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基于多因素分析的密云水库流域径流变化归因

南水北调与水利科技（中英文） 2024年第3期22卷 482-490页

作者：李珠桑燕芳杨默远赵雪花中国科学院地理科学与资源研究所北京100101 中国科学院山地自然灾害与工程安全重点实验室北京100101 复合链生自然灾害动力学应急管理部重点实验室北京100085 北京市水科学技术研究院北京100048 太原理工大学水利科学与工程学院太原030024 中国科学院大学北京100049

为准确揭示密云水库流域径流变化的物理成因,基于降水、径流非平稳特征诊断结果,采用SWAT(soil and water assessment tool)水文模型,基于Budyko理论的弹性系数法和水量平衡法揭示该流域径流变化原因;对比验证各模型归因结果差异,进一... 详细信息

为准确揭示密云水库流域径流变化的物理成因,基于降水、径流非平稳特征诊断结果,采用SWAT(soil and water assessment tool)水文模型,基于Budyko理论的弹性系数法和水量平衡法揭示该流域径流变化原因;对比验证各模型归因结果差异,进一步探究归因方法和基准期选择对流域径流变化归因结果的影响。结果表明:基于Budyko理论的水量平衡方法更适用于水利工程众多、跨流域调水活动频繁的密云水库流域径流变化归因计算;利用该方法进行分析,当基准期长度达到16年及以上时,流域径流变化归因分析结果逐渐趋于稳定,而基准期选取过短会高估人类活动对径流的减水效应;此外,基准期选取靠近研究初始时段时,计算得到人类活动的减水效应相对较大。综合考虑上述各因素的影响,认为人类活动是密云水库流域径流变化的主导因素;在变化期Ⅰ,其减水效应在-128.32%~-119.56%波动,在变化期Ⅱ,其对径流的削减作用为-75.58%~-70.70%。研究结果有助于提升对密云水库流域径流复杂演变规律和物理成因的科学认识。

关键词：径流归因分析基准期人类活动密云水库

黄土高原小流域考虑坡度影响的径流曲线数优化

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中国农村水利水电 2024年第5期 200-205,214页

作者：余聂彤赵雪花姚柳杉太原理工大学水利科学与工程学院山西太原030024

坡度对产流过程有重要影响,将SCS-CN模型中的径流曲线数进行坡度修正对于提升模型预测精度具有重要意义,为了进行流域平均坡度在产流过程中的影响探究,以Huang坡度修正公式为基础,利用王家沟流域1955-1981年期间70场降雨径流实测资料中... 详细信息

坡度对产流过程有重要影响,将SCS-CN模型中的径流曲线数进行坡度修正对于提升模型预测精度具有重要意义,为了进行流域平均坡度在产流过程中的影响探究,以Huang坡度修正公式为基础,利用王家沟流域1955-1981年期间70场降雨径流实测资料中的前40场作为验证期资料,重新率定了Huang坡度修正公式中的a1,a2两个参数,提出了适用于王家沟流域的3种不同前期土壤湿度条件下的CN值坡度修正公式,以此建立了具有良好区域适用性的SCS-WJG方法并与SCS-CN查表法和直接移用Huang坡度修正公式的SCS-Huang方法进行比较。结论如下:使用遍历法确定的降雨初损率λ值为0.09,故标准值0.2不适用于王家沟流域。对比3种方法求出的CN值大小后发现使用SCS-Huang方法求出的CN值最大,SCS-CN查表法次之,SCS-WJG方法最小,从结果来看使用SCS-WJG方法进行模拟的精度更高,故用其计算得到的CN值更适用于王家沟流域。对比SCS-CN查表法与SCS-Huang方法后发现SCS-Huang方法纳什效率系数较低且均方根误差较高,因此提出适用于王家沟流域的CN值坡度修正公式并建立SCS-WJG方法是有必要的。当λ=0.09时,SCS-CN查表法,SCS-Huang方法的纳什效率系数分别为-2.85,-3.25,而SCS-WJG方法的纳什效率系数提高到了0.86,与前两种方法相比,SCS-WJG方法的均方根误差分别降低了77%,78%。SCS-WJG方法的模拟精度明显优于其余两种方法,说明SCS-WJG方法具有良好的区域适用性,可为小流域产流模拟提供参考。

关键词： SCS-CN模型径流曲线数产流模拟坡度小流域

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密云水库流域降水径流非平稳特征识别及归因

南水北调与水利科技（中英文） 2024年第2期22卷 331-338页

作者：李珠杨默远桑燕芳赵雪花吴林倩中国科学院地理科学与资源研究所北京100101 中国科学院山地自然灾害与工程安全重点实验室北京100101 北京市水科学技术研究院北京100048 复合链生自然灾害动力学应急管理部重点实验室北京100085 太原理工大学水利科学与工程学院太原030024 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉430072 中国科学院大学北京100049

为更准确揭示和认识变化环境下密云水库流域水文过程的非平稳特征,选取该流域1960—2019年降水和径流资料,采用多种时间序列分析方法综合诊断其趋势、突变点和周期等非平稳特征并进行成因分析。结果显示:该流域降水变化主要表现出较明... 详细信息

为更准确揭示和认识变化环境下密云水库流域水文过程的非平稳特征,选取该流域1960—2019年降水和径流资料,采用多种时间序列分析方法综合诊断其趋势、突变点和周期等非平稳特征并进行成因分析。结果显示:该流域降水变化主要表现出较明显的随机特性,径流相比降水的下降趋势更显著,且在1979年发生了向下跳跃的强变异;相比气候变异影响,人类活动是密云水库流域径流减少的主导因素;1980—1998年流域水土保持措施与水利工程兴建对径流变化的贡献率为-111.40%,抵消了气候变异11.4%的增水效应;1999—2019年,塘坝建造和用地类型转变对径流变化的贡献率为-66.60%,同时叠加气候变异-33.40%的减水效应,导致近20年来该流域径流呈现显著减少的态势。研究结果可为密云水库安全运行、洪水调度以及流域水资源管理决策提供科学支撑。

关键词：降水径流非平稳特征诊断归因时间序列分析密云水库

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基于多模型比选耦合的降水预测

南水北调与水利科技（中英文） 2024年第1期22卷 99-109页

作者：武少振任智慧赵雪花杨默远桑燕芳中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室北京100101 太原理工大学水利科学与工程学院太原030024 北京市水科学技术研究院北京100038 复合链生自然灾害动力学应急管理部重点实验室北京100085 中国科学院大学北京100049

变化环境下水文时间序列的模拟预测难度不断加大,以往研究大多聚焦在模型的不同组合尝试与应用探索,但缺乏针对不同组合模型适用性与稳定性的系统研究。选择经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)、总体平均经验模态分解(ense... 详细信息

变化环境下水文时间序列的模拟预测难度不断加大,以往研究大多聚焦在模型的不同组合尝试与应用探索,但缺乏针对不同组合模型适用性与稳定性的系统研究。选择经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)、总体平均经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,EEMD)、改进的总体平均经验模态分解(modified ensemble empirical mode decomposition,MEEMD)和变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)4种常用的分解算法,与多元线性回归(multivariable linear regression,MLR)、随机森林(random forest,RF)、BP神经网络(back propagation,BP)、卷积神经网络(convolutional neural networks,CNN)和长短期记忆神经网络(long short-term memory,LSTM)5种具有代表性的模型结合,构建20种基于“分解-预测-重构”模式的组合模型,并以华北地区密云、官厅两流域年和汛期降水为例,进行模型适用性与稳定性综合对比分析。结果表明:单一模型对密云流域年降水和汛期降水的预测结果优于官厅流域,但整体预测结果均不理想;结合分解算法后的组合模型预测结果明显优于单一模型,且该预测结果存在正负误差抵消现象,因此有助于进一步提高组合模型的整体预测精度;与基于EMD系列的分解算法相比,VMD算法对模型预测精度提升效果最显著,组合模型适用性和稳定性整体上表现为VMD-MLR>VMD-LSTM>VMD-BP>VMD-CNN。

关键词：中长期预测数据驱动模型组合模型时间序列分解非平稳性

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猎豹优化算法在水资源优化配置中的应用

中国农村水利水电 2024年第1期 135-141,149页

作者：姚柳杉赵雪花武雯昱武茜茜陈攀太原理工大学水利科学与工程学院山西太原030024

水资源优化配置能够解决区域水资源短缺及不合理利用问题,近年来优化算法成为获得水资源优化配置结果的重要工具。为有效缓解现有优化配置算法中存在的收敛缓慢、局部优化和早熟等问题,介绍了一种新型的元启发式算法:猎豹优化算法(the C... 详细信息

水资源优化配置能够解决区域水资源短缺及不合理利用问题,近年来优化算法成为获得水资源优化配置结果的重要工具。为有效缓解现有优化配置算法中存在的收敛缓慢、局部优化和早熟等问题,介绍了一种新型的元启发式算法:猎豹优化算法(the Cheetah Optimizer,CO),利用该算法收敛速度快、鲁棒性强、寻优能力强等优点,将其运用至水资源优化配置问题中。以太原市为研究区域,建立了以经济效益、社会效益和生态效益为目标的水资源优化配置模型,采用CO求解该模型,并与遗传算法(Genetic Algorithm,GA)结果进行对比分析。结果表明:CO的污染物排放总量在规划年(2030)控制目标内,区域用水满意度达到0.98,能够满足基本用水和发展用水需求;与现状年(2020)相比,生活用水占比下降22.58%,三次产业用水占比分别上升10.53%、25.81%、12.5%,地表水和地下水供水比例分别降低21.70%、11.14%,回用水和引黄水供水比例分别提高了5.43%、27.40%,符合太原市水资源配置思路,验证了CO的有效性;与GA相比,CO的区域满意度、综合用水价值和配水公平性分别提高了7.10%、3.57%和56.52%,污染物排放量和缺水率分别降低了3.11%和3.85%,同时有更好的协调性,验证了CO的优越性。研究成果表明用CO求解水资源优化配置模型合理可行,为水资源优化配置模型求解提供了新方法。

关键词：猎豹优化算法水资源优化配置满意度用水价值

基于LCD-SSA-BiLSTM模型的月径流预测研究

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水电能源科学 2024年第4期42卷 1-5页

作者：任智晶赵雪花郭秋岑付兴涛太原理工大学水利科学与工程学院山西太原030024

径流预测在水资源优化配置和防汛抗旱方面发挥着重要作用。但径流序列非平稳会导致预测误差及峰值预测误差较大,因此提出了基于局部特征尺度分解(LCD)、麻雀搜索算法(SSA)和双向长短期记忆神经网络(BiLSTM)的组合预测模型(LCD-SSA-BiLST... 详细信息

径流预测在水资源优化配置和防汛抗旱方面发挥着重要作用。但径流序列非平稳会导致预测误差及峰值预测误差较大,因此提出了基于局部特征尺度分解(LCD)、麻雀搜索算法(SSA)和双向长短期记忆神经网络(BiLSTM)的组合预测模型(LCD-SSA-BiLSTM),以提高非平稳径流序列的预测精度。以汾河上游4个站点(汾河水库站、上静游站、兰村站和寨上站)为研究对象开展月径流序列预测研究,采用纳什效率系数、平均绝对误差、均方根误差、合格率4个评价指标对预测结果进行定量评价。结果表明,LCD-SSA-BiLSTM模型的平均绝对误差为10.346×10^(4)~124.629×10^(4)m^(3),均方根误差为19.416×10^(4)~191.284×10^(4)m^(3),纳什效率系数为0.975~0.988,4个水文站的合格率均在90%及以上,预测精度为甲级,与单一BiLSTM、EMD-BiLSTM、LCD-BiLSTM及EMD-SSA-BiLSTM模型相比预测效果更好,因此LCD-SSA-BiLSTM模型是预测非平稳月径流序列的有效方法。

关键词：汾河上游 BiLSTM模型 LCD 月径流预测

综合翻转文献阅读研讨促进分子生物学学习的实践研究

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基础医学教育 2024年第3期26卷 200-203页

作者：陈雨珊陈依文王冰颖胡斐斐吴勉云赵雪花武汉科技大学医学院生物化学教研室武汉430065

分子生物学是生物医学专业本科生的重要基础课程。为了提高学生的学习兴趣和积极性,武汉科技大学生物化学教研室设计了一项综合翻转文献阅读研讨计划来促进学生主动参与课堂和思考科学问题。在教师的指导下,学生自主选题检索文献并进行... 详细信息

分子生物学是生物医学专业本科生的重要基础课程。为了提高学生的学习兴趣和积极性,武汉科技大学生物化学教研室设计了一项综合翻转文献阅读研讨计划来促进学生主动参与课堂和思考科学问题。在教师的指导下,学生自主选题检索文献并进行课堂汇报,通过总结与讨论形成良好的学习氛围。通过训练学生专注阅读和口头表达的技巧,并在选定的主题领域提出研究概况,教师对学生成绩数据进行分析。结果表明学生成绩明显提高,证明翻转文献阅读研讨计划是一种有效的方式,既能通过以学生为中心提高学生参与度,又有助于提高学生文献检索、阅读、科研、表达以及团队协作等能力。

关键词：分子生物学文献阅读研讨教学改革翻转课堂课堂分享

基于新型综合干旱指数的汾河上游干旱特征分析

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水电能源科学 2023年第8期41卷 15-18页

作者：武乔赵雪花太原理工大学水利科学与工程学院山西太原030024

汾河流域旱灾具有灾情重、影响范围广的特点,对当地社会经济的发展有很大的阻滞作用,因此准确评估流域内干旱状况具有重要意义。基于SPI、SPEI、SRI三种干旱指数,用泰森多边形进行数据分组,通过Caussian Copula函数构建新型综合干旱指数... 详细信息

汾河流域旱灾具有灾情重、影响范围广的特点,对当地社会经济的发展有很大的阻滞作用,因此准确评估流域内干旱状况具有重要意义。基于SPI、SPEI、SRI三种干旱指数,用泰森多边形进行数据分组,通过Caussian Copula函数构建新型综合干旱指数CI,用M-K趋势检验法对CI年序列进行趋势检验,并由游程理论提取干旱特征。研究发现,CI可以很好地对水文干旱和气象干旱同时做出响应。年尺度CI序列的M-K趋势序列数为-3.78,汾河上游有向干旱发展的趋势。1970年发生的干旱强度最小,为0.06;2013~2016年4年连旱,干旱强度最大为2.66。

关键词：综合干旱指数 Copulas函数水文干旱气象干旱汾河上游

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基于小世界复杂网络的水文诊断模型仿真

计算机仿真 2022年第4期39卷 477-481页

作者：裴源博赵雪花太原理工大学水利科学与工程学院山西太原030024

为便于准确预测未来水文信息,提出基于复杂性理论的非一致性水文序列突变诊断方法。分析水文突变驱动因子,包括自然变化、气候变化与人类活动等,从概率分布、均值、方差与变异系数多方面表现水文序列突变统计特征。结合复杂性理论,将诊... 详细信息

为便于准确预测未来水文信息,提出基于复杂性理论的非一致性水文序列突变诊断方法。分析水文突变驱动因子,包括自然变化、气候变化与人类活动等,从概率分布、均值、方差与变异系数多方面表现水文序列突变统计特征。结合复杂性理论,将诊断模型抽象为一个复杂网络,分别计算最短路径、集聚系数与节点介数,构建一个介于规则和随机之间的小世界复杂网络模型。采用最小二乘算法确定模型目标函数,设置约束条件,获得最优分段线性方程,考虑变异点存在的连续性特征,计算变异点置信的上、下限,更加准确地判断变异点位置,实现水文序列突变诊断。仿真结果证明,上述方法诊断结果与历史资料具有高度相似性,可为后续水文系统分析提供决策依据。

关键词：复杂性理论非一致性水文序列突变诊断最小二乘算法