本项目来源于国家自然科学基金重点项目长江上游防洪系统介尺度洪水广域预报全景调度理论与方法（No.52039004），起止时间2021.01-2025.12。本项目工作概况如下：
（一）研究成果整体情况
项目面向长江经济带高质量绿色发展的国家重要战略需求，以严重威胁长江上游水安全的防洪问题为切入点，聚焦预报调度领域国际学术前沿和热点难点问题，重点突破流域干支流多维时空洪水广域预报建模的理论障碍，力求解决防洪系统介尺度全景调度动力机制解析的关键科学问题。在项目执行期间，共发表学术专著2部、发表高水平学术论文73篇，其中，SCI刊源50篇次，EI刊源61篇次、获得发明专利授权11项、软件著作权5项；培养博士生11名，硕士生9名；组织6次学术会议交流，在国内外学术交流16人次；项目成果获省部级及以上奖项6次，并获得了国内外专家同行的认可。
研究引入了气象学、统计学、陆面水文学、控制论、信息论、系统论、优化论等跨学科理论，采用物理机理分析-基础理论研究-工程技术实践有机结合的研究方法，以流域水循环动力特性分析为基础，以多源洪水天气物理成因解析为切入点，聚焦于长江上游流域非线性降雨径流广域预报和大规模水库群防洪全景调度的理论突破和技术攻关，揭示了广域预报-防洪全景调度系统多重风险互馈、演化的内在本质规律，在此基础上进一步归纳关键科学问题，形成具有广泛适用性与普适性的预报调度的理论方法技术体系。
（二）标志性成果
1. 流域水循环动力特性与多源洪水天气物理成因及地区组成情势解析
在气候变化、水库调蓄和人类活动影响下，长江上游流域自然水循环动力过程发生了深刻变化，洪水过程也呈现非平稳、多维度、强相关、非线性等耦合特征。研究通过流域水文气象要素特征分析，研究探明了复杂非线性水循环要素的时空演变规律、突变情势、周期振荡规律及混沌动力特性；基于贝叶斯理论与Copula函数，定量描述了干支流及区间洪水的多维时空遭遇规律；在此基础上，提出了多站点日径流过程的随机模拟方法，为后续模型构建了丰富的输入背景场。
图1 流域水循环动力特性与多源洪水天气物理成因及地区组成情势解析示意图
2. 长江上游气象-水文-水库-水力耦合的径流广域预报研究
降水是水循环的重要驱动因子，也是短期水文模型的重要输入，对流域水文预报研究十分关键。长江流域水汽通量有着良好的可预报性，且与极端降雨关系密切，具有利用水汽对极端降雨进行预报的可能性。研究聚焦长江流域大气河流对极端降雨的作用机理，通过集成多源气象驱动数据，提高了陆气耦合水文模型的准确性；进一步，提出流域水库群防洪系统洪水广域预报的概念，量化流域区间径流预报的不确定性，建立了考虑区间入汇、水库调蓄影响的多断面洪水广域预报模型体系，以提高防洪全景调度决策效率。
图2 长江上游气象-水文-水库-水力耦合的径流广域预报研究示意图
3. 长江上游水库群防洪系统全景调度研究
长江流域大规模混联水库群拓扑结构复杂，干支流来水情势随机，防洪保护对象众多，防洪标准各异，防洪兴利矛盾突出，其防洪调度决策是一类多目标、多约束、高维度、强耦合和非线性的防洪全景调度复杂优化问题。针对多目标防洪优化模型求解的难题，研究提出了DP-POA-PSO混合优化算法及其优化方案，实现了模型的高效快速求解；提出了水库防洪效益的概念，进而以防洪效益最大为目标，构建了水库群防洪库容全景优化分配方法；根据协调区域防洪与整体防洪的防洪全景调度目标，构建了广域预报信息驱动的水库群实时防洪全景调度模型，最大限度保障并协调流域区域与整体的防洪安全。
图3 长江上游水库群防洪系统全景调度研究示意图
4. 长江上游防洪全景调度风险分析及调度方案多属性决策
大规模混联水库群拓扑结构复杂、防洪控制点众多，存在来水过程随机性和异步性、防洪对象多地性和多目标性以及防洪标准差异性和复杂性等工程实际难题，尤其是问题建模涉及不同目标、多重边界和复杂约束，导致水利枢纽工程综合效益持续发挥和防洪风险协调控制极为困难。研究针对水库群全景调度风险分析与决策问题，提出了数据驱动的水库调度规则提取和参数化模拟优化方法；进一步，基于随机微分方程和Copula函数构建了预报误差等不确定性扰动下的风险分析模型，揭示了水库群全景调度多重风险的演化规律；最终，建立了主客观均衡的调度方案风险决策体系，实现了广域预报下水库群全景调度的科学决策。
图4 长江上游防洪全景调度风险分析及调度方案多属性决策示意图
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