基于CKAN的水利数据共享平台研究

随着水利信息化的快速发展,数据资源越来越丰富,数据管理与共享的需求日益迫切,建设水利数据管理与共享平台成为一项十分重要的工作,然而建设一个高效实用的水利数据平台需要多学科人员的配合,工作量大,研发费用高。为解决这一问题,在总结水利数据共享的需求及总体架构的基础上,引入开源数据管理平台CKAN,并利用其开源的优势,提出了基于CKAN的水利数据共享平台技术架构,提出了基于CKAN的多源异构数据实时预览、二三维一体化展示技术、数据管理、数据上传、数据检索和权限管理的实施路径,形成了基于CKAN的水利数据共享平台快速建设方法,降低了搭建水利数据共享平台的难度和投入成本,有助于促进水利数据的共享。

环境变化的径流效应研究进展及黄河水源涵养区研究展望

针对变化环境下黄河流域实测径流大幅度锐减,严重影响流域水资源与生态安全的问题,面向黄河生态保护和高质量发展的国家重大战略需求,梳理了变化环境下径流效应研究中亟待解决的关键科学问题与关键技术。以黄河水源涵养区为对象,以环境变化的径流效应和水资源预测为核心,细化了数据集构建、机理解析、模型研发、趋势预估4项具体研究内容与研究方案。预期研究成果将揭示黄河水源涵养区水文-生态过程的互馈耦合机理、创新变化环境下生态水文的模拟和预测技术,科学预测变化环境下流域水安全和生态环境风险趋势,有效支撑流域水资源可持续利用与生态环境保护决策。

感潮河段城市湿地水动力模拟及改善方案研究

湿地具有固碳释氧、涵养水源等作用,改善水体交换能力是湿地研究热点之一,但关于潮汐变动水位条件下湿地水体调控措施的探究相对较少。以长江南京段绿水湾湿地为例,建立平面二维水动力模型,开展感潮河段城市湿地水动力模拟及改善方案研究。计算不同水文条件及闸泵调度方案下湿地流场,分析潮位变动对绿水湾湿地水动力的影响,分析不同闸泵调度措施对水体流动性的改善效果。研究表明,闸泵联合调度可使枯季大部分区域水动力明显增强,但仍存在主槽外坑塘等局部滞水区,需通过湿地植被重构的方式提高水体自净能力。对易暴发藻类的4—5月,闸泵联合调度可较好改善绿水湾内上游区域的水动力条件,对于改善效果并不明显的下游区域建议增设补水点,降低水体富营养化风险。本研究可为绿水湾湿地的设计、建设与管理提供科学依据。

城市不同下垫面降雨径流水质监测及特征研究

城市面源污染是仅次于农业面源污染的第二大非点源污染,也是影响城市水生态系统健康的重要原因。随着城市化的快速发展,下垫面改变导致城市河流洪峰增大,河流污染加剧。基于沥青屋面、砖砌路面、油毡屋面和绿地四种典型城市下垫面的5场降雨径流监测试验资料,分析了不同下垫面条件下的降雨径流污染水平、径流水质变化特征和初始冲刷效应。结果表明:(1)4种下垫面的降雨径流总氮质量浓度均属于劣Ⅴ类水;四种下垫面的总磷污染程度相对较轻,沥青屋面、砖砌路面、油毡屋面和绿地的降雨径流总磷质量浓度优于Ⅳ类水的频率分别为80%、16%、88.46%和5.56%;沥青屋面、砖砌路面、油毡屋面和绿地的降雨径流总悬浮物质量浓度分布范围分别是7~798、15~569、10~871和44~378 mg/L。(2)总氮和总磷的径流污染水平排序为:砖砌路面>绿地>沥青屋面>油毡屋面;总悬浮物的径流污染水平排序为:绿地>砖砌路面>油毡屋面>沥青屋面。(3)中雨情景下各下垫面不同污染指标变化趋势差异较大,而小雨情景下受人为活动影响较大的下垫面的各污染指标浓度较高。(4)各下垫面污染物的初始冲刷强度排序均为:总悬浮物>总磷>总氮;各下垫面的初始冲刷强度排序为:沥青屋面>油毡屋面>砖砌路面>绿地。(5)沥青屋面和油毡屋面降雨径流中的总悬浮物和总磷具有较好的同源性,而砖砌路面降雨径流中的总磷与总氮和总悬浮物都具有较好的同源性。综合而言,各下垫面总氮和总悬浮物的场次降雨径流平均浓度远超于地表水Ⅴ类水质标准,会对城市水体造成污染,可根据不同下垫面的特点采取相应措施来降低污染物浓度。

涉水桥群对河道水动力累积影响概化研究

涉水桥梁的高密度建设可能对河道产生一些不利影响。为探究桥群对河道水动力的累积影响,通过建立平面二维水动力学模型分析平原河道中桥群建设前后河道壅水高度、流速等水动力特性的变化,得到河道水动力对桥梁数量、桥梁距离的响应关系。结果表明:桥群会对上游河道形成桥前壅水和墩前冲高,墩前冲高远大于桥前壅水,冲高影响在距桥群上游8倍墩宽的距离时几乎消失;河道水动力累积影响随桥群数量的增加而显著增加;当桥梁之间距离超过160倍墩宽时,累积影响几乎消失。因此,在桥梁建设中需合理设置桥梁数量、桥梁间距以减小桥群的累积影响。

南水北调西线工程生态环境影响及应对的关键科学问题

南水北调西线工程涉及生态环境脆弱区,减缓生态环境影响是工程可行性论证的核心问题之一。本文提出了当前西线工程调水对生态环境影响研究的实践需求,识别了新形势下西线工程在调水阈值和调水扰动的适应性调控中的关键科学问题,构建了西线工程生态环境影响及应对的总体研究框架,并提出重点研究方向:水源区水资源-水生态-经济社会协同演变机制、水源区生态环境需水评估方法与动态调配技术、变化环境下水源区水资源禀赋与可调水量阈值、调水生态补偿机制及生物入侵风险分析,以及系统视角下调水影响综合评估及方案优化等。南水北调西线工程须妥善协调生态保护与调水工程间的潜在冲突,坚持生态优先,确保综合效益在水源区与受水区公平共享。

水下修复材料的黏结强度与变形性能研究进展

介绍了常用的几种水下修复材料的性能,分析了其作用机理,强调了黏结强度和变形性能的重要性,指出了各水下修复材料在接缝修复中存在的问题及优缺点,并提出了未来重点研究方向。

基于决策树C5.0的水库防洪调度研究

水库是一种重要的防洪工程措施,科学的水库防洪调度方式是实现水库设计效益的关键。鉴于常规调度和优化调度存在的不足,以山东省跋山水库为研究对象,提出并评估了一种利用决策树C5.0算法制定水库防洪调度规则的新方法。首先,在根据实测洪水数据构建跋山水库新安江模型的基础上,采用暴雨资料进行洪水模拟;然后,以最大削峰准则为目标进行模拟洪水的优化调度;最后,由跋山水库优化调度方案生成洪水调度数据集,由决策树C5.0算法提取水库调度规则决策树,据此对4场实测洪水进行调度。结果表明:由调度规则决策树制定的调度方案可行,且比实测调度方案更优。以决策树算法制定水库调度规则的过程,可为水库实时防洪调度提供决策支持。

沿海中小河流域地表-地下水库联合调控洪水资源利用研究:Ⅱ.实例应用

以山东半岛乳山河流域为例,构建了时、日、月多时间尺度嵌套的乳山河流域地表-地下水库联合调控模型,通过对地表水库泄流、河道闸坝控制水位、地表-地下水库供水等调控规则的优化,提出了地表-地下水库联合调控洪水资源利用方案。研究结果表明:在洪水来临之前通过地表-地下水库联合调控抬升河道控制水位、加大地下水库供水比例、增加河道入渗量,可将地表水库多余水量适时转移到地下水库,腾空地表水库拦洪库容,有效增加流域洪水资源利用量;联合调控方案下,乳山河流域洪水资源的丰(2007年)、平(1994年)、枯(1967年)年,洪水资源利用量分别增加了846.96万、728.77万、106.35万m^(3),验证了地表-地下水库联合调控模型的实际应用效果。

长江口徐六泾水文站极值水位研究

在气候变化背景下,极端天气和水位事件频发。为了分析长江口极端潮位的长周期特征,研究基于极值理论相关方法,采用近33 a实测资料对长江口极值潮位趋势性和重现期进行分析,结果表明:长江口徐六泾站年极值水位呈轻微下降趋势,直接原因是大通流量减少导致当地年均海面的下降;区分组模型结果显示,台风“温妮”期间长江口造成的风暴潮位为100 a一遇,而POT模型计算结果仅为60 a一遇,100 a一遇重现期潮位约7.0 m;潮位重现期的计算本质是一种用频率代替概率、从样本推求整体的过程,具有一定不确定性。其意义在于以可获取的数据为基础,计算事件发生的风险率,旨在为工程设计或风险管理提供依据。

水利工程卫星遥感监测技术应用与展望

卫星遥感监测在弥补地面测点不足、全面感知水利工程态势变化及风险源识别方面具有优势。总结分析了光学遥感、雷达遥感监测技术特点及在水利工程中的应用现状,指出遥感影像分类识别、合成孔径雷达干涉形变测量技术在工程应用中尚存在准确度和精度不高、未与工程风险评估深度融合等问题;面向水利工程建设与运行管理的应用需求,从在建工程施工进度监督、在运工程形变精准监测及风险源识别预警等3个典型应用场景,探讨了水利工程卫星遥感监测技术的业务化应用路径,剖析了尚存在遥感监测定量化及时空分辨率不足、“天-空-地”多尺度协同监测不够的技术瓶颈,展望了水利工程遥感监测技术应用的发展方向。

重庆中心城区洪涝灾害防御与韧性提升路径

重庆中心城区现状防洪治涝短板明显,城市公共安全面临两江过境洪水、本地中小河流洪水及山洪、城市内涝的严重威胁,洪涝灾害治理具有复杂性和长期性。亟须立足山地型超大城市特点,顺应韧性城市发展潮流,将重庆中心城区打造为我国城市应对极端暴雨洪涝的标杆。为实现这一目标,重庆中心城区洪涝灾害治理应遵循“水岸统筹,洪涝兼治;刚柔并举,平战结合;科技引领,智慧驱动”的基本原则。在实现路径方面,应按照鲁棒性、可恢复性、冗余性、智慧性和适应性兼具的韧性理念,协同工程、技术、制度、经济、社会等各层面,着力构建防洪防涝韧性提升的对策集合。其重点是消除江河防洪工程薄弱环节,推进城市内涝防治迭代升级,增强城市生命线工程抗冲击能力,多功能弹性利用城市滨水空间,打造智慧防洪防涝体系,全面提升应急管理能力。

中国水工结构抗冲磨防空蚀涂料的研究及应用现状

总结了影响水电工程冲磨损坏的影响因素和水电工程结构抗冲磨防空蚀的材料种类,重点介绍了抗冲磨防空蚀涂料的耐磨性能试验方法及其影响因素、抗冲磨防空蚀涂料的种类及其应用情况,陈述了环氧耐磨涂料、聚脲耐磨涂料和耐磨混凝土的性能差异和性价比。结果表明:影响水工结构冲磨损坏的因素主要为水的冲磨角度、水的流速、悬移质颗粒大小和悬移质的含量等;用于水工结构的抗冲耐磨涂料主要为环氧树脂涂料和聚脲类涂料;影响涂料本身耐磨性能的因素为树脂的弹性和硬度、填料的种类、微米级填料的硬度和含量等;抗冲耐磨涂料主要用于水电工程排沙洞、泄洪洞和溢流面等。

关于中国水达峰几个问题的讨论

用水演变态势与需求峰值事关经济社会发展、生态环境保护大局,直接影响国家水网规划布局和重大水利工程建设。本文在水达峰内涵解析的基础上,总结了水达峰的自然社会特征和内涵,阐明了水达峰与需水、用水、缺水之间的关系,深入分析了中国统计用水量出现拐点的现象以及造成这种现象的6种可能原因,指出目前尚不能得出中国用水需求已达峰的结论。通过与国际上发达国家水达峰时人均GDP、产业结构、城镇化率等主要指标对比分析,认为中国现阶段也不具备水达峰的经济社会基础。最后指出,目前中国水资源保障安全的压力仍然较大,未来用水演变态势存在一定的不确定性,中国用水何时达峰、达峰水量是多少等结论需要进一步深入研究。需要做好国家水网工程的顶层设计,提升不同尺度的水资源优化配置能力,为国家高质量发展提供水资源保障。

永定河流域水文演变与多水源联合优化调度

水资源是保护修复永定河生态环境功能、维护河流生命健康的控制性因素。永定河流域水资源极为紧缺,且地表水资源量呈显著衰减态势。为实现紧缺严苛的水资源条件下永定河生态水量的有效保障,系统解析了流域水文演变特征,核算了分河段基本生态水量和多水源生态补水潜力,建立了耦合水资源供用耗排过程和水工程群联合运用的多水源优化调度模型,提出了常规和极端情况下的多水源生态水量调度方案和基于降水年型研判的调度方案运用方式。研究成果为有效保障永定河生态水量、提升应对变化环境的韧性提供了关键方法和模型,为华北地区其他河流生态保护修复和综合治理提供技术参考。

长距离调水工程安全风险综合评估

以某跨流域、跨多省市的长距离调水工程为例,分析工程安全面临的各类风险事件,确定两座节制闸之间的运行调度渠段为风险评估单元,发展基于层次分析法的风险综合评估模型;以一梁式输水渡槽为例,阐释建筑物风险因子识别、风险事件分析和风险等级标准划分的方法,描述风险评估过程;以该渡槽所在的运行调度渠段为评估单元,采用层次分析法进行风险综合评估;在此基础上,对其余运行调度渠段进行风险综合评估,讨论造成较大风险的主要原因。结果表明:提出的方法辨识出了较大风险的运行调度渠段,造成运行调度渠段工程安全风险综合评估结果为较大风险的因素可归结为左岸水库溃坝或超调水工程防洪标准泄洪导致的风险、交叉河道过流能力不足风险以及左排下游通道排水不畅风险等,进而有针对性地提出了风险管控措施。研究结果可为类似长距离调水工程安全风险综合评估和管控提供参考。

雄安新区水网建设研究与实践

高标准、高质量建设雄安新区,要贯彻“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路,将水作为基本底色,打造蓝绿交织、水城共融的水系网络。雄安新区设立6年来围绕白洋淀实施了水网连通工程,流域与城市水系网络基本构成;实施了13项防洪重点工程,起步区防洪标准基本达到200年一遇,初步形成的防洪体系在应对海河“23·7”流域性特大洪水中发挥了重要作用;推动治水由单一防洪保安向水资源综合利用转变,构建的梯级拦蓄系统显著增加了河道可用水量,优化调配了引黄水、引江水、上游水与再生水等水源,使得白洋淀淀区水位动态保持在6.5~7.0 m,水面面积维持在100 km^(2)以上;同时,综合推进了控源截污、河淀清淤整治等措施,将白洋淀水质提升至Ⅲ~Ⅳ类,260种野生鸟类安家落户。蓝绿交织、水城共融的雄安新区水网目前已具雏形。

水工结构变形预测模型构建与解释

现有基于机器学习算法的水工结构安全监控模型结果的可解释性较差。为提高安全监控模型的可解释性,发展一种基于集成学习算法的水工结构变形预测模型构建与解释方法。简述改进统计模型及随机森林(RF)、极端梯度提升树(XGBoost)两种常用的集成学习算法,引入沙普利值可加性解释(SHAP)方法实现集成学习算法模型结果的可解释性,阐述SHAP方法的原理和推导过程。以某运行初期特高拱坝变形数据为例验证方法的有效性和实用性。结果表明,XGBoost模型具有较高的预测精度,预测集决定系数大于0.982,改进统计模型精度次之,RF模型精度相对较低;SHAP方法可以分离不同自变量对效应量的影响大小,并能给出全局和局部的影响机制,实现模型拟合和预测结果的可解释性。提出的方法综合了“机理驱动”和“数据驱动”模型的优势,可为水工结构运行管理提供决策参考。

蒙开个地区河库连通工程的泵站运行方式研究

蒙开个地区河库连通工程包含南洞一级泵站、南洞二级泵站和长桥海泵站,研究水泵机组不同运行方式对各泵站运行能耗的影响有助于提升工程运行效益。构建了考虑定速节流运行方式和变频调节运行方式下3座泵站站内机组优化组合模型,运用标准遗传算法、精英保留遗传算法对模型进行求解,考虑变频调节装置成本,分析了改造方案的经济性。结果表明:精英保留遗传算法在求解精度上与标准遗传算法相差较小,但在求解效率上显著优于标准遗传算法,能够更好地求解蒙开个地区河库连通工程的泵站机组优化组合模型;变频调节运行方式的节能效果最为显著,各级泵站在流量范围中段存在高效节能段;当各级泵站大部分时间提水流量低于0.7 m^(3)/s或接近满带流量,无需变频改造;其他情况下改造后各级泵站能快速实现正向收益,经济效益较为明显。研究可为蒙开个地区河库连通工程的泵站节能改造提供参考。

基于遥感和通量观测的实际蒸散发时空变化特征——以黄河流域水源涵养区为例

蒸散发是地表水热平衡的关键要素,分析蒸散发的时空分布特征及其影响因素,对于深入理解区域水文循环与生态系统过程至关重要。基于通量观测站数据,评估GLEAM、MTE、GLDAS和AVHRR共4种蒸散发产品在黄河流域水源涵养区的适用性,利用水量平衡方法验证其在流域尺度上的精度,并探讨实际蒸散发的影响因素。结果表明:在站点尺度上,GLEAM蒸散发产品精度最高;在流域尺度上,校正后的GLEAM蒸散发产品与实际蒸散发的相对误差在渭河南山支流区最小,其次是兰州以上地区;1982—2015年黄河流域水源涵养区实际蒸散发整体呈增加趋势,空间分布上自西到东逐渐增加;不同植被类型年均蒸散发差异较大,阔叶林的蒸散发最大(575.2 mm),其次是农田(504.3 mm),高山草甸的蒸散发最小(358.2 mm);实际蒸散发变化主要受到太阳辐射与气温的影响。