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珠江流域不同历时极端降水雨型时空分布特征研究
李广宗;孙赫敏;苏布达;黄金龙;林齐根;陈思蓉;姜彤;【目的】全球气候变暖影响下，珠江流域极端降水特征发生改变，厘清珠江流域雨型变化特征对防洪减灾具有重要意义。【方法】利用珠江流域125个地面气象站点1979—2018年逐时雨量资料，基于百分位阈值法定义极端强降水事件，应用线性趋势法、Mann-Kendall法等方法对珠江流域极端降水的历时、雨型时空变化特征进行分析。其中，不同历时(短历时1～6 h,中历时7～12 h,长历时>12 h)极端降水雨型采用模糊识别法进行识别；降水雨型根据以下7类确定：Ⅰ—Ⅲ为单峰型，分别为前期集中型、后期集中型和中期集中型；Ⅳ为均匀型降水；Ⅴ—Ⅶ为双峰型降水，两个雨峰分别位于降水事件的前部和后部、前部和中部、中部和后部。【结果】(1)珠江流域短、中、长历时极端降水出现频次分别为65%,26%和9%;1979—2018年，不同历时降水均呈现增加趋势，且短历时极端降水增加趋势显著。(2)珠江流域单峰型降水在总降水事件的占比为90%,短历时极端降水全流域以Ⅰ型降水为主；中历时极端降水除北江流域以Ⅱ型降水为主外，其他地区均以Ⅲ型为主；长历时极端降水在西江流域中部以Ⅰ、Ⅲ型为主，其他地区以Ⅱ型为主。(3)相较前20年，1999—2018年短历时降水流域大部分地区保持Ⅰ型降水为主不变；中历时降水在珠江三角洲和东江流域大部分地区表现为以Ⅲ型降水为主向Ⅱ型降水为主转变；长历时降水在东部地区多保持Ⅱ型降水不变或Ⅱ型降水向Ⅲ型降水转变，在西部地区多保持Ⅲ型降水不变或Ⅲ型降水为主向Ⅱ型降水为主转变。【结论】珠江流域短历时极端降水频次最高，主要为前期集中型降水，大部分地区未发生雨型转变。中、长历时极端降水的雨型分布差异显著，西部以中期集中型为主，东部多为后期集中型。东部地区主导雨型多保持不变或由中期向后期转变，西部主导雨型多保持原有雨型或由后期型向中期型转变。各地区需根据不同降水类型和特征，因地制宜地加强防洪减灾措施，特别应关注长历时极端降水事件对东部地区的影响。
基于全卷积神经网络的无人机影像建筑物提取
于洋;施国武;刘斌;李霞;邢宽平;针对无人机影像建筑物自动提取时精度低、边缘精细化程度不足导致水利移民征地过程中建筑物面积统计不准确的问题,为提高无人机影像建筑物自动提取精度,利用基于跳层连接的全卷积神经网络进行无人机影像建筑物自动提取,结合无人机数据生产过程中产生的DSM对建筑物初步提取结果进行后处理,得到更加精细化建筑物的边缘。结果显示,利用基于跳层连接的全卷积神经网络进行无人机影像建筑物提取,平均Kappa系数为0.90,平均查准率为0.93;当前常用的分类模型Deeplab网络,Kappa系数为0.67,查准率0.70;Segnet网络的Kappa系数为0.75,查准率为0.79。相较于Deeplab网络Kappa系数提高了0.23,查准率提高了0.23;相较于Segnet网络,Kappa系数提高了0.15,查准率提高了0.14。利用DSM对初步提取结果进行后处理,处理后Kappa系数为0.92,查准率为0.94。对比初步提取结果,Kappa系数提高了0.02,查准率提高了0.01。结果表明,结合DSM与全卷积神经网络的无人机影像建筑物提取方法具有更优越的提取精度。
融合XGBoost和SHAP的混凝土抗压强度预测分析模型
刘聪林;李盛;崔晓宁;蔡磊;张建功;【目的】为精准预测混凝土抗压强度、突出XGBoost模型的预测优势和实现XGBoost模型的可解释功能,【方法】构建以水泥、龄期、水等8种影响因素为输入特征和以抗压强度为目标特征的1 030个样本数据集,建立支持向量回归(SVR)、随机森林(RF)和极端梯度提升树(XGBoost)机器学习算法模型,开展混凝土抗压强度预测研究,将XGBoost模型和ACI209公式的预测结果对比,同时,引入SHAP模型对XGBoost模型进行解释和分析。【结果】结果表明:XGBoost模型的预测精度最高,R2为0.952, MAE为2.48, MAPE为9.16, RMSE为3.58,但XGBoost模型对小于30 MPa的低抗压强度样本的预测误差较大,随着抗压强度的增大,XGBoost模型的预测精度提高,超限样本比例从25%下降到2.7%;与ACI209公式的预测结果相比,XGBoost模型在龄期56 d和100 d样本的预测值绝对误差率均值为4.10%,3.64%,而ACI209公式则为11.27%,17.96%。【结论】XGBoost模型适用于混凝土强度大于30 MPa的样本的预测;SHAP模型不仅可以定量地给出特征重要性排序,还能定性地给出每个特征参数是对抗压强度的影响规律,能为混凝土相关研究及其他需要对机器学习模型进行解释的研究提供参考。
水文-生态响应关系构建方法综述
葛金金;张汶海;彭文启;黄伟;渠晓东;水文-生态响应关系是生态流量研究的关键,能反映人类活动影响与河流生态环境变化之间的定量关系,研究水文-生态响应关系旨在为河流管理制定生态流量方案提供精准的生态依据。通过系统归纳构建水文-生态响应关系的常用方法,主要包括专家经验法、线性回归模型、广义线性和非线性模型、机器学习模型、贝叶斯网络模型等,并从简约性和精确性两个原则,分析了不同方法在操作难易程度、数据量及尺度需求、产出结果等适用性方面的差异,识别了常用方法实用案例结论及响应关系趋势,最后从方法选择、规律应用判断及管理者需求等方面对构建水文-生态响应关系的未来发展趋势进行了探讨。研究成果能够为河流生态流量制定提供技术支撑。
基于多尺度SPEI指数的北京市干旱时空特征分析
李小涵;潘兴瑶;杨默远;杨胜利;范海燕;张志强;北京市干旱多发,严重威胁区域粮食生产、水安全和生态安全,明确北京市干旱演变特征是应对干旱的重要措施。基于北京市境内分布较为均匀的20个气象观测站1981—2018年的逐月降水量、气温数据,采用标准降水蒸散指数(SPEI)、Mann-Kendall趋势分析、经验正交分解法(EOF)等方法分析北京地区近40 a年代际、年际、季节干旱时空分布特征。研究表明,近40 a北京地区干旱程度呈逐渐加重趋势,20世纪00年代干旱最严重,干旱频率区域平均值达到0.41次/年,与此同时,北京市干旱频率的空间格局由北高南低变化为南高北低。干旱的季节性差异明显,秋季发生干旱的频率最高,区域平均值为0.46,高值区在延庆、门头沟、昌平、大兴和通州区;夏季、冬季和春季的干旱频率次之,区域平均值分别为0.37、0.26和0.25。本研究探明了北京市近40 a来的干旱时空分布格局,研究结果可以为北京市旱情防控提供参考,为合理构建干旱预警评估系统提供数据和理论支持。
水利工程对河网连通性的影响研究——以太湖西苕溪流域为例
罗贤;许有鹏;徐光来;余铭婧;河网连通性对维护河流生态系统的结构和功能具有重要作用,水利工程可改变天然河网的连通性,直接威胁到河流生态系统的健康与稳定。利用空间分析、连续性指标以及树状河网连通性指数等方法,深入探讨了闸坝对河网连通性的影响。结果表明,树状河网连通性指数能够较为全面地分析不同数量、可通过性及地理位置的闸坝对河网连通性的影响,可以广泛应用于流域规划过程中不同方案的比较,从而为水利工程设施的选址及设计提供参考。
市政污水管网的外水水量估计与定位研究进展
庞晶津;黄棚兰;陈仪;王新端;吴军;【目的】河水、地下水和雨水等外水进入市政污水管网，将引起污水管网流量剧增、污水漫溢和污水厂污染物进水浓度偏低等一系列问题，对外水水量的估计与定位已成为提高污水管网系统运维水平先决条件。为确定工作重点并节约外水检测成本，【方法】主要介绍了市政污水管网的外水入侵途径、外水水量的评估方法、以及外水定位的技术及其相关应用，针对假设条件、精度、实施难易程度与评估成本等方面进行综合评估，全面分析了外水水量估计与定位方法的优缺点，总结了污水管网外水查找现阶段存在的问题和今后发展的方向，以攻克外水规模摸排、问题管网预判等难题。【结果】结果显示：外水水量评估结果势必存在误差，不同方法的适用条件、评估精度不一；外水定位难以实现大范围普查，存在检测难度高、技术受限等问题，外水水量估计与定位方法的择定至关重要。【结论】结果表明：污染物时间序列法虽评估费用昂贵但精度高，有望在今后工程应用中普及化；DTS的可实施性强，运维成本低，相比于传统的CCTV检测，能较为准确的反应外水入侵的动态变化，具有良好的外水定位发展前景。研究成果可作为城市市政污水管网外水量估计、定位和治理的参考。
基于深度卷积注意力时序网络的污水处理厂进水水质预测
杨利伟;屈鑫;蒙怡筱;张若愚;陈浩楠;赵传靓;赵红梅;【目的】在我国“双碳”背景下，污水处理厂进水水质的准确预测对于节能减排和降低能耗具有重要意义。【方法】针对传统污水进水水质预测方法(如人工神经网络、循环神经网络及长短期记忆网络)在处理污水水质特征的随机性和非线性时精度不足的问题，提出了一种基于卷积注意力时序网络(CAT-NN)的预测模型。该模型结合了多尺度信息融合与混合注意力机制，并采用时序解码模块，有效捕捉污水水质指标的长期趋势与短期突变特性。【结果】通过对陕西省延安市某污水处理厂进水COD、NH3-N、TN和TP四项典型水质指标数据的预测分析，CAT-NN模型展现了优越的预测性能，其均方根误差(RMSE)为4.50%,平均绝对误差(MAE)为5.00%。与传统模型(如ANN、LSTM和门控循环单元GRU)相比，RMSE和MAE分别提升了16.13%和20.00%以上。【结论】结果表明：CAT-NN模型在污水处理厂进水水质预测中具有更高的精度和更强的鲁棒性。该模型不仅为污水处理厂的精确控制与高效运维提供了有力支撑，也为实现节能减排目标提供了重要的技术保障。
系统聚类法在水库汛期分期中的应用
高波,刘克琳,王银堂,胡四一针对水库控制流域汛期分期的实际问题,研究提出了采用多因子、基于模糊相似矩阵的系统聚类分析方法,避免了以往研究采用单因子进行分析带来的片面性.文章以滦河流域为实例,选用描述流域降雨和洪水特性的6个因子,计算论域元素之间的相似系数,以构成模糊相似矩阵,然后通过系统聚类分析,进行了汛期的分期分析计算.计算结果表明,该方法更具合理性.
基于加权边连通度和复杂网络方法的多闸坝平原河网连通性分析
冯硕;赵进勇;张晶;韩会玲;付意成;彭文启;河网连通性是满足区域水资源配置、蓄水与防洪减灾、生态保护修复与景观提升需求的重要条件。为了研究多闸坝平原-廊坊市河网水系连通状况,优化廊坊市河网水系连通布局。基于图论理论,考虑河道社会属性和水利工程对河网连通度的影响,以河道分级、分类、河道上闸坝的过流能力和河段长度为边的权值,建立河网的加权邻接矩阵,应用复杂网络分析方法,得到节点和河渠在河网中重要性,计算河网的连通度。本文以廊坊市北部为研究区域,通过对廊坊市北部河网水系连通度计算,结果显示:(1)廊坊市北部最为重要的节点分别为吴村闸枢纽、白庙橡胶坝,节点重要度为5.53、4.75,重要性最大主要河道为潮白河,最大的人工沟渠为群英总干渠,河渠的重要度分别为22.98、6.56;(2)廊坊市现状河网连通度0.113 6,通过对连通布局方案连通度的定量评价结果进行优选,方案四到方案十一的连通度在[0.085 3,0.126 4],其中方案十为最优,河网连通度为0.126 4。研究成果可为北部连通布局提供依据,同时也为整个廊坊市的总体布局提供技术支撑。