通过引入弥散速度的概念,建立了悬移质泥沙的输沙方程以及泥沙扩散系数的本构关系.应用该方程分析了二维明渠均匀流中悬移质泥沙浓... 详细信息

悬移质泥沙通常构成冲积河流总输沙量的主体,研究悬移质的悬浮机理具有重要的意义.以双流体模型为基础,通过引入弥散速度的概念,建立了悬移质泥沙的输沙方程以及泥沙扩散系数的本构关系.应用该方程分析了二维明渠均匀流中悬移质泥沙浓度垂向分布规律,并与Einstein和Chien的泥沙浓度实验资料及经典扩散理论进行了对比.以此为基础,分析了紊动扩散、颗粒自身的紊动、颗粒碰撞应力对泥沙悬浮的影响在垂向上的变化,以及浓度、粒径等对这些因素的影响.结果表明,泥沙颗粒在明渠紊流中的扩散是浑水的紊动扩散、颗粒自身的紊动、颗粒碰撞应力3部分不同机制共同作用的结果,把泥沙颗粒的悬浮简单归因于水流的紊动是不全面的.

关键词：悬移质悬浮弥散扩散紊流双流体模型

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基于PDF模型的泥沙起悬概率

清华大学学报（自然科学版） 2012年第6期52卷 766-770页

作者：范念念钟德钰吴保生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

该文基于动理学理论的方法,研究了明渠紊流中均匀泥沙的起悬概率。首先通过对颗粒受力特征的分析,得到了相空间中颗粒运动概率密度函数(probability densityfunction,PDF)所满足的输运方程。然后通过对PDF输运方程进行无量纲化,分析比... 详细信息

该文基于动理学理论的方法,研究了明渠紊流中均匀泥沙的起悬概率。首先通过对颗粒受力特征的分析,得到了相空间中颗粒运动概率密度函数(probability densityfunction,PDF)所满足的输运方程。然后通过对PDF输运方程进行无量纲化,分析比较各物理量的大小,进而用摄动法解得了PDF的近似解。最后对得到的PDF在一定的速度范围内积分,得到了泥沙的起悬概率。该文得到的PDF近似解描述了颗粒在紊流中的随机运动特征,可以反映颗粒受的外力、浓度梯度及紊流强度梯度对颗粒运动的影响,基于此得到的起悬概率与实验资料符合较好。

关键词：泥沙动理学概率密度分布函数(PDF) 紊流起悬概率

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细颗粒对粗颗粒床沙质输沙率影响的初步研究

水科学进展 2001年第1期12卷 1-6页

作者：钟德钰王士强王光谦清华大学水利水电工程系北京100084

考虑高含沙紊流涡团中细颗粒絮凝形成网络结构对粗颗粒运动影响后 ,建立了粗颗粒悬移质泥沙的输沙率计算方法。该方法中包含的细颗粒影响项反映了流域因素对粗颗粒泥沙输沙的影响 ,证明细颗粒的影响是引起多沙河流中“多来多排”现象的... 详细信息

考虑高含沙紊流涡团中细颗粒絮凝形成网络结构对粗颗粒运动影响后 ,建立了粗颗粒悬移质泥沙的输沙率计算方法。该方法中包含的细颗粒影响项反映了流域因素对粗颗粒泥沙输沙的影响 ,证明细颗粒的影响是引起多沙河流中“多来多排”现象的一个重要因素。与黄河实测资料的对比表明 ,该计算方法能够反映高含沙紊流输沙时随流域细颗粒增多粗颗粒悬移质输沙率相对增大的现象。

关键词：床沙质输沙率高含沙水流细颗粒悬移质输沙率

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一维水沙数学模型基于特征的耦合分析

水力发电学报 2011年第4期30卷 117-123,141页

作者：丁赟刘磊钟德钰张红武河海大学水利水电工程学院南京210098 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084

推导了冲积河流一维水沙数学模型的特征值。基于连续介质假设,推导得到了河床冲淤层质量和动量守恒方程,建立了特征耦合的水沙数学模型。基于奇异摄动理论,通过渐进展开方法求得了模型所构成的双曲系统的特征值。其四个特征值耦合了水... 详细信息

推导了冲积河流一维水沙数学模型的特征值。基于连续介质假设,推导得到了河床冲淤层质量和动量守恒方程,建立了特征耦合的水沙数学模型。基于奇异摄动理论,通过渐进展开方法求得了模型所构成的双曲系统的特征值。其四个特征值耦合了水流运动、泥沙输运及河床变形的相互作用。根据双曲系统特征理论,分析了水流运动与河床变形的相互作用。结果表明,四个特征值中只有两个会对河床变形产生较大影响,且不同流态下河床变形受不同特征值作用,扰动向上游或下游传播。在过渡区域,河床变形同时受两个特征值作用而变形较快,并同时向上下游传播。

关键词：河流动力学冲积河流耦合奇异摄动双曲特征值

黄河下游主槽断面形态对水沙变化响应过程的模拟

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地理学报 2020年第7期75卷 1494-1511页

作者：王彦君吴保生钟德钰清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084 长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室武汉430010

准确把握环境变化下前期水沙条件对当前河床形态调整的影响,建立非平衡态河床形态调整的模拟方法,对深化河床非平衡调整过程的认识至关重要。基于黄河下游花园口—利津河段1965—2015年的水沙和沿程82个大断面数据,首先统计分析了不同... 详细信息

准确把握环境变化下前期水沙条件对当前河床形态调整的影响,建立非平衡态河床形态调整的模拟方法,对深化河床非平衡调整过程的认识至关重要。基于黄河下游花园口—利津河段1965—2015年的水沙和沿程82个大断面数据,首先统计分析了不同河段主槽断面形态参数(面积、河宽、水深和河相系数)的调整过程及其对水沙变化的响应规律;进而以水沙因子作为主槽断面形态调整的主控因素,采用滞后响应模型的多步递推模式,建立了其对前期水沙条件变化的滞后响应模型。结果表明,各河段面积、河宽和水深经历了减小—增加—减小—增加的变化过程,并且其与4 a滑动平均流量和含沙量之间分别呈正相关和负相关;而河相系数孙口以上段整体减小,孙口以下段呈增加—减小—增加—减小的变化过程,除花高段1965—1999年外,其与流量呈负相关,与含沙量呈正相关。滞后响应模型在黄河下游主槽断面形态对前期水沙条件响应过程的应用表明,各参数模型计算值与实测值符合程度均较高,模型能够很好地模拟主槽断面形态对水沙变化的响应调整过程,模型计算结果显示主槽断面形态调整受当年在内的前8 a水沙条件的累积影响,当年和前7 a水沙条件对当前断面形态的影响权重分别约为30%和70%。本文模型有助于深化前期水沙条件对当前河床形态调整影响机理的认识,并为未来不同水沙情形下主槽断面形态的预测提供了有效计算方法。

关键词：黄河下游水沙变化主槽断面形态滞后响应模型

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非漫滩高含沙洪水异常传播机理和临界条件

水利学报 2013年第1期44卷 50-58页

作者：钟德钰姚中原张磊刘磊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

黄河下游发生高含沙洪水时常伴随洪峰增值的异常现象,给黄河下游的防洪安全带来了极大的影响。本文基于高含沙水流床面附近存在流凝现象并可能形成具有屈服应力的黏性底层的事实,建立了高含沙洪水分层模型和流动的波系方程,对多沙河流... 详细信息

黄河下游发生高含沙洪水时常伴随洪峰增值的异常现象,给黄河下游的防洪安全带来了极大的影响。本文基于高含沙水流床面附近存在流凝现象并可能形成具有屈服应力的黏性底层的事实,建立了高含沙洪水分层模型和流动的波系方程,对多沙河流非漫滩洪水洪峰沿程增值现象的机理进行了研究,并给出了发生洪峰增值的临界条件。论文还应用该结果对2004年、2010年发生的黄河下游高含沙洪水增值现象进行了分析。结果表明,当洪水的Froude数大于临界Froude数时,动力波形成的逆扩散导致洪水中的扰动被扩大、集中,从而导致流动失稳,这是这两场洪水洪峰增值的根本原因。

关键词：高含沙洪水洪峰增值流凝流动稳定性