基于水动力学模型的城区防洪能力评估研究

城区河道现状防洪能力的准确评估是保障城市防洪安全的基础。过去针对单一河道现状防洪能力评估的研究较多,而对于多河汇聚洪水交互复杂区域的河道防洪能力研究相对较少。金堂县城素有“千里沱江第一城”之称,却也是沱江流域受洪水威胁最严重的地区。本文针对金堂县城区“三河汇一江”的复杂交互关系,构建一二维耦合洪水分析模型,利用典型场次洪水对模型进行了率定和验证,并从河道现状堤防防洪能力、城区整体过流能力、跨河建筑物现状防洪能力等多方面开展了金堂县城区现状防洪能力评估。结果表明:构建的一二维耦合模型具有较高的模拟精度,3场典型洪水中沱江干流三皇庙水文站模拟洪峰误差均在1%以内,峰现时间误差均在1.5 h以内;城区模拟淹没范围基本与实际调查一致,模拟最大淹没水深基本与实测洪痕相符,大部分点位的模拟最大淹没水深误差在0.2 m以内;城区现有堤防防洪标准低,大部分仅满足5~10年一遇,局部薄弱段不足5年一遇;城区整体过流能力受上游洪水遭遇组合影响,三河相互顶托明显;城区多座跨河建筑物防洪能力不足20年一遇防洪标准,其中平安桥、毗河大桥分别不足5年、10年一遇防洪标准。

基于遥感指数与深度学习的黄河冰凌遥感监测识别分析

黄河流域特殊的地理位置和环境因素造就了其复杂的凌情特征,及时准确掌握凌汛期间冰凌变化规律与特点是凌汛监测防治的关键任务。卫星遥感可实现黄河冰凌的大范围快速提取,目前常用的方法有遥感指数与深度学习两类,为验证和对比不同方法对黄河冰凌遥感监测识别的有效性,基于Sentinel-2遥感数据,利用归一化积雪指数及其改进形式和U^(2)-Net等三种方法对2023年黄河宁蒙段冰凌进行遥感提取。结果表明:NDSI、MNDSI、U^(2)-Net三种方法的结果分类精度分别为83.42%、87.98%和92.01%;Kappa系数分别为0.88、0.90和0.97;三种方法均对冰凌有较好的提取效果,但指数法对于流凌、清沟等其他类型的识别效果较差,浅滩处提取的边界较为杂乱,U^(2)-Net可以精确区分出清沟,提取冰凌边界的效果更好。

水工结构材料研究的回顾与展望

本文回顾了60年来中国水科院在水工结构材料方面取得的主要成果,包括混凝土筑坝材料、结构模型试验、混凝土断裂力学、水工混凝土耐久性及评估、面板坝接缝止水、堆石坝沥青混凝土防渗技术、结构检测与安全评估和水工新材料等。回顾历史,对于凝练创新文化,启迪和激励未来发展,是十分有益的。

现代灌溉水肥精量调控原理与应用

过去15年间,中国水利水电科学研究院水利研究所瞄准现代灌溉农业集约化和精量化发展目标,重点围绕不同生态区域、不同尺度农田的水肥施用与多过程综合调控中存在的问题,系统开展了现代灌溉水肥精量调控研究,取得了系列化的成果:考虑土壤空间变异和层状质地对水肥分布的影响,改进了微灌系统的设计方法;在干旱区和半湿润区等不同气候区,选取小麦、玉米、棉花和蔬菜等典型作物,全面考虑水力学参数、土壤水肥动态和淋失、环境参数以及作物产量和品质等因素对微灌均匀系数的响应机制进行研究,提出了微灌均匀系数分区标准;在国内率先开展了变量灌溉理论和控制技术的研究,发展了适用于缺水地区的非充分变量灌溉理论;从系统安全、环境安全和水肥高效利用出发,揭示了再生水滴灌对系统性能和环境的影响机制,定量评价了再生水中养分的有效性;研发了低压高均匀灌水器、多功能系列喷头和智能灌溉施肥机等装置,实现了灌水施肥性能的提升;形成了区域化的喷、微灌水肥高效利用模式。上述成果为进一步提高农田水肥利用率、推动喷、微灌理论和技术进步提供了支撑。

土壤-植物系统中重金属迁移性的影响因素及其生物有效性评价方法

土壤-植物系统中重金属迁移性取决于其在土壤中的化学形态、赋存状态和土壤环境,反映土壤重金属的污染程度和对生态环境及人体健康的危害;土壤重金属生物有效性的评价方法研究,可为认识土壤重金属污染危害,修复重金属污染土壤提供理论基础。本文系统综述了土壤理化性质、重金属特性、植物种类与根际效应、人为活动及其它因素对土壤-植物系统中重金属迁移性的影响机理;阐明了总量预测法、化学形态提取法、自由离子活度法和生物学评价等方法的应用及其优缺点,并对今后研究进行了展望。

水力机械研究领域的发展

60年来,中国水利水电科学研究院水力机械专业经过几代人的艰苦努力,研发能力得到极大的提高。在研发平台建设、水力模型开发、测试技术和相关基础理论研究等方面取得了显著的进展,目前是我国唯一专门从事水力机械应用基础和关键技术研究的国内外知名科研机构。本文从测试技术、CFD数值模拟及优化技术、状态监测和空化、空蚀及泥沙磨损等四个方面,回顾了我院60年来在水力机械研究领域的发展过程,重点介绍了近10年主要成果,最后简要阐述了水力机械研究领域今后的研究重点和发展方向。

水泵水轮机无叶区压力脉动产生机理研究

抽水蓄能电站厂房振动问题是影响电站及电网安全稳定运行的关键技术难题。本文首先介绍了水泵水轮机无叶区压力脉动的幅值和频率特性,总结出无叶区压力脉动幅值大于其它位置、水轮机工况无叶区压力脉动幅值大于水泵工况、水泵水轮机水轮机工况大于常规混流式水轮机等规律性特征,指出了无叶区压力脉动的主频为叶片通过频率。其次,本文应用自由涡环量等于常数原理,通过对水泵水轮机水轮机最优工况远离运行区、水轮机工况转轮叶片进口速度三角形、飞逸转速工况压力脉动幅值最大等问题的深入分析,提出了水泵水轮机水轮机工况无叶区高幅值压力脉动源自于转轮叶片进水边正面脱流产生的自由涡这一机理性认识。

现代灌溉水肥调控原理与技术研究进展

我国一般年份农业缺水约300亿m3,农业水肥利用率主要指标相当于国际先进水平的60%~70%,农业缺水和面源污染问题日益突出,严重影响国家粮食安全和生态安全。本文综述了创新团队在现代灌溉水肥调控原理、技术与模式等方面所开展的研究工作进展。通过多年的研究,发展了现代灌溉施肥变量调控理论方法,提出了精量滴灌水肥高效调控技术、变量喷灌水肥高效调控技术、精细地面灌溉水肥高效调控技术等关键技术,构建了东北粮食主产区覆膜滴灌水肥精量调控技术模式、华北地下水超采区灌溉水肥高效调控技术模式和西北干旱区滴灌水肥盐协同调控技术模式,节水、增产和节肥效益十分显著。

中小流域时空变源混合产流模型及参数区域化方法研究

针对山丘区中小流域洪水预报面临的产流机制混合多变和模型参数难以获取的问题,提出了适用于缺资料地区的中小流域时空变源混合产流模型和基于机器学习CART的参数区域化方法。在小流域地貌水文响应单元划分基础上,利用GARTO非饱和下渗计算模型,从超渗/蓄满机制的平面混合、垂向混合和时段混合三个方面构建时空变源混合产流模型,并采用机器学习CART方法进行模型参数区域化研究。选取不同地貌类型区的15个流域和河南省19个小流域实测降雨径流资料分别对模型适用性和参数区域化方法进行了验证。结果表明,通过与国内外8个水文模型的对比验证,时空变源混合产流模型模拟平均纳什系数为0.78,比其他模型提高约20%;利用本模型和CART参数区域化方法在河南省19个流域计算的平均纳什系数为0.70,比参数随机移植结果提高了35%,本模型和参数区域化方法在山丘区中小流域洪水模拟中应用效果较好。

基于地下水压采和水源置换的城市供水安全研究

随着国家对地下水压采和水源置换工程的实施,城市供水安全研究就显得尤为必要。以沈阳市为例,基于地下水数值模型对沈阳市压采后的地下水环境演变趋势进行了模拟预测,根据预测结果分析地下水压采和水源置换后沈阳市供水安全面临的风险,探讨规避城市供水风险的措施,旨在为推进地下水封井压采、水源置换及构建城市安全供水保障体系和实行最严格水资源管理制度等提供科学依据。

草鱼幼鱼游泳能力及游泳行为试验研究

在28±1℃水温下，利用自制鱼类游泳行为试验装置，采用流速递增法，研究了体长5．0～15．0cm草鱼幼鱼的游泳能力和游泳行为。结果表明：该体长范围内的草鱼幼鱼临界游速在68—100cm／s之间，临界游速基本随鱼类体长增加而线性增长；在整个试验过程中，根据鱼类对水流流速的游泳行为响应，鱼类的摆尾频率随着水流速度的增加而线性增加，整个游泳过程分为4个阶段，每个游泳阶段的最大流速依次为临界游速的45．6％、82.8％、95．9％和100％。本研究成果可为四大家鱼游泳能力进行有益补充，也可为鱼道流速设计提供游泳能力参数。

小流域暴雨山洪水文模型与水动力学方法计算比较分析

针对小流域暴雨山洪精细模拟问题,提出了小流域时空变源混合产流模型,以小流域为单元构建了暴雨山洪分布式模拟模型,开发了可视化时空变源分布式水文模型软件FFMS和水动力学计算软件FHMS。以宝盖寺小流域场次暴雨洪水计算为例,分别采用水文学和水动力学方法计算了小流域暴雨山洪过程,并分析了两种方法的计算精度、效率、实用性等。案例研究结果表明:(1)水文与水动力学方法均可实现小流域暴雨山洪的模拟,模拟结果与实测基本一致;(2)对于无资料小流域暴雨洪水计算,水文学建模速度快,计算效率更高,水动力学方法建模和计算效率更低;(3)在复杂地形条件下暴雨洪水形成机理、演进过程模拟方面,水动力学计算结果更加精细和准确;在山区中小流域洪水预报预警方面,水文学方法更加实用。

防洪减灾研究进展

中国水利水电科学研究院的防洪减灾系统化研究始于1990年代。30年来,在跟踪国际相关科技发展前沿的同时,结合中国实际和防洪减灾工作需求,建立了洪水风险管理理论体系,为中国防洪减灾策略的战略调整提供了理论支撑,并持续开展了洪水分析、洪水预报、洪水调度、洪水损失评估、工程安全分析、情景分析、信息分析及表达、防洪决策支持等理论和方法研究,开发了相应的技术、模型和产品,不断推动其实际应用,引领了中国防洪减灾领域科技的进步,为中国防洪减灾事业的发展提供支撑与保障。

福建省山洪灾害风险识别与定量分析

受极端天气、复杂下垫面和人类活动多重因素影响,山洪灾害在我国频发高发,且预测预报难度较大。本文基于全国山洪灾害调查评价成果,着眼于15-20 km2的小流域,从降雨、下垫面、社会经济、现状防洪能力、涉水工程及监测预警设施配置率6个方面,提取了54个备选指标,运用主成分分析法进行降维处理,筛选了10个核心且独立的指标,构建了风险评估指标体系,建立了风险立方体模型,并运用福建省2306场历史山洪场次数据进行了模型验证。结果表明,基于小流域的山洪灾害风险识别可有效反映灾害对降雨和下垫面的响应关系;沿海台风暴雨高发区和内陆山区短时强降雨高值区是山洪灾害高风险区,涉及小流域1151个,面积近2万km2,人口608万。

基于遥感和地面测量的多尺度土壤水分产品验证分析

遥感反演是大尺度土壤水分监测的有效手段,但地面验证一直是土壤水分遥感反演的瓶颈。针对地面土壤水分测量,频域反射仪(FDR)和宇宙射线中子法(CRS)在土壤水分测量中展现出较大的应用潜力。本研究选取不同像元尺度的土壤水分遥感反演结果,包括30 m分辨率Landsat土壤水分反演、1 km分辨率MODIS土壤水分反演和SMAP卫星3 km分辨率和9 km分辨率土壤水分反演产品,利用CRS和FDR土壤水分监测数据对不同像元尺度土壤水分结果进行精度验证分析。结果表明:CRS在30 m分辨率、1 km分辨率、3 km分辨率和9 km分辨率土壤水分反演结果中精度均较FDR方法高,其中1 km分辨率中CRS反演值的均方根误差小于3 km分辨率和9 km分辨率的误差。CRS测量方法对小降水事件较敏感,会带来一定误差。

大体积混凝土防裂智能监控技术及工程应用

防裂是混凝土坝建设中的一个重要任务。绝大多数混凝土坝裂缝都与温度应力有关,因此温度控制是防裂的主要手段。本文在总结国内几十座混凝土坝温控防裂实践经验的基础上,以现有温控防裂理论为技术支撑,紧密结合大体积混凝土温控防裂工作中的关键技术问题,采用理论分析、数值计算、软硬件研发、室内试验、现场试验等多种手段,通过深入研究形成了智能化监控感知—分析—控制的三步曲架构,开发了一套具有完整自主知识产权的大体积混凝土防裂智能化监控系统。该系统在鲁地拉、藏木、锦屏一级等工程获得成功应用,以混凝土温控施工监控的智能促进温控施工的精细化,达到大体积混凝土防裂的根本目的。

基于SWMM模型的沿海城市内涝模拟研究

沿海地区台风过境时的短历时强降雨可迅速形成地表径流,易导致城市内涝,造成严重的经济损失和人员伤亡。为缓解该问题,本文以福州晋安河流域为例,构建了基于SWMM管网和地面二维积水的城市内涝模拟模型,以研究该区域城市内涝成因及应对策略。实例研究表明,上游库湖泄水抬高内河水位,下游外江涨潮使内河排水不畅,是形成内涝灾害的主要原因。为此提出库湖闸站联合错峰调度方案,有效防止下游江水倒灌。以苏迪罗台风降雨为例,采用该调度方案可减少管网节点溢流量27.44%,缩小淹没面积29.73%,降低内涝严重区河道最高水位1.02 m,有效缓解地表淹没。本研究成果可为福州城市内涝的科学调度提供技术支撑,同时对其他沿海城市的防洪调度具有参考价值。

新区建设背景下白洋淀及入淀河流生态需水评价和保障措施研究

雄安新区建设为白洋淀生态环境提出了更高的要求,生态需水是白洋淀生态修复的核心问题,加强生态需水研究对涵养地下水源、维护流域水生态平衡、增强水资源调蓄能力具有至关重要的作用。本文在雄安新区建设的大背景下,基于防洪、城市景观建设及芦植生长等实际需求,结合最新测量的水位-淹没面积关系,开展白洋淀生态水位核算。同时,分别从淀区水资源蒸发入渗消耗的刚性需求,以及改善淀区水动力条件和水生态环境质量的弹性需求两个方面,提出淀区生态需水量。从维持河道生态基流的角度,对上游八条入淀河流和新区范围内的大清河、赵王新河的最小生态需水量进行核算,作为河流生态逐步恢复的一个基本目标。在此基础上,针对性提出淀区补水方案,以及入淀河流需水保障措施,力求恢复白洋淀流域生态安全、提高雄安新区生态环境承载能力。

混流式水轮机水力设计技术的研究和应用

混流式水轮机是水电站中应用最广泛的机型,其内部通流部件的水力设计影响整座电站的发电效益和稳定运行。本文介绍了近30年来中国水科院水力机电研究所混流式水轮机水力设计技术的研究和应用情况:在国内率先开展混流式水轮机内部流态观测试验研究,建立了水轮机水力稳定性表征形式;创新提出了叶片环量分布模型、叶片翼型计算方法和叶片积叠成型技术;实现了混流式水轮机"量体裁衣"式定制;提出的"丰枯水期双转轮配置"技术攻克了径流式水电站丰枯水期流量差别大、水轮机难以兼顾运行的技术难题;系统总结归纳了水电站技术改造的解决方案和流程。研究成果成功应用于国内外200余座新建和改造电站,取得了巨大的社会经济效益,极大地推动了行业的技术进步。

心墙堆石坝坝顶加筋措施的动力离心模型试验研究

坝顶加筋是心墙堆石坝抗震的重要工程措施之一,然而目前对其抗震效果的试验研究并不充分。本文利用中国水科院双向离心机振动台开展了动力离心模型试验,探究了铺设土工格栅加固坝顶这一措施的抗震效果,并探讨了埋设间距及土工格栅材料刚度对心墙堆石坝动力响应的影响。动力离心模型试验结果表明,坝顶加筋提高了坝顶刚度,导致坝顶附近区域顺河向和竖向动力响应变强。采用0.08H至0.16H间距加筋都将起到增强坝体刚度、提高坝体抗震稳定性的作用,坝顶加筋降低震陷、裂缝等风险,有利于坝体的安全稳定。土工格栅的刚度对心墙堆石坝的动力响应影响较大,刚度过大的材料难以造成土料与土工格栅的紧密结合,从而不能起到良好的抗震效果。