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基于深度强化学习的水质模型参数率定

环境科学学报 2024年第7期44卷 271-280页

作者：白冰董飞彭文启刘晓波中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100038 水利部京津冀水安全保障重点实验室北京100038

为提高水质模型参数率定的精度,避免局部最优及异参同效等现象,提出一种基于深度强化学习的水质模型参数率定方法.通过深度确定性策略梯度算法(DDPG)求解水质模型参数率定这一优化问题,并设置单参数、多参数率定等不同情景对比分析DDPG... 详细信息

为提高水质模型参数率定的精度,避免局部最优及异参同效等现象,提出一种基于深度强化学习的水质模型参数率定方法.通过深度确定性策略梯度算法(DDPG)求解水质模型参数率定这一优化问题,并设置单参数、多参数率定等不同情景对比分析DDPG的参数率定效果及其影响因素.结果表明:(1)DDPG参数率定的相对误差小于1.5%,率定效果良好;(2)根据DDPG参数率定结果能够完成参数的敏感性分析;(3)DDPG参数率定主要影响因素有奖励函数设置、动作选择时噪声的设置、神经网络训练情况等.该方法能够准确地完成水质模型的参数率定,并适用于各类水质模型,为水质模型的参数率定提供了一种可靠的方法.

关键词：机器学习深度强化学习水质模型参数率定

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海河流域地表水资源衰减归因与规律

中国科学：地球科学 2024年第5期54卷 1573-1587页

作者：王庆明赵勇王浩翟家齐张越何凡刘蓉马梦阳流域水循环模拟与调控国家重点实验室中国水利水电科学研究院北京100038 水利部京津冀水安全保障重点实验室北京100038 水利部水利水电规划设计总院北京100120

1956~2016年海河流域是全国十大一级流域中地表水资源衰减最剧烈的流域.本研究基于地表水循环过程,结合海河流域降水及下垫面历史演变特征,将地表水资源衰减原因解耦为6项主要影响因素,逐项解析各因素的定量贡献,并揭示了海河流域地表... 详细信息

1956~2016年海河流域是全国十大一级流域中地表水资源衰减最剧烈的流域.本研究基于地表水循环过程,结合海河流域降水及下垫面历史演变特征,将地表水资源衰减原因解耦为6项主要影响因素,逐项解析各因素的定量贡献,并揭示了海河流域地表水资源衰减的四大规律.一是主导因素规律,1980~2000年较1956~1979年流域地表水资源衰减117亿m^(3),降水变化是主导因素,贡献为70亿m^(3),占比为59%;2001~2016年较1980~2000年流域地表水资源衰减49亿m^(3),山区植被增加是主导因素,贡献为27.8亿m^(3),占比为56%.二是空间分布规律,2001~2016年较1956~1979年,山区受植被增加影响更大,如滦河山区,植被增加贡献为42%,平原区受农田拦蓄影响更大,如北四河下游平原,农田拦蓄贡献为51%.三是衰减趋势规律,2001~2016年较1980~2000年,受大规模植被恢复耗水增加影响,山区地表水资源仍在持续衰减,而平原区下垫面变化对地表水资源的影响已趋于稳定.四是可逆性变化规律,地表水资源衰减影响因素中,植被增加、农田拦蓄、城市化等人类活动对地表水资源衰减的贡献占36%,是降水-径流关系变异的主要原因.本研究改进了传统气候变化和人类活动两大归因分类模式,基于水循环过程解析了海河流域水资源衰减的原因及贡献,可为流域制定水资源衰减应对措施提供科学支撑.

关键词：海河流域地表水资源解耦归因定量贡献衰减规律

河南省黄河流域水资源-经济社会-生态环境协调发展评价及驱动因素分析

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中国农村水利水电 2024年

作者：吕铖吕素冰焦天一赵衡王富强邵薇薇华北水利水电大学河南省黄河流域水资源节约集约重点实验室中国水利水电科学研究院水利部京津冀水安全保障重点实验室

持续的强人类活动改变了水资源、经济社会和生态环境之间的互馈关系，影响了区域可持续发展。为探究河南省黄河流域水资源-经济社会-生态环境协调发展状况，识别协调发展的驱动因素，本研究基于协同学和随机森林模型改进了传统耦合协调... 详细信息

持续的强人类活动改变了水资源、经济社会和生态环境之间的互馈关系，影响了区域可持续发展。为探究河南省黄河流域水资源-经济社会-生态环境协调发展状况，识别协调发展的驱动因素，本研究基于协同学和随机森林模型改进了传统耦合协调度模型，计算了河南省黄河流域2011-2022年水资源-经济社会-生态环境的综合发展指数和耦合协调度，采用核密度估计揭示其时空演变特征，利用地理探测器模型分析协调发展的驱动因素。结果表明：研究期内各系统综合发展指数均呈不同程度的增长趋势，但存在一定的异质性，水资源、经济社会和生态环境系统分别呈现出“西高东低，南高北低”、“中心带动周边，边缘发展缓慢”、“上游优于下游，西南优于东北”的空间非均衡格局；水资源-经济社会-生态环境协调发展水平向好趋势显著，各城市间空间异质性明显，呈现出“区域齐升，南高北低，西高东低”的演化特征；自然禀赋、经济基础以及人居环境是协调发展的主要驱动因素，各因子之间关系日益紧密，交互类型呈现向“非线性增强”转化趋势。本研究创新性地提出了协调发展评价的新方法，并对其科学性进行了验证，为深入剖析河南省黄河流域水资源、经济社会与生态环境的协调发展状况提供了有力工具，对于促进区域可持续发展具有一定的实践指导意义。

关键词：水资源-经济社会-生态环境协调发展随机森林地理探测器河南省黄河流域

基于复杂种植结构多情景分析的灌区多目标多水源优化配置

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农业工程学报 2024年第13期40卷 58-67页

作者：王光耀杜丽娟樊煜雷波徐征和中国水利水电科学研究院水利研究所济南大学水利与环境学院中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室

为改善多水源灌区农业用水供需矛盾，通过合理调整种植结构，优化灌区水资源配置，该研究以河北省邯郸市漳滏河灌区为研究对象，将农业灌溉缺水量最小和农作物经济效益最大作为目标函数，兼顾灌区生态安全约束，构建了基于种植结构优化... 详细信息

为改善多水源灌区农业用水供需矛盾，通过合理调整种植结构，优化灌区水资源配置，该研究以河北省邯郸市漳滏河灌区为研究对象，将农业灌溉缺水量最小和农作物经济效益最大作为目标函数，兼顾灌区生态安全约束，构建了基于种植结构优化的多目标多水源优化配置模型，针对作物熟制、作物种类、种植制度以及灌溉方式设置了8种不同的种植结构优化情景，通过自主改进的基于精英策略并协遗传算法（NSGAⅡ-S）对模型求解，获得不同情景下的水资源优化配置方案。结果表明：应用模型进行水资源配置后，各情景配水总量均有所减少，其中水库配水量高于其他水源的配水量，水库水、引黄水和引江水均达到用水总量控制目标，民有分区的各计算单元间的配水量变化明显，总配水量高于滏阳河分区；适当压减主要依靠抽取地下水灌溉的冬小麦的播种面积，变灌溉农业为旱作雨养农业，可以极大地减少地下水用量，增加灌区经济效益；最佳的种植结构优化方案为CS4（削减冬小麦的种植面积，种植苜蓿，灌溉方式采取管灌或喷灌），该方案冬小麦播种面积压减17.10%，地下水开采量减少了16.42%，灌区的经济效益增加了26.41%，在保证配水总量最小的同时，具有更高的经济效益。该研究所构建的多目标多水源优化配置模型和作物配水结果可为类似地区的水资源配置提供参考。

关键词：水资源灌溉农业多水源多情景多目标种植结构

上海城区动态洪水风险图应用系统及典型暴雨内涝分析

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水利水电技术（中英文） 2024年第3期55卷 61-76页

作者：王静李娜中国水利水电科学研究院北京100038 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心(水旱灾害防御中心) 北京100038 水利部京津冀水安全保障重点实验室北京100038

【目的】为了提高沿海超大城市对洪涝灾害的先知先觉能力,快速预测分析洪涝潮组合影响下的淹没风险时空分布,【方法】以水文-水动力暴雨洪水分析模型为核心模块,通过与外部的气象精细化降雨预报数据库、自动雨量站实时监测数据库及实时... 详细信息

【目的】为了提高沿海超大城市对洪涝灾害的先知先觉能力,快速预测分析洪涝潮组合影响下的淹没风险时空分布,【方法】以水文-水动力暴雨洪水分析模型为核心模块,通过与外部的气象精细化降雨预报数据库、自动雨量站实时监测数据库及实时水情、闸泵运行数据库相关联,研发了上海城区动态洪水风险图应用系统。采用由雨量站点到气象格网和水力网格的降雨二级空间融合技术,实现了模型与气象预报降雨数据的有效耦合。利用数据挖掘提取和GIS空间分析技术构建了包含10项洪水风险要素要点的城市内涝预报专报自动生成方法,实现了对内涝风险的快速一站式概览。利用系统可以对城市暴雨、河道洪水和风暴潮等单一发生或遭遇组合引起的淹没分布进行快速实时预报计算,模拟和预测城市洪涝潮灾害的有关淹没特征数据和淹没动态过程。【结果】利用系统分析了2023年6月23—24日暴雨的内涝风险分布,将模型模拟的积水区域与积水监测站、灾情直报和热线灾报的积水点进行对比,结果显示在150处对比积水点中,有129处误差不超过20 cm,占86%。模型模拟的积水空间分布与实际情况基本接近。【结论】结果表明:系统满足汛期常态化、业务化运行需求,能够为城市洪涝风险的实时动态分析和防汛指挥决策提供重要工具。

关键词：动态洪水风险图暴雨洪水分析模型内涝预报洪水预报积水 GIS 数据挖掘专报

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缺水胁迫区水系统优化调控理论与模式

极端降雨下地下空间淹水对城市内涝过程的影响研究

水利学报 2024年第2期55卷 202-213,225页

作者：赵勇常奂宇李海红秦长海何凡曲军霖中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京 100038 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京 100038 天津师范大学京津冀生态文明发展研究院天津 300387

开展水系统优化调控是实现缺水胁迫区人-水-生态和谐可持续发展的关键措施之一,对于保障地区经济社会稳定发展和生态健康具有重要意义.本文以京津冀作为典型缺水胁迫区案例,通过解析水系统内涵,总结得出缺水胁迫区水系统存在深度耦合、... 详细信息

开展水系统优化调控是实现缺水胁迫区人-水-生态和谐可持续发展的关键措施之一,对于保障地区经济社会稳定发展和生态健康具有重要意义.本文以京津冀作为典型缺水胁迫区案例,通过解析水系统内涵,总结得出缺水胁迫区水系统存在深度耦合、强烈竞争和系统失衡三大现象,发现水系统呈现非稳态和稳态之间交替演进的模式,并通过构建水系统稳态指数,研判了京津冀地区水系统状态变化发展过程.研究以实现自然社会水系统健康为调控目标,提出缺水胁迫区水系统"高内聚-低耦合"解耦式调控模式,结合京津冀现实状态,在需求侧开展"保障刚需-压缩弹性-抑制奢侈"层次化调控,在供给侧进行"自然水网-人工水网-虚拟水网"适配性优化,提出京津冀"三线七河、四区八源"一体化水网布局,进而实现水系统的整体健康.

关键词：缺水胁迫区水系统演进机制调控模式

来源：博看期刊评论

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应用基础与工程科学学报 2024年第2期32卷 349-364页

作者：宋天旭刘家宏梅超王佳张克寒石虹远中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100038 水利部数字孪生流域重点实验室北京100038

极端降雨会引起城市内涝,造成地面严重积水,从而威胁城市地表及地下空间的生命财产安全.当前水动力模型涉及地下空间的模拟较少,地下空间设防高度对城市内涝时空分布特征的影响分析还存在不足.针对以上问题,以郑州市二七区主城区在“7... 详细信息

极端降雨会引起城市内涝,造成地面严重积水,从而威胁城市地表及地下空间的生命财产安全.当前水动力模型涉及地下空间的模拟较少,地下空间设防高度对城市内涝时空分布特征的影响分析还存在不足.针对以上问题,以郑州市二七区主城区在“7·20”特大暴雨事件中的内涝过程为例,构建了考虑地下空间淹水的城市内涝模型.模拟了在地下空间不同设防高度下,城市内涝时空分布特征.研究结果显示:(1)构建的地下空间淹水模型具有一定物理机制,参数可量化,且计算简便,适用于大范围考虑地下空间淹水的城市内涝模拟;(2)不考虑地下空间淹水会使地表内涝风险被高估,高风险与超高风险面积之和将会增大10.7%;(3)当设防高度增加10cm时,城市地表的积水最大深度提高10.0%,流速增加2.3%,高风险与超高风险面积增加3.4%.这一结果表征了地下空间设防高度对城市内涝过程的影响机制与规律,为科学设置设防高度,有效防控城市地表-地下整体内涝风险提供了参考和依据.

关键词：极端降雨 “7·20”暴雨城市内涝地下空间地表-地下联合模拟风险评估设防高度

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输水管线空气阀进排气孔径的合理选择

水利学报 2024年第5期55卷 537-548,563页

作者：杨开林流域水循环模拟与调控国家重点实验室中国水利水电科学研究院北京100038

输水管线空气阀进排气孔径的选择,包括防水锤型空气阀低压进排气孔、缓冲板小排气孔和高压微量排气孔,不仅影响输水的安全性,而且严重影响工程投资。为了合理选择各种类型空气阀进排气孔径,本文首先提出了气体流量与流量系数、孔径、气... 详细信息

输水管线空气阀进排气孔径的选择,包括防水锤型空气阀低压进排气孔、缓冲板小排气孔和高压微量排气孔,不仅影响输水的安全性,而且严重影响工程投资。为了合理选择各种类型空气阀进排气孔径,本文首先提出了气体流量与流量系数、孔径、气压的函数关系,以及输水管液柱弥合水击压力与输水管直径、水击波速和空气阀流量改变量的函数关系;然后,建立了空气阀进排气孔径与输水管线充水和排水流速、负压控制要求及水击压力之间的函数关系,同时考虑了管材刚度和位置高程的影响。最后,分别以重力流输水管线和泵站加压输水管线为例,应用所得理论公式分别计算确定了复合式空气阀和防水锤型空气阀进排气孔孔径,结果表明按照本文公式确定的空气阀进排气孔径,不仅比按照常规经验确定的空气阀孔径小得多,而且可以有效削减输水管的液柱弥合水击压力。

关键词：空气阀进排气孔径水击压力充水排水事故断电

考虑多种作用效应的表面防渗聚脲涂层非线性分析及设计

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水利学报 2024年第4期55卷 437-448页

作者：李炳奇张继磊刘小楠孟天一中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100038

聚脲与聚氨酯相比,具有绿色环保、耐久性好、力学性能优异、施工面适应性强等优势,聚脲基防渗层被广泛应用于水工结构中。鉴于防渗聚脲尚无成型的结构设计计算理论,惯常采用的经验性设计可能会导致不安全、不合理、不经济的设计结果,本... 详细信息

聚脲与聚氨酯相比,具有绿色环保、耐久性好、力学性能优异、施工面适应性强等优势,聚脲基防渗层被广泛应用于水工结构中。鉴于防渗聚脲尚无成型的结构设计计算理论,惯常采用的经验性设计可能会导致不安全、不合理、不经济的设计结果,本研究通过探讨聚脲基表面防渗涂层非线性分析的关键理论,基于有限单元法建立了非线性数值模型。在涂层基面开裂、水压荷载作用、伸缩缝变形等不同受力工况下,通过对材料的受力变形行为、剥离行为、破坏模式等分析,总结了涂层受力变形规律,并基于分析结果,提出表面防渗聚脲设计流程。研究表明:对于水压作用下的涂层基面开裂工况,涂层最大应力随水压荷载、粘结强度增大而增大,随开裂宽度变化不显著,涂层剥离长度随粘结强度增大而减小,随开裂宽度增大而增大;对于伸缩缝变形工况,涂层剥离长度均随涂层厚度增大而增大,涂层剥离长度随伸缩缝变形量增大而增大,随粘结强度增大而减小,剥离长度随水压荷载变化趋势不显著;涂层最大应力随涂层厚度增大而减小,随粘结强度增大而增大,随水压荷载增大而逐渐增大。最终基于数值分析结果提出了考虑伸缩缝变形工况下的聚脲涂层结构设计方法,形成设计流程并计算机软件化。

关键词：聚脲涂层基面开裂伸缩缝变形数值分析涂层结构设计