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基于极端梯度提升算法的山洪灾害临界雨量计算模型

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济南大学学报(自然科学版) 2024年第4期 391-398页

作者：李福晨桑国庆孙元森济南大学水利与环境学院山东省日照市东港区河湖管理保护中心

针对无资料区域山洪灾害临界雨量计算的难题，以山东省五莲县45个山丘区小流域沿河村落为研究对象，开展基于机器学习的山洪灾害临界雨量计算模型研究；基于水文水力学法结合现场调研确定各村落成灾水位及临界流量，通过水文模型计算产... 详细信息

针对无资料区域山洪灾害临界雨量计算的难题，以山东省五莲县45个山丘区小流域沿河村落为研究对象，开展基于机器学习的山洪灾害临界雨量计算模型研究；基于水文水力学法结合现场调研确定各村落成灾水位及临界流量，通过水文模型计算产汇流得到洪水过程，采用试算法计算临界雨量；选取水文、下垫面、沿河村落等相关特征参数及临界雨量计算结果作为训练参数，构建基于极端梯度提升算法的不同预警时段临界雨量预估模型，并采用平均绝对误差和决定系数进行模型精度评估。结果表明：该模型计算的各预警时段临界雨量的平均绝对误差分别为4.56、 6.68、 7.11,决定系数分别为0.955、 0.967、 0.973,预测精度较高，能够满足无资料地区山洪预警工作的应用需求。

关键词：山洪灾害临界雨量极端梯度提升算法预警指标五莲县

湖泊型流域洪涝灾害经济损失多情景模拟——以南四湖流域为例

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生态学报 2024年第10期44卷 4129-4141页

作者：刘洋韩雯颖孙志贤桑国庆济南大学商学院济南250002 扬州大学商学院扬州225127 济南大学水利与环境学院济南250022

洪涝灾害情景模拟与损失预估对湖泊型流域防洪减灾和可持续发展具有重要意义。以我国典型的湖泊型流域南四湖流域为例,利用CA-Markov模型预测2030年三种用地情景,采用P-Ⅲ型概率曲线构建10、20、50、100 a四个重现期强降雨情景,得到12... 详细信息

洪涝灾害情景模拟与损失预估对湖泊型流域防洪减灾和可持续发展具有重要意义。以我国典型的湖泊型流域南四湖流域为例,利用CA-Markov模型预测2030年三种用地情景,采用P-Ⅲ型概率曲线构建10、20、50、100 a四个重现期强降雨情景,得到12种组合情景;通过InVEST模型和等体积淹没法量化不同情景的径流和淹没深度;在各产业GDP空间预测的基础上计算12种情景的洪涝直接经济损失。结果表明:(1)CA-Markov模型在南四湖流域的土地利用模拟精度较高,三种用地情景的各地类变化显著;(2)用地变化对流域洪涝灾害的影响显著,其中城镇发展情景下洪涝灾害风险最大,而生态保护情景风险最低;(3)暴雨强度会明显增加各用地情景的经济损失,但增幅在50 a重现期后有所减缓;生态保护情景的经济损失最少,介于97.39—128.81亿元之间,与其他情景相比,该情景可在一定程度上减少洪灾损失。为此,在气候变化背景下湖泊型流域可持续发展应充分考虑土地利用变化对洪涝灾害风险的影响,合理扩张城镇建设用地,优化布局生态用地,充分发挥国土空间规划在防洪减灾方面的作用。

关键词：土地利用洪涝灾害情景模拟直接经济损失南四湖流域

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南水北调工程对南四湖下级湖水体交换特征影响研究

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水利水电技术(中英文) 2024年第6期 72-83页

作者：岳俊杰桑国庆张林刘阳济南大学水利与环境学院南水北调东线山东干线有限责任公司

【目的】南水北调东线工程以南四湖为输水通道，工程运行后南四湖下级湖的流场变化较为复杂。为研究调水工程运行对下级湖及各个分区水体交换特征的影响，【方法】在收集南四湖下级湖地形、降雨、蒸发、风场等资料的基础上，构建了下级... 详细信息

【目的】南水北调东线工程以南四湖为输水通道，工程运行后南四湖下级湖的流场变化较为复杂。为研究调水工程运行对下级湖及各个分区水体交换特征的影响，【方法】在收集南四湖下级湖地形、降雨、蒸发、风场等资料的基础上，构建了下级湖二维水动力和对流扩散模型，并进行了模型率定与验证，选取50 m3/s、2020—2021年度调水期实际流量、设计流量125 m3/s共3种流量工况进行了模拟分析。【结果】模拟结果显示：调水148 d时，3种流量工况下下级湖韩庄站至二级坝水位差分别为0.06 m、0.12 m、0.36 m,韩庄站至二级坝水位比降分别为1.0×10-6、2.1×10-6、6.2×10-6,下级湖平均流速分别提高0.15 cm/s、0.54 cm/s、0.87 cm/s,死水区和滞水区面积占比不断减小，湖区水体流动性大幅提升。实际流量工况模拟入下级湖共6.6亿m3,出下级湖6.3亿m3,其中下级湖旧水体占67%,外调水占33%。【结论】同一流量情况下，下级湖从南至北、从东至西水体更新时间逐渐变长，3种流量工况下下级湖水体更新时间分别为77 d、78 d、53 d。研究结果有助于定量分析调水情况下下级湖水体流动和交换过程，对南水北调东线工程南四湖段调度运行具有一定参考作用。

关键词：数值模拟水动力特征水体交换更新时间流量南四湖下级湖

降雨时程分配对小流域山洪灾害临界雨量的影响——以滕家河流域为例

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济南大学学报(自然科学版) 2024年第4期 399-405页

作者：张明芳桑国庆李福晨张士儒徐艳会山东省威海市水文中心济南大学水利与环境学院北京七兆科技有限公司

为了提高小流域山洪灾害预警准确率，以山东省威海市滕家河流域为例，研究小流域不同降雨时程分配对山洪灾害临界雨量预警指标的影响；首先基于现场调研以及一维水动力模型确定研究区的成灾水位及临界流量，基于历史降雨数据采用模糊识... 详细信息

为了提高小流域山洪灾害预警准确率，以山东省威海市滕家河流域为例，研究小流域不同降雨时程分配对山洪灾害临界雨量预警指标的影响；首先基于现场调研以及一维水动力模型确定研究区的成灾水位及临界流量，基于历史降雨数据采用模糊识别法确定雨峰靠前、雨峰靠中、雨峰靠后3种模式雨型进行降雨时程分配，采用美国陆军工程兵团水文工程中心流域性洪水模拟系统(HEC-HMS)模型计算产汇流，通过试算法计算不同雨型雨量对应的临界雨量，并分析不同降雨时程分配对临界雨量的影响，确定不同预警时段的临界雨量范围；采用历史数据对滕家河流域6 h临界雨量指标进行预警检验。结果表明：预警检验成功率为87.5%,效果较好；基于雨峰靠前模式雨型的临界雨量值普遍大于基于雨峰靠中、雨峰靠后模式雨型的，不同降雨时程分配对临界雨量产生较大影响。

关键词：山洪灾害临界雨量降雨时程分配滕家河流域

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燕子河流域洪水演进数值模拟

济南大学学报（自然科学版） 2024年第1期38卷 68-77页

作者：韩松张威王豪刘玉玉桑国庆济南大学水利与环境学院山东济南250022 山东省水旱灾害防御中心山东济南250013

为了对中小河流流域洪水风险进行预测分析,以山东省临沂市燕子河流域为研究对象,利用水动力学模型对洪水演进进行数值模拟;采用MIKE 11软件建立一维水动力学模型,分别模拟洪水重现期为5、10、20、50、100 a的河道洪水演进过程;利用MIKE... 详细信息

为了对中小河流流域洪水风险进行预测分析,以山东省临沂市燕子河流域为研究对象,利用水动力学模型对洪水演进进行数值模拟;采用MIKE 11软件建立一维水动力学模型,分别模拟洪水重现期为5、10、20、50、100 a的河道洪水演进过程;利用MIKE 21软件对燕子河防洪保护范围构建二维模型;利用MIKE FLOOD软件侧向耦合一、二维模型,模拟不同洪水重现期洪水从河道漫溢至岸边的演进过程,对模拟结果进行分析,得到洪水的淹没范围、水深、流速等信息。结果表明:洪水重现期为5、10、20、50、100 a时洪水淹没范围分别为0、4.09、7.59、13.87、18.44 km^(2),最大淹没深度分别为0、4.56、5.46、6.20、6.49 m,洪水最大流速分别为0、3.04、3.58、3.98、4.70 m/s;罗庄区西陆庄村、为儿桥村以及兰陵县西庄村、松山东村等村落为淹没风险较大区域。

关键词：水动力学模型洪水演进数值模拟燕子河流域

1976—2020年弥河流域不同等级降雨时空分布特征

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济南大学学报（自然科学版） 2024年第2期38卷 140-148页

作者：刘薇丛鑫刘玉玉桑国庆郭成徐征和山东省水文中心山东济南250002 济南大学水利与环境学院山东济南250022

为了对弥河流域的降雨特征及未来演变趋势进行研究,基于流域15个气象站1976—2020年的逐日降雨数据,应用Mann-Kendall检验、反距离插值和重标极差(R/S)分析法,研究不同等级降雨量与降雨时间的时空分布特征,并探讨不同等级降雨对年降雨... 详细信息

为了对弥河流域的降雨特征及未来演变趋势进行研究,基于流域15个气象站1976—2020年的逐日降雨数据,应用Mann-Kendall检验、反距离插值和重标极差(R/S)分析法,研究不同等级降雨量与降雨时间的时空分布特征,并探讨不同等级降雨对年降雨的影响以及流域未来降雨结构的发展趋势。结果表明:研究期内弥河流域年降雨量呈逐年增加趋势,除大雨外,其他等级降雨量呈增长态势,降雨时间总体呈减少趋势,仅中雨、暴雨时间呈增加态势;流域年降雨量从上游向下游呈递减趋势,与大雨、暴雨空间变化一致,年降雨时间与小雨时间空间分布格局一致;中雨对年降雨量的贡献率最高,为27.99%,小雨的发生率最高,为72.07%;相关性分析显示,流域年降雨量与降雨时间分别受暴雨降雨量、小雨时间的影响最大;流域暴雨降雨量、暴雨时间与年降雨量都表现出较强的持续性,未来变化趋势与过去相一致,降雨等级存在向暴雨转变的趋势。

关键词：降雨量降雨等级时空分布弥河流域

宁夏哈巴湖国家级自然保护区植物群落遥感分类研究

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宁夏农林科技 2024年第1期65卷 17-22页

作者：任成宝余殿庞海威边振桑国庆宁夏回族自治区哈巴湖国家级自然保护区管理局宁夏吴忠751100 济南大学水利与环境学院山东济南250022

为准确监测宁夏哈巴湖国家级自然保护区植物资源,以2017年Landsat8遥感影像、高分卫星遥感影像结合实地调查和无人机多光谱影像,分析保护区9种典型植物群落的光谱特征,并利用2种分类方法对保护区植被进行分类。研究结果表明,面向对象分... 详细信息

为准确监测宁夏哈巴湖国家级自然保护区植物资源,以2017年Landsat8遥感影像、高分卫星遥感影像结合实地调查和无人机多光谱影像,分析保护区9种典型植物群落的光谱特征,并利用2种分类方法对保护区植被进行分类。研究结果表明,面向对象分类法分类精度为79.90%,最大似然法分类精度仅为52%,面向对象分类方法比最大似然法更适合进行研究区植物群落尺度的分类制图;研究区分布范围广泛且集中连片分布的是沙柳群落和柠条群落,与多年来保护区长期治理措施有关。

关键词：遥感植物群落面向对象分类

面向洪水预报的雨量站网合理性评估与优化研究

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水利水电技术（中英文） 2024年第5期55卷 1-14页

作者：陈安琪刘玉玉高艺雄徐征和桑国庆刘鲁霞刘薇李庆国济南大学水利与环境学院山东济南250022 山东省水文中心山东济南250002

【目的】雨量站作为专为收集降水资料而设计的观测点,是收集水情信息的重要来源。雨量站的合理布设可以及时、准确地反映流域降水情况,是洪水预报的必要信息。【方法】以山东省弥河流域为研究对象,基于锥体梯度法和泰森多边形理论,对现... 详细信息

【目的】雨量站作为专为收集降水资料而设计的观测点,是收集水情信息的重要来源。雨量站的合理布设可以及时、准确地反映流域降水情况,是洪水预报的必要信息。【方法】以山东省弥河流域为研究对象,基于锥体梯度法和泰森多边形理论,对现有雨量站网的合理性进行了评估。结合信息熵理论和最大信息最小冗余准则(MIMR),利用流域内22个地面雨量站的小时尺度降水序列,构建雨量站网优化模型,提出优化方案。【结果】结果表明,流域部分雨量站控制面积过大且部分雨量站之间相关性较差;雨量站间信息熵的变化规律表明:随着迭代次数的变化,联合熵逐渐变大并最终趋于稳定,互信息先增大后减小,冗余度越来越大,迭代17次后所选站点的信息量占信息总量的比值达98%;考虑到洪水预报的要求,建议在合理位置增设5个雨量站并改进修缮1个雨量站。【结论】优化后的雨量站网能更好地反映流域降雨信息。研究成果可为今后优化流域雨量站网提供理论依据。

关键词：熵 MIMR 雨量站洪水预报降水气候变化时空分布互信息

基于Sentinel数据和机器学习的高分辨率水稻种植范围提取方法研究

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基于Sentinel数据和机器学习的高分辨率水稻种植范围提取方法研究

作者：桑国庆湖南科技大学

学位级别：硕士

水稻是发展中国家主要的粮食作物之一,对缓解人口增长对粮食需求的压力、维持区域及全球粮食安全具有重大意义。准确、及时获取高分辨率水稻种植时空分布信息可为发展智慧农业、保障国家粮食安全、调整优化农业生产结构、合理利用水资... 详细信息

水稻是发展中国家主要的粮食作物之一,对缓解人口增长对粮食需求的压力、维持区域及全球粮食安全具有重大意义。准确、及时获取高分辨率水稻种植时空分布信息可为发展智慧农业、保障国家粮食安全、调整优化农业生产结构、合理利用水资源提供重要数据支持。本文利用Google Earth Engine遥感云计算平台的优势,协同10 m分辨率的Sentinel-1SAR和Sentinel-2 MSI数据,在建立湖南省水稻生长期光谱、极化特征等先验知识的基础上,构建水稻遥感识别经验决策树模型和基于机器学习算法(随机森林、支持向量机和分类回归树)的高分辨率水稻种植范围提取模型。为实现水稻种植大范围、高精度提取,在机器学习提取模型构建过程中,对影像合成的时间窗口、特征组合进行优化。并从不同分类算法、混合像元和尺度效应3个方面综合分析水稻种植范围遥感估算的不确定性,实现水稻种植范围遥感估算精度的综合评估。建立湖南省2017—2021年高分辨率水稻空间分布数据集,并分析其时空分布特征。得出如下主要结论:(1)协同Sentinel-1 SAR、Sentinel-2 MSI时序遥感影像基于水稻生长期光谱特征、极化特征等先验知识构建的水稻种植范围经验决策树模型,总体精度为93.97%,Kappa系数为0.908,整体达到了水稻种植范围高精度提取的要求。对经验决策树模型中2种方法进行比较,发现EVI光谱特征法的水稻提取精度优于VH极化特征法,但光谱特征法因受云覆盖影响难以完全提取水稻种植范围。(2)针对水稻种植大范围且高精度提取的应用需求,对Sentinel-1/2影像合成的时间窗口大小进行率定,确定了水稻提取的最佳影像合成时间窗口。相比其它特征组合方式,融合光谱、指数、极化和地形特征的水稻识别效果最佳,总体精度、Kappa系数分别可达96.70%、0.945。基于最佳时间窗口影像合成、最优特征组合,对比不同分类算法的水稻提取性能,表明随机森林>支持向量机>经验决策树模型>分类回归树。(3)综合分析不同分类算法、混合像元对水稻种植范围遥感估算的不确定性,结果表明发展的经验决策树模型和随机森林分类算法对混合像元分类表现出较强的能力,水稻提取精度高于支持向量机和分类回归树算法。在空间分辨率相同的情况下,水稻种植范围遥感估算的平均区域精度随空间范围的扩大而提高;在空间范围相同的情况下,平均区域精度随空间分辨率的降低而下降;水稻种植越密集,平均区域精度越高;水稻种植密集程度相同的情况下,空间分辨率越高,平均区域精度越高。(4)湖南省水稻种植空间分布呈现单-双季水稻混合种植的结构特点,单季稻分布范围较广,双季稻集中分布在岳阳、益阳和常德三市。水稻种植面积年际间变化较小,但双季稻种植面积整体呈减少趋势。单、双季水稻分布与高程、坡度和气温的关系显著,分布指数随高程和坡度的增大逐渐下降,随气温的升高逐渐上升;水稻主要分布在海拔200 m以内、坡度小于6°、年均气温大于17℃的区域;双季稻更倾向于种植在海拔较低、地势平缓和年平均气温较高的区域。

关键词：水稻遥感提取 Sentinel-1/2 Google Earth Engine 机器学习物候特征