比较优势视角下我国虚拟水流动归因分析

虚拟水是近年来水资源领域的研究热点,而相关研究成果主要集中于虚拟水转移的规模核算及其特征分析,对虚拟水转移的动力成因较少讨论,所以借助比较优势理论中的区位商、增长商指数,量化解析农林牧渔、工业、建筑业、批发零售、交通运输、住宿餐饮、金融、房地产、其他服务业9大行业的发展优势及增长潜力,并分析这9大行业虚拟水流动格局与行业比较优势的相关关系。研究结果表明:各行业虚拟水流动格局与行业比较优势具有明显关联,2002—2017年间我国72%的虚拟水会从具有比较优势的地区向不具备优势的地区转移,71%的虚拟水转移量会受到行业发展速度影响。研究成果预期可为我国水资源宏观管理及节水政策制定提供理论依据及决策参考。决策参考。

盐浸-干湿-冻融耦合作用下混凝土坝强震开裂机理

为探究混凝土坝在盐浸侵蚀、干湿循环、冻融循环因素影响下的强震破坏规律,通过材料劣化试验和数值模拟方法开展大坝强震开裂机理研究。针对坝体不同位置开展盐溶液侵蚀、干湿循环以及冻融循环劣化试验,基于材料试验结果,构建混凝土重力坝扩展有限元模型,模拟混凝土材料劣化前及劣化后混凝土坝强震开裂破坏情况。结果表明:多因素耦合作用导致混凝土材料劣化,强震作用下会降低大坝承载能力,增加大坝倒塌破坏风险。考虑混凝土多种劣化因素影响,所得结论可用于高寒地区混凝土坝的抗震设计。

水利工程质量监督全过程全方位定量评价模型构建

为促进我国水利工程质量监督管理工作运行的高效化,确保工程监督的有效性和权威性,基于AHP(analytic hierarchy process)原理,针对水利部督查小组的现场检查情况,依据水利部下达的相关文件,结合负分制和一票否决制,将定性问题定量化,构建一套涉及水利工程建设、运行、管理全过程全方位的质量监督管理评价模型,共包含7层2112个指标。在综合试错的基础上,计算得出不同层级和不同指标的权重,然后选用该模型分析评价2020年7个省份受督查水利工程项目的质量管理与安全生产管理监督数据,间接说明模型的实用性和易操作性。评价结果表明:7个省份均在合格以上,整体质量管理情况较好,但得分差异显著,其中最高得分90.6、最低得分65.6,相差25分;不同类型管理评价结果显示,安全生产管理得分普遍高于质量管理得分;各参建单位评价结果显示,建设单位和勘察设计单位的情况最优、评分基本达到满分,而质量检测单位和施工单位得分最低、需重点加强相关监管。评价结果为水利工程监督管理工作提供了科学的数据支撑,构建的评价模型也为水利工程质量监督定量化提供了易实操的普适性工具。

变化环境下长江流域滨海城市供水安全与适应性对策

全球气候变化和高强度人类活动影响导致长江流域水循环变化及相关联的城市群水资源供需矛盾问题,尤其在长江下游上海等滨海城市供水安全问题更加凸显,这已成为长江大保护十分关注的重要问题之一。以典型滨海城市上海为例,重点论述变化环境对长江流域的供水安全风险问题;分析当前和未来上海城市供水极端干旱影响、长江淡水与河口咸潮互动供水窗口压力,以及上海城市供水管理综合运用工程措施和预警预报、调度等非工程措施的挑战;提出若干对策与建议,包括供水安全保障的系统思维与战略规划、提升城市供水安全的系统智能化与智慧化管理水平以及完善供水安全保障的管理体系。

基于多模型比选耦合的降水预测

变化环境下水文时间序列的模拟预测难度不断加大,以往研究大多聚焦在模型的不同组合尝试与应用探索,但缺乏针对不同组合模型适用性与稳定性的系统研究。选择经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)、总体平均经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,EEMD)、改进的总体平均经验模态分解(modified ensemble empirical mode decomposition,MEEMD)和变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)4种常用的分解算法,与多元线性回归(multivariable linear regression,MLR)、随机森林(random forest,RF)、BP神经网络(back propagation,BP)、卷积神经网络(convolutional neural networks,CNN)和长短期记忆神经网络(long short-term memory,LSTM)5种具有代表性的模型结合,构建20种基于“分解-预测-重构”模式的组合模型,并以华北地区密云、官厅两流域年和汛期降水为例,进行模型适用性与稳定性综合对比分析。结果表明:单一模型对密云流域年降水和汛期降水的预测结果优于官厅流域,但整体预测结果均不理想;结合分解算法后的组合模型预测结果明显优于单一模型,且该预测结果存在正负误差抵消现象,因此有助于进一步提高组合模型的整体预测精度;与基于EMD系列的分解算法相比,VMD算法对模型预测精度提升效果最显著,组合模型适用性和稳定性整体上表现为VMD-MLR>VMD-LSTM>VMD-BP>VMD-CNN。

城市暴雨强度公式复核——以杭州主城区为例

在气候变化与快速城镇化共同影响下,很多城市暴雨特性发生变化,现行的暴雨强度计算公式可能不再适用,需要复核和更新。以杭州市主城区为例,根据钱塘江江畔闸口站1982—2022年降雨极值资料,分别选用皮尔逊Ⅲ型分布和耿贝尔分布曲线进行线型拟合,采用粒子群优化算法推求暴雨强度公式参数,与现行规范给出的暴雨强度公式进行复核分析。结果表明:在重现期为2~20 a时,根据皮尔逊Ⅲ型分布和耿贝尔分布推求得到暴雨强度新公式的平均绝对均方差均小于0.05 mm/min,平均相对均方差均小于5%,符合精度要求;仅当降雨历时为10 min时,2个新公式的暴雨强度要小于现行公式的暴雨强度,其他历时下2个新公式的暴雨强度都明显大于现行公式的暴雨强度;经合理性分析,本研究根据最新暴雨资料推求的暴雨强度公式可为杭州市主城区排水防涝工程设计和相关设施建设提供参考。

基于GPU加速的分布式水文模型并行计算性能

针对具有物理机制的分布式水文模型对大流域、长序列模拟计算时间长、模拟速度慢的问题,引入基于GPU的并行计算技术,实现分布式水文模型WEP-L(water and energy transfer processes in large river basins)产流过程的并行化。选择鄱阳湖流域为实验区,采用计算能力为8.6的NVIDIA RTX A4000对算法性能进行测试。研究表明:提出的基于GPU的分布式水文模型并行算法具有良好的加速效果,当线程总数越接近划分的子流域个数(计算任务量)时,并行性能越好,在实验流域WEP-L模型子流域单元为8712个时,加速比最大达到2.5左右;随着计算任务量的增加,加速比逐渐增大,当实验流域WEP-L模型子流域单元增加到24897个时,加速比能达到3.5,表明GPU并行算法在大尺度流域分布式水文模型计算中具有良好的发展潜力。

降水产品偏差校正方法在长江子流域应用效果

降水产品的精度受到多种因素的影响,相对于地面站点观测降水表现出不同程度的偏差,需在实际应用前进行偏差校正并评估其适用性。为探寻适用于不同降水产品在长江流域不同区域内的偏差校正方法,评估CMFD、MSWEP和ERA5-Land这3种降水产品在长江流域内3个气候、地形和面积有较大差异的子流域内的适用性,并在此基础上对比使用3类7种方法对日尺度降水值进行偏差校正。结果表明:校正后的降水产品的适用性得到了不同程度的提升,而局部强度缩放与三伽玛分布结合校正法在3种降水产品和3个子流域的校正效果均为最优。校正方法的校正幅度与降水产品在研究区域的适用性存在反相关关系,产品的适用性越差,精度评价指标的改进幅度越明显。研究结果可为后期不同降水产品在长江流域不同子流域的准确应用提供可参考的校正方法。

河南省主要河川径流变化归因

为相对全面客观地分析气候变化和人类活动对河南省主要河川径流变化的影响,基于河南省内卫河、伊洛河、洪汝河和唐河流域1961—2022年径流和降水资料,以及国家气候中心根据Penman-Monteith公式计算的年潜在蒸散发资料,比较4个蒸发对比站年潜在蒸散发和蒸发皿年蒸发值,运用Mann-Kendall突变检验法和累积双曲线法分析4个研究流域控制水文站年径流序列的变化趋势和突变年份,以及4个流域年降水和潜在蒸散发的变化趋势。采用基于Budyko假设的弹性系数法对径流变化开展归因分析。结果表明:4个蒸发对比站年潜在蒸散发与蒸发皿年蒸发变化趋势基本一致,4个水文站年径流深及4个流域年降水和年潜在蒸散发均呈下降趋势。4个水文站年径流深分别在1977年、1985年、2008年和2010年发生了突变。气候变化对径流减少的贡献率在卫河和伊洛河流域为7%以下,在洪汝河和唐河流域约为12%~18%,降水减少不显著和潜在蒸散发呈下降趋势是贡献率小的原因,可见人类活动是影响4个流域径流变化的主要驱动因素。

松花江流域NPP时空演变及其对极端气候的响应机制

为探究全球气候变化条件下松花江流域陆地生态系统健康程度的变化特征,基于2000—2020年MODIS MOD17A3HGF数据集,采用趋势分析、相关性分析、M-K检验、地理探测器和相对重要性分析等方法,结合气象站点数据和土地利用数据,分析植被净初级生产力(net primary productivity,NPP)时空演变特征及其对极端气候事件的响应机制。结果表明:松花江流域年均NPP值为407.45 g/m^(2)(以C计,下同),以年均4.82 g/m的速率显著上升(p<0.01);极端降水事件对植被NPP空间分异性的影响强于极端气温事件,极端气候指数间交互作用的影响大于单一极端气候指数的影响,流域及农田和草地生态系统NPP主要受总降水量(PRCPTOT)与年平均最低气温(TMIN)交互作用的影响,森林、湿地和聚落生态系统NPP分别受中雨日数(R10 mm)与年平均最高气温(TMAX)交互作用、强降水量(R95P)与TMIN交互作用和R10 mm与暖夜日数(TN90P)交互作用的影响;时间尺度上PRCPTOT、TMAX和TMIN是植被NPP的主要影响因素,空间尺度上PRCPTOT和TMIN是多年平均NPP的主要影响因素。研究结果可为量化气候变化背景下区域生态系统健康程度和应对极端气候事件措施的制定提供科学依据。

京津冀地区水-能源-粮食系统安全耦合协调发展特征评价

以京津冀地区为研究区域,选取28个代表性指标,利用层次分析法构建水-能源-粮食耦合安全综合指标体系,运用耦合协调度模型和障碍度模型分析2000-2020年水-能源-粮食系统耦合安全性和影响因素。研究结果表明:京津冀地区水安全、能源安全和粮食安全系统综合评价指数呈整体上升的趋势,其浮动范围为0.3~0.7;水-能源-粮食系统耦合协调度年际间均呈上升趋势,北京市耦合协调度最高,河北省耦合协调度较低;人均水资源量、废水中COD排放量、人均能源消费量和亩均农用机械总动力为京津冀地区主要障碍因子。未来北京应调整用水结构、挖掘节水潜力。天津市和河北省要注重优化能源消费结构,进行低碳技术创新,加大脱碳步伐,其中河北省农业发展需要进一步采取节水灌溉措施、减少农作物受灾面积。

基于多GPU数值框架的流域地表径流过程数值模拟

与传统概念性水文模型相比,二维水动力模型可提供更丰富的流域地表水力要素信息,但是计算耗时太长的问题限制其推广应用,提升二维水动力模型的计算效率成为当前数字孪生流域建设工作中的关键技术难题之一。采用基于Godunov格式的有限体积法离散完整二维浅水方程组建立模型,通过消息传递接口(message passing interface,MPI)与统一计算设备架构(compute unified device architecture,CUDA)相结合的技术实现了基于多图形处理器(graphics processing unit,GPU)的高性能加速计算,采用理想算例和真实流域算例验证模型具有较好的数值计算精度,其中,理想算例中洪峰的相对误差为0.011%,真实流域算例中洪峰的相对误差为2.98%。选取宝盖寺流域为研究对象,分析不同单元分辨率下模型的加速效果,结果表明:在5、2、1 m分辨率下,使用8张GPU卡计算获得的加速比分别为1.58、3.92、5.77,单元分辨率越高,即单元数越多,多GPU卡的加速效果越明显。基于多GPU的水动力模型加速潜力巨大,可为数字孪生流域建设提供有力技术支撑。

不确定来水条件下龙羊峡水库年末水位优化

以黄河上游多年调节水库龙羊峡及下游刘家峡水库为研究对象,考虑来水不确定性影响,建立梯级水库群多目标随机优化模型,并基于理想点法(technique for order preference by similarity to an ideal solution,TOPSIS)决策方法,求解当年发电量与年末水位Pareto方案集中最佳方案,探讨来水频率及起调水位对年末水位和发电量的影响,验证年末期望水位保证多年调节水库发电效益的可靠性。结果表明:在不确定来水条件下,龙羊峡水库年末期望水位与龙羊峡水库、刘家峡水库年期望发电量之间存在竞争关系;龙羊峡水库来水频率越低、起调水位越高时,龙羊峡水库年末水位越高,龙羊峡水库、刘家峡水库发电量越大;基于提出的年末水位优化方法可大幅缩减龙羊峡水库现行调度方式下年末水位范围,且保障发电效益的可靠性在98%以上。

高海拔季节冻土区完全融化期土壤水分特征曲线适用性

以怒江源区那曲流域为例,基于4个试验场完全融化期(6—9月)的土壤体积含水量(0.15~0.51 cm^(3)/cm^(3))和土壤基质势数据(0~200 kPa)实测数据,选择Van Genuchten(VG)、Brooks-Corey(BC)和Campbell 3个模型进行拟合,以均方根误差ERMS和决定系数R2为评价指标,分析3个模型对高海拔季节冻土区不同土层和不同土壤质地的适用性。结果表明:从整体上看,VG模型(平均R2为0.992,平均ERMS为0.006 cm^(3)/cm^(3))的拟合效果优于BC模型(平均R2为0.972,平均ERMS为0.019 cm^(3)/cm/3)和Campbell模型(平均R2为0.984,平均ERMS为0.014 cm^(3)/cm^(3));但是在不同土层和不同土壤质地情况下模型的适用性有所区别,VG模型更适用于壤土和壤质砂土(平均R2为0.987,平均ERMS为0.008 cm^(3)/cm^(3))以及土壤深层(10~35 cm土层,平均R2为0.990,平均ERMS为0.007 cm^(3)/cm^(3)),Campbell模型更适用于砂质壤土(平均R2为0.985,平均ERMS为0.009 cm^(3)/cm^(3))以及土壤表层(5 cm土层,平均R2为0.993,平均ERMS为0.006 cm^(3)/cm^(3)),BC模型在不同条件下都不是最优模型;参数θr取值大小会显著影响土壤水分特征曲线的形状。本研究可为深入研究高海拔季节冻土区的土壤水分运动特性以及中华水塔区的水源涵养作用提供支持。

基于降雨时空变化的山洪预警临界雨量

为提高山洪灾害预警精度,以彭坊小流域为例,基于概率分布等控制条件生成随机雨型,探究不同前期影响雨量下随机雨型对山洪预警临界雨量的影响,进一步分析降雨空间分布对山洪预警临界雨量的影响。结果表明:在雨峰位置偏后、雨峰峰值较大的雨型集下,临界雨量波动较大,有较高的不确定性;雨型对临界雨量的影响小于前期影响雨量对临界雨量的影响,在前期土壤较干燥时,雨峰位置系数较小,临界雨量值相对较大,雨型峰值倍比较大时,临界雨量值相对较小,更容易致灾;在降雨空间分布上,当降雨集中在下游时,临界雨量值最小,越容易达到警戒流量,但降雨空间分布对临界雨量的影响小于前期影响雨量的影响,且这种影响会随前期影响雨量的增加而不断减小。

调水工程建设期安全-进度-投资系统风险分析——以引江济淮工程(河南段)为例

以引江济淮工程(河南段)为例,在确定安全-进度-投资系统风险评价指标体系的基础上,基于层次分析-模糊综合评价方法分析安全、进度、投资的单项风险;在考虑工程建设期安全、进度、投资的相互影响后,基于改进的综合风险评价方法分析安全-进度-投资系统风险。结果表明:当分析单项风险时,安全、进度和投资风险的评价结果均为一般风险;当分析系统风险时,得到安全风险>进度风险>投资风险;进一步分析指标体系中的准则层和指标层,安全风险的现场风险中施工技术方案风险排序第一,是后续风险管控的重点。本研究为提高工程建设期安全-进度-投资系统风险的可靠性、降低风险事件的发生提出了理论和技术参考。

京津冀平原浅层地下水漏斗演变规律与影响因素

为研究华北地区河湖生态补水对地下水漏斗演变的影响,以京津冀平原浅层地下水漏斗2003年至2022年的相对变化作为识别目标,从气象因素、地形因素、人为因素和含水层水力学特性4个方面进行考虑,选取8个具体指标构建特征变量数据集,使用逻辑回归(logistic regression, LR)、支持向量机(support vector machine, SVM)和随机森林(random forest, RF)方法建立漏斗演变识别模型,并利用敏感度、特异度和决定系数R^(2)对拟合效果进行对比评价,结果显示随机森林为最优模型。进而利用模型分析研究区地下水漏斗演变规律,阐明具体因素对漏斗演变的影响作用。研究表明:京津冀平原区浅层地下水漏斗在2010年之前整体呈扩张趋势,之后在部分地区呈现缩减和消失的态势。河湖补水前,地下水漏斗发展主要受开采影响,其重要度约50%;2018年后河湖补水对抑制漏斗扩张发挥了较为明显的作用,重要度达16%。从发展过程来看,地下水开采依然是控制京津冀平原浅层地下水漏斗变化最重要的因素。对比宁柏隆和高蠡清两个典型浅层地下水漏斗的发展变化可知,河道生态补水对宁柏隆漏斗变化的贡献率接近10%,而对高蠡清漏斗变化影响的重要度仅为1%,因此持续的河流生态补水对宁柏隆漏斗水位恢复会产生积极影响,而对于高蠡清漏斗则需要以水源置换压减农业灌溉地下水量为关键手段实现水位恢复。

铬污染土壤动态浸出特征及对地下水影响的模拟

以原长沙铬盐厂污染土壤为研究对象,利用动态淋溶试验,研究不同淋溶模式下土壤六价铬[Cr(Ⅵ)]淋出特征及其对地下水的影响。结果显示,淋溶流速会影响土柱中Cr(Ⅵ)达到解吸稳定所需要的时间,即在连续淋溶模式的高、中、低3种流速条件下,达到平衡的时间分别为1、4、15 d,而间歇淋溶模式的Cr(Ⅵ)浸出效率略低于连续淋溶模式,这主要是受到土壤中孔隙水更新效率的控制。利用COMSOL Multiphysics?5.6构建试验中Cr(Ⅵ)迁移的模型,计算连续、间歇2种淋溶模式下6种不同情景中Cr(Ⅵ)的质量浓度变化及累积浸出质量,结合模型计算与柱实验结果分析发现,当土壤中Cr(Ⅵ)质量分数达到二类用地筛选值(5.7 mg/kg)后,淋出液中Cr(Ⅵ)质量浓度仍为地下水Ⅴ类水标准(0.1 mg/L),此时淋出液中Cr(Ⅵ)质量浓度仍对地下水环境造成威胁;同一时间段内,间歇淋溶柱高流速情景下有最小淋出率(33.67%),连续淋溶柱高流速情景有最大浸出率(83.99%)。研究表明,在场地地下水污染治理过程中,需要考虑土壤修复标准对地下水的影响,即水土共治。研究成果可为重金属污染场地修复工程提供参考。

基于VIC模型的三峡库区流域小时尺度实时洪水预报

VIC模型在流域面积大于3 000 km^(2)的大型流域日或月尺度洪水模拟中表现出良好的适用性,而在大型流域小时尺度实时洪水预报过程中的适用性尚未得到验证。以三峡库区大型流域为例,通过建立小时尺度VIC分布式洪水预报模型,构建三峡库区流域实时滚动洪水预报方案,将VIC分布式洪水预报模型实地化部署并应用于2022及2023年三峡库区实时洪水预报。结果表明:VIC模型应用于2014—2021年三峡库区各子流域历史洪水模拟,率定期和验证期的洪量、洪峰平均合格率均在80%以上,确定性系数均值在0.70以上,构建的VIC分布式洪水预报模型在三峡库区及其子流域洪水模拟中表现出良好的适用性;在2022及2023年三峡库区4场典型洪水的实时洪水预报中,径流深和洪峰的平均相对误差达到16.3%和5.0%,重点产流区产流量平均相对误差为7.8%,能够准确把握库区重点产流区的洪量及来水过程,因此VIC模型在大型流域小时尺度实时洪水预报中具有较大的应用潜力。

引江济淮工程(河南段)水资源调配系统设计与开发

为强化引江济淮工程(河南段)水资源统一调配,基于Spring Boot和Vue前后端分离开发的模式,利用天地图API、WebGL、Echarts等技术设计研发引江济淮工程(河南段)水资源调配系统。从设计思路、功能界面、关键技术3个角度论述系统设计思路和实现过程,从而实现地理信息服务、供需水预测、水资源优化配置、水资源优化调度等功能,实现水量分配可视化、运行调度智能化和跨流域调水管控一体化。系统测试结果表明:引江济淮工程(河南段)水资源调配系统的建立提高了受水区水资源精细化管理的水平,解决了引江济淮工程(河南段)跨流域调水的配置难题,为受水区水资源高效利用提供有效的技术支撑。