南水北调中线冬季冰情变化特征及输水能力提升策略研究

南水北调中线工程冰期输水能力受限已成为制约工程安全运行和社会效益发挥的巨大障碍。认识和辨析通水以来中线干渠冬季水温冰情演变规律及影响机理,是中线干渠冬季输水能力提升亟需解决的关键问题。本文基于2011—2023年中线干渠连续12个冬季的气象、水力、冰情等原型观测资料,分析了中线干渠水温冰情时空分布本底和特征规律,明晰了影响中线干渠冰凌生消的关键因素,针对性提出了冬季输水能力提升的相关应对策略。分析表明:通水以来冰情发生的范围和时间相比理论预想偏小、偏短,冰凌影响区为七里河倒虹吸至北拒马河暗渠段,冰塞风险区为滹沱河倒虹吸至北拒马河暗渠段,多年平均冰厚15 cm,历史极端冰塞厚2.9 m,冰凌壅水最高值0.73 m;干渠冬季水温由南向北递减,依次出现岸冰、流冰和冰盖,日均气温转负后相应的断面平均测量水温在2.5、1.0和0.25℃左右,且沿程水温下降速率与流量和气温呈负相关,即增大输水流量可减缓水温下降速度;影响冰凌生消的关键因素是气温、流量、太阳辐射和风速,典型年如2016年的严重冰情与1月低累计负积温、大输水流量和短时寒潮叠加有关,漕河等渡槽失温快产冰量大与风速密切相关。基于上述分析,未来可考虑结合气象、水情、冰情实时监测和智能预警预报,建立水温-水量-水力协同调控和动态调度技术体系,重点从缩短冰期输水时长、降低冰情影响范围、优化关键控制指标和挖潜渠道防冰塞性能等多方面全面提升南水北调中线工程冬季输水能力。

双校正模式下的大清河流域陆气耦合洪水预报研究

基于数值大气模式WRF、三维变分数据同化WRF-3DVar、河北雨洪模型以及实时校正模型ARMA,在北方半湿润半干旱地区的大清河流域构建了陆气耦合洪水预报系统,并利用2012、2013年发生的3场降雨洪水,对系统的降雨洪水预报结果进行分析。结果表明:雷达反射率与GTS数据的同时同化,可有效改善数值大气模式对中小尺度流域的降雨预报效果,从而降低系统的洪水预报误差,ARMA模型的应用,能够进一步提升系统的洪水预报精度,随着预见期的延长,系统的预报精度下降,但系统在6h预见期内仍表现出较好的应用效果。因此,在数据同化和实时校正的"双校正"模式下,陆气耦合洪水预报系统在延长洪水预报预见期的同时,具有较高的洪水预报精度,具有一定的应用前景。

鸭绿江流域历史及未来降水时空演变特征分析

鸭绿江流域横跨中国与朝鲜两国,该流域的降水等气候要素变化对预防洪水和干旱风险至关重要。然而,目前关于该流域降水特征的研究,尤其是基于最新气候变化模式CMIP6的成果较少。本文基于ERA5-Land再分析数据集和最新的CMIP6中8个模式、3个情景的降水数据,采用M-K检验和Morlet小波分析方法,分析鸭绿江流域历史和未来降水特征。结果表明:(1)该流域朝方侧历史时期(1950—2022)多年平均降水量略高于中方侧,流域内年降水无显著变化趋势。(2)流域历史降水存在29年和49年两个周期,其中49年为第一主周期。(3)流域未来(2025—2100年)年降水呈显著增加趋势,且存在由东南到西北逐渐减小的空间分布特征,朝方侧年降水大于中方侧,且未来近期(2025—2060)和远期(2065—2100)年降水变化趋势存在明显差异。(4)未来三个情景的年降水周期特征较为接近,第一主周期均为52年。研究可丰富基于CMIP6的研究成果,为鸭绿江流域的防洪抗旱管理提供科学参考。

基于Vortex模型分析金沙江水电开发对圆口铜鱼种群生存力的影响

圆口铜鱼(Coreius guichenoti)是长江上游特有鱼类,研究金沙江梯级水电开发背景下圆口铜鱼种群生存力变化对该物种的保护具有重要意义。Vortex模型在传统种群评估方法的基础上,引入种群年龄结构、繁殖体制、性比等因素,并考虑了环境、灾害、遗传等随机性对种群的影响,可模拟种群数量和生存力变化特征,是一种应用广泛的种群生存力分析模型。基于1981—2021年金沙江圆口铜鱼资源调查数据,采用Vortex模型构建了金沙江中下游干流大规模水电开发前、后两个时期圆口铜鱼种群生存力分析模型,考虑了水电开发下,水温、流速等环境变化对圆口铜鱼种群的影响,对比了两个时期圆口铜鱼种群数量、结构及生存力等。结果表明:水电开发前,严重过度捕捞对圆口铜鱼种群产生了显著威胁,10年内种群数量下降了12.5%,百年内种群内禀增长率为0.085,种群的生存和繁殖能力较稳定,灭绝概率为1%;水电开发后,10年内种群数量下降了42%,百年内种群内禀增长率降至-0.087,灭绝概率增大至36.1%,种群平均灭绝时间为83.7年,圆口铜鱼抵抗环境干扰的种群恢复能力降低,种群生存力受到影响。

变化环境下气象水文预报研究进展

随着全球气候变化、下垫面改变及高强度人类活动的不断加剧,流域降水、蒸发、径流等气象水文要素都受到直接性的影响,水文序列的一致性假设不复存在。在变化环境下,传统径流预报方法适用性逐步变差,从而对气象水文的精准预报带来挑战。本文分别从气象水文预报的各个环节——多源降水数据融合、数值天气预报、流域水文模型、参数率定、数据同化、集合预报等方面综述了变化环境下的气象水文预报的研究进展。可以看到,国内外学者围绕上述技术都开展了大量研究,并取得了大量成果。未来针对变化环境下气象水文预报研究,将主要围绕以下方向开展:(1)落地和预报降水精度及时空分辨率的进一步提高;(2)水文模型结构的改进及不确定性分析;(3)水文预报误差的描述方法及其可靠性。

水电站下游鱼类产卵场水温的人工神经网络预报模型

丰满电站下游松花江水文站河段分布有一系列鱼类产卵场,电站拟通过分层取水调控下泄水温,改善下游鱼类生存环境。该文基于大量实测数据分析,建立了松花江站水温的人工神经网络预报模型,通过输入上游吉林水文站的水温与流量,以及地区气象条件,可计算出下游松花江站2日后的水温变化。根据中长期天气预报数据与电站泄流计划,采用该模型通过2日递推的方法,可预测出下游鱼类产卵场的水温变化过程。运用2006-2013年实测数据对网络模型进行训练,然后对2014年松花江站水温变化过程进行计算,计算值与实测值的变化过程甚为吻合,相关系数为0.992,水温平均误差为0.51℃。在水温生态调度运行期间,根据产卵场水温变化的预报数据,可适当调控电站下泄水温,保持适宜的鱼类产卵条件。

牧区水-土-草-畜平衡调控模型建立与应用

针对牧区水资源短缺、水土资源不匹配、草畜平衡矛盾突出及生态环境脆弱的问题,该文在分析现有研究对牧区水-土-草-畜平衡调控研究不适应的基础上,构建经济效益与生态效益统一度量的牧区水-土-草-畜平衡调控模型,并在内蒙古自治区鄂托克前旗进行实例应用,以牲畜饲养过程中灌溉人工草地和天然草地耦合比例建立调控方案集,分析水土草资源开发与经济生态综合效益响应关系,结果表明随牲畜补舍饲时间增加灌溉人工草地种植面积增加,区域发展限制因素逐渐由天然草地限制过渡为水资源限制,研究区土地资源丰富,水资源是控制区域水-土-草-畜平衡发展的关键因子。到2030年鄂托克前旗水-土-草-畜平衡调控阈值主要指标为水资源开发利用量控制在2.66亿m^3,灌溉面积控制在4.24～4.31万hm^2之间,灌溉人工草地开发规模控制在3.04～3.42万hm2之间,牲畜饲养量控制在113.54～118.85万羊单位之间。模型为定量化研究牧区水-土-草-畜平衡调控阈值提供一种新的思路与手段。

深圳河流域城市化对河流水文过程的影响

深圳河流域是典型的高速及高度城市化区域。基于1988—2006年长时间序列降雨资料,借助RS和GIS技术,通过SCS模型对该流域降雨径流关系进行模拟,并结合流域内常住人口污水排放分析,研究城市化对流域天然径流深、下垫面径流系数和年径流总量的影响。研究结果表明:20年来深圳河流域土地利用结构由农业用地迅速向城市建设用地转化,流域人口增加导致排河污水量增幅达到2.56倍;天然径流深呈现逐年上升趋势,并且与降雨量表现出较高的相关性,依据M-K突变分析得到1993年为天然径流深突变年份;土地利用导致径流系数向高值发展,但强降雨弱化了径流系数对于径流量的影响;年径流总量整体呈现增大趋势,主成分分析表明降雨是影响径流总量的主要因素,但流域土地利用和人口的城市化效应不可忽略。

北京市门头沟流域“23·7”特大暴雨洪水过程分析

2023年7月,京津冀地区发生历史罕见特大暴雨,造成北京门头沟区等地出现特大山洪和城市内涝灾害。门头沟流域面积仅37 km2,无常设水文监测站,给洪水分析和灾害复盘带来挑战。结合关键断面的洪水视频监控数据,通过灾后现场调查、测量,结合数字流域模型模拟等,推算得到门头沟流域7月31日最大洪峰流量为512.6 m3/s。洪峰通过期间,控制流域面积90%的中昂时代广场西北跨河桥三孔箱涵的过流能力为215.0~308.9 m3/s,远低于断面最大洪峰流量。建议下一步灾害重建时全面复核北京门头沟、房山等城区山洪沟跨沟桥梁的设计过流能力,考虑极端暴雨洪涝风险,适当提高跨沟桥涵的过流能力,避免因洪水溢流蔓延而造成严重损失。

沟灌地表水流与溶质动力学耦合模拟及验证

沟灌地表水流与溶质动力学耦合模型可为沟灌施肥系统的优化设计与管理提供有力工具,然而已有相关模型无法考虑沟底相对高程随机分布,且存在溶质对流和弥散过程的分裂误差以及由此带来的不稳定性等缺陷。为此,该文采用守恒型全水动力学方程和对流-弥散方程描述沟灌地表水流与溶质运动过程,借助双时间步法和有限体积法,并在地表水位相对高程梯度向量离散式中引入额外项,以精确模拟考虑沟底相对高程随机分布下地表水流推进与消退过程,实现了无条件稳定性下对沟灌地表水流与溶质运动所有物理过程的动力学耦合模拟。借助全程、前半程和后半程施肥时机下9个典型沟灌施肥试验实测数据,验证了模型的模拟效果。结果表明,模型能以优良的拟合度模拟出考虑地表相对高程随机分布下沟灌地表水流推进与消退过程,以及地表溶质浓度演变过程,且水量与溶质量的质量守恒误差小于0.1%,有效克服了已有模型的缺陷,为沟灌施肥系统的优化设计与管理提供了优良的数值分析工具。

数字孪生流域研究及建设进展

调研分析了数字孪生流域建设进展和研究现状,介绍了数字黄河、数字孪生技术、数字孪生流域的发展脉络,梳理了近年来信息化基础设施、数字孪生平台、水利业务应用系统方面主要进展,提出了数字孪生流域未来研究方向,可为数字孪生流域建设和技术研究提供参考。

河渠冰水力学、冰情观测与预报研究进展

冰情预报是进行防凌指挥、调度、决策的重要科学依据,也是一项复杂的系统工程,涉及冰水力学、热力学、气象及人工智能等学科。本文回顾了近几十年来冰水力学基础理论、模型实验和原型观测、冰情预报等方面的研究进展,包括:冰盖下流动的糙率计算,冰盖、冰塞、冰坝形成发展的理论研究及数值模拟,模型实验、原型观测典型成果,探地雷达、超声波技术、摄影、摄像、遥感、无人机航拍等现代冰情观测技术的发展与应用等。在此基础上,总结和归纳出研究现状及存在的一些急需解决的科学问题。

水对岩质边坡倾倒变形影响的DDA模拟

大量工程实例表明,水位变动与水库库岸岩质边坡的变形失稳有紧密联系。本文基于非连续介质力学的DDA(Discontinous Deformation Analysis)方法,采用经典的Goodman倾倒模型,对边坡进行倾倒变形及失稳过程模拟,分析了岩质边坡倾倒变形的机理、影响因素,变形稳定和整体失稳的控制条件。在此基础上,考虑水的浮托力和渗透力的作用,模拟了水对岩质边坡倾倒变形的触发作用以及水位变动对变形的影响,分析了水对岩质边坡安全系数的影响。模拟结果显示,发生倾倒变形的安全系数远小于整体稳定安全系数;坡脚的稳定性对边坡的整体稳定起控制作用,坡脚的滑移是边坡发生倾倒变形的必要条件;水的作用降低了坡脚的稳定性,一定条件下是边坡进一步发生倾倒变形的触发因素。

水土保持碳汇内涵与测算方法

水土保持深刻改变着地表覆被和结构、土地利用方式和陆地生态系统结构等,是增强陆地碳汇能力的重要途径。以水土保持林草、工程和耕作措施为切入点,按照“机理阐述—模型构建—分类测算”的总体思路,阐明水土保持碳汇内涵,明确了水土保持碳汇途径,构建水土保持碳汇测算方法,估算全国水土保持碳汇量。结果表明:水土保持具有垂向碳增汇、横向保土固碳(减少侵蚀土壤横向输移导致的碳流失)与减蚀减碳(避免碳排放)的多重功能。2021年,全国现存水土保持措施垂向碳增汇总量为1.54亿t,对陆域碳汇的贡献约43.5%~56.5%,其中林草措施植被和土壤碳汇量超过95%。水土保持保土固碳作用显著,2021年全国水土保持措施保土固碳总量为3 040.86万t,且具有明显的累积效应和长效作用。总体来说,2021年水土保持碳增汇(不包括水土保持林草措施植被碳汇量和土壤碳汇量)和减碳量为5 115万~6 230万t CO_(2),约占到全国现有陆地生态系统碳中和总量的4%~6%,这一部分尚未纳入国家碳汇核算体系,其应是实现“双碳”目标的重要环节。

近岸水母聚集的水动力机制最新研究进展

水母近岸聚集直接威胁滨海核电取水安全,并给沿岸旅游业、渔业和近海生态环境带来严重负面影响,开展水母运移研究对海岸防灾和生态保护具有重要意义。水母的运移分布主要由环境流驱动和其游泳行为主导。综述了国内外水母研究的最新进展,包括近岸水母聚集与动力环境的相关性、流体中水母个体的受力运动分析、动力环境中的水母生态行为和水母运移的数学模型研究。未来水母研究应致力于阐明水母近岸聚集的动力环境(波流、海风);揭示流动环境中水母被动输移力学机制;明晰水母在不同动力环境下的游泳行为;建立耦合动力输移和生物生态行为的水母运移精细化模型,为水母聚集致灾相关研究提供理论依据,为暴发性海生物入侵风险评估和近岸防灾预报提供技术支撑。

双击水轮内流道波能捕获装置研究

高效率波能发电系统的研究能够解决我国海岛的能源短缺问题。针对我国海浪谱主频带的频率较高,且能量显著集中在某一频带内的特点,选取基于双击转子的波能捕获系统,结合内流道的设计,水体的固有频率能够随着入射波频率的变化而变化,从而吸收海浪谱主频带内的波能。系统具有以海水为工作介质,发电环节选取直驱式旋转发电机,漂浮式安装的特色。其研究内容为:基于波能捕获装置的宽频带设计理论,设计和优化流道,确定内流道的型面,保证波浪激励能够充分转化为流道内水体的振荡。研究的波能发电系统具有工作带宽大、能够适应中国沿海的波能状况。可以提高系统运行的效率,为波能发电系统相关领域的理论研究和实际应用奠定基础。发电装置进行了实海况试验。

水击补气式压力罐及水力瞬变仿真

空气阀常常安装在输水管检修孔侧壁,进气后部分气体就会存留在检修孔上部产生气垫式压力罐的水击防护作用。据此,提出了水击补气式压力罐装置的设计方法,即利用泵站事故断电产生的水击负压现象,通过真空破坏阀或空气阀给压力罐补气,以防止输水管发生液体汽化现象并削减水击最大压力。然后,建立了水击补气式压力罐水力瞬变数值仿真数学模型。最后,以一个实际输水工程为例,计算比较了分别设置空气阀、空气阀调压室及真空破坏阀补气式压力罐时的水击防护效果,结果表明,补气式压力罐水击防护效果最好。

山水林田湖草沙系统治理与水土保持高质量发展

[目的]中国水土流失治理已由“全面治理,重点治理”迈向“系统治理,攻坚克难”的新阶段。分析山水林田湖草沙系统治理的内涵、准则及其与水土保持的关系,旨在丰富新时代水土保持理论体系,引领水土保持高质量发展。[方法]在长期理论探索和实践验证的基础上,梳理山水林田湖草沙系统治理理念的发展过程,阐明其内涵、目标与实践准则。[结果]水土流失长期治理实践总结提升形成的以小流域为单元的综合治理技术路线是山水林田湖草沙生命共同体系统思想最朴素的实践体现。小流域综合治理的系统性主要体现为治理对象的系统协调,总体布局的系统统筹,治理措施的系统考量,治理成效的多效益兼顾,实施和管理的多部门协同和多主体参与的共治共享6个方面。水土保持高质量发展实践需要遵循的基于系统治理理念的具体举措包括:利用系统思维理解水土保持高质量发展的内涵和要求,精准诊断山水林田湖草沙系统短板及其控制性要素,构建山水林田湖草沙多层次全方位立体化防控体系,构筑完备的水土保持管理与技术保障体系。[结论]在新的历史时期,应该完整准确理解并全面贯彻落实山水林田湖草沙系统治理的理念,探索整体提升水土保持学术研究水平和治理效能的新路径、新模式、新机制。同时应结合区域或流域实际,对农田、水利、牧业、林业及生产建设活动进行全面综合系统的规划和治理,推动水土保持高质量发展。

河流水冰沙耦合模型研究Ⅰ:原理和方法

河流水沙研究一般忽略冬季河冰对泥沙输运、河床侵蚀和岸滩崩塌的影响,但北方河流如黄河等冬季冰期的防凌减灾和河道的演变均不能忽略河冰过程,亟需研究河冰全过程影响下的水冰沙耦合作用机理。本文首先总结了河冰水力学的理论发展,针对北方河流建立了二维水冰沙耦合数学模型,包括二维水沙数值模块、河冰动力学模块和岸滩侵蚀模块,并介绍了该耦合模型的求解步骤和方法。研究表明:通过三个模块间的信息传递和数据反馈,该数学模型具备模拟冰塞冰坝等极端工况下的水流变化、河冰堆积和释放、泥沙运动、河床冲淤和岸滩侵蚀等过程的能力。该模型将水沙理论和河冰理论结合起来,可用于北方河流全季节与河冰生消全过程的水冰沙耦合过程模拟,为北方河流管理提供了有力工具。

输水管线空气阀进排气孔径的合理选择

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。