不同调水方式对巢湖水质影响模拟

引调水工程是目前用来改善湖泊水质的重要手段,然而引调水的调水路线、来水水量以及来水水质对湖泊水质改善效果都至关重要。本文以“引江济巢”工程为例,针对巢湖的浅水湖泊特征,考虑引调水入湖后不仅对水量和水质有直接改善作用,还可能因为湖区水动力条件改变及内源释放影响水质,通过构建二维水动力水质模型,模拟不同调水路线、水量下湖区水动力条件,进一步考虑不同来水水质和底泥释放对水质改善的影响。结果显示,调水对流场的扰动在丰水年较弱、枯水年较强,流量对湖区水质影响随流量增大而增强,来水水质的优劣是决定湖区水体水质是否改善的关键。整体而言,西湖区受调水影响较小,东湖区能够对全湖水质变化起到指示作用。调水方案应基于湖泊实际水量与水质状态综合考虑调水流量与水质制定。

南水北调西线工程水源区可调水量“十问”

南水北调西线工程是我国“四横三纵”国家水网主骨架尚待建设的最后一环,而水源区可调水量是西线工程规划论证面临的焦点和难点问题。本文从水资源本底条件与演变趋势,生态环境与经济社会发展需水,调蓄水库与输水工程规模,调水对水源区及其下游水资源开发利用、水生态环境、水力发电、航运等方面影响的角度,提出了与水源区可调水量相关的10个问题;以长江上游分布式水文模型为基础,建立了南水北调西线工程水源区可调水量模拟分析模型,力图系统、定量地回答所提问题。本文的主要研究结论有:在仅考虑满足水源区河道内外生态环境和经济社会需水的前提下,“上线+下线”组合方案多年平均可调水量为1.59×10^(10)m^(3),“完全下线”方案在建设岗托水库进行联调时,多年平均可调水量将达到1.74×10^(10)m^(3);在综合考虑调水对水源区水平衡、水力发电和航运影响及其可接受程度后,南水北调西线水源区可调水量为1.22×10^(10)~1.26×10^(10)m^(3)。长远来看,应谋划西南片区水网与国家水网主骨架、“大动脉”的连接与融合,在减小南水北调西线工程调水影响的同时,提高南水北调西线工程的整体供水能力以及对气候变化等外部条件的适应性。

协同推进南水北调后续工程和长江经济带高质量发展

推动长江经济带高质量发展,是以习近平同志为核心的党中央作出的重大决策,是关系党和国家事业发展全局的重大战略。南水北调东、中、西三条线均以长江为水源,是跨流域跨区域配置水资源的骨干工程,是国家水网的主骨架和大动脉,在保障国家经济安全、粮食安全、生态安全等方面具有基础性、战略性作用。两者联系紧密,互促共生。文章通过对长江经济带高质量发展内涵的分析,以及在国家水安全保障、长江经济带高质量发展对南水北调高质量发展的具体要求梳理的基础上,对共同推进南水北调和长江经济带高质量发展提出了初步的认识和思考。

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。

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。

南水北调东线一期工程受水区生态环境效益演变

研究南水北调东线一期工程通水以来受水区生态环境效益的演变态势,对南水北调后续工程高质量建设、加快构建国家水网以及促进工程综合效益发挥有决策参考作用。以定性定量相结合的方式分析东线一期工程在优化水资源配置、保障饮水安全、复苏河湖生态环境和畅通南北经济循环等方面的作用,进而结合层次分析法,从直接效益和间接效益2个方面,筛选构建东线一期工程受水区生态环境效益评价指标体系,主要包括工程年供水量、水质改善度、生态补水量、地下水压采量、地下水水位、水域面积、绿地面积和涵养水源等,并采用VlseKriterijumska Optimizacija I Kompromisno Resenje(VIKOR)多准则妥协解排序方法对南水北调东线一期工程通水以来即2013-2022年受水区生态环境效益演变态势进行分析。结果表明:南水北调东线一期工程通水的10年以来,受水区的生态环境整体复苏效果明显,近3年排序值保持在0.8以上;受降水偏枯进而影响地下水开采量和地下水水位等因素影响,2019年间接生态环境效益下降29.2%,之后迅速恢复并保持稳定。在分析直接效益和间接效益演变的基础上,从工程提质增效、提高工程水质状况以及完善体制机制建设等方面提出东线一期工程进一步促进受水区生态环境持续改善的策略和建议,以期为东线工程及受水区生态环境保护及高质量发展相关研究、决策制定等提供参考。

基于NSGA-Ⅱ的南水北调东线一期北延应急工程水资源多目标优化配置

为推进南水北调工程高质量发展,以南水北调东线一期北延应急供水工程为研究对象,开展北延应急供水工程水资源多目标优化配置研究。以缺水量最小、调水成本最低为目标,构建北延应急供水工程受水区水量多目标优化配置模型,基于非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行模型求解。确定各受水区在经济最大化和缺水总量最小化条件下的供水量,制定符合农业、生态和城市应急等需求的精准调配方案。结果表明:平水年满足按需分配条件,做到满足最大需水量的同时也满足供水成本最低的目标;枯水年年供水保证率分别为57%、56%、55%、54%、53%、49%、46%、36%、34%和21%情况下的10组最优解作为水量优化配置方案,其中7个优化配置方案供水保证率大于规划调水量的供水保证率值38%。在水资源多目标优化配置方案下可高效完成受水区供需水任务的同时,有效提高供水保证率,同时保证调水成本的经济性。

基于水传热和红外热成像的煤矸识别方法

基于可见光图像的煤矸识别方法准确率不高、识别速度慢;基于高能射线透射的煤矸识别方法具有很大辐射导致较少应用。红外热成像具有穿透性强、不受光线影响等优点,但煤和矸石的表面温度在室温下相对接近,导致煤和矸石在红外热图像中没有明显差异,难以获得较好的识别效果。针对上述问题,提出了一种基于水传热和红外热成像的煤矸识别方法。在不同水温(18,21,24,27,30℃)条件下进行煤和矸石红外热成像实验,通过煤和矸石红外热图像和温度变化之间的差异来区分煤和矸石。实验结果表明:不同水温下煤和矸石红外热图像不同,当水温低于环境温度时,煤和矸石红外热图像之间的差异较大;在相同水温条件下,煤和矸石红外热图像之间的差异随着时间增加逐渐增大;煤和矸石表面温度变化均随水温升高和时间增加呈增大趋势,但矸石表面温度变化大于煤表面温度变化;当水温为18℃、时间为180 s时,煤和矸石红外热图像之间差异和温差均达到最大。这说明低温的水可作为一种传热介质,更有利于使煤和矸石之间产生较大的温差,从而实现煤和矸石红外热图像准确、快速识别。

基于支持向量机的蓄水工程土地利用分类与动态变化

为进一步恢复和重建蓄水工程建成前后土地利用变化的历史过程,更好掌握和预报土地利用转移方向,本文利用支持向量机理论开展了土地利用类型解译的适应性研究,通过梳理土地利用动态变化,剖析了蓄水工程建成前后土地利用结构的自适应调节能力和演变方向。结果表明:(1)依靠自学习和自适应等优势能力,支持向量机解译土地利用分类的总体精度高达91.7%、Kappa系数为0.90;除耕地生产者精度相对较低外,水体、林地等其他土地类型具有较高的分类识别能力。(2)利用谷歌地球引擎(GEE)平台梳理土地利用类型演变过程发现,受“三北防护林”工程二阶段(2001—2020年)等项目实施影响,建设用地、林地面积出现较大增幅,其中,林地面积较2000年实施初期增加了近5倍。(3)工程建设运行后林地和建设用地近2/3面积保持了原貌,水体和未利用土地受水利和城建工程影响,原貌类型超过65%以上面积变成了其他类型;“三北防护林”工程加快了林地面积的增加和草地植被覆盖度的提高,低覆盖度草地转移到中、高覆盖度草地的面积净增幅达48.0%、50.2%。

新形势下黄河的治理方略

在阐述近代以来治黄对策和黄河“水少沙多”等问题基础上,提出新形势下黄河下游宽河段治理方略为“三堤共存、槽滩共治”,即以靠溜河道工程为依托,将生产堤改建成坚固的防护堤作为第一道防线,由大堤及其防护工程构成第二道防线,将大堤到控导工程的道路加固成格堤,按“平顺护弯、以弯导流”原则整治河槽,同时在整治工程对岸滩区边沿建护滩工程;对窄河段只需局部扩宽即可大幅提升过洪能力,另需将其中明显碍洪工程进行改造或拆除,解放相关滞洪区并降低宽河段滩区行洪要求。减少入黄沙量的治本之策为采用工程措施与新工艺新材料淤地坝修筑技术,改变水土严重流失区的侵蚀地理环境,结合近自然修复良性生态治理技术,主动拦减流域沟坡产沙并永续发挥生态效益。尽早建成古贤与黑山峡水利枢纽,并激发三门峡这一骨干工程的调控作用,共同构建黄河水沙调控体系的主体构架,建立全河水沙调控及水资源优化配置机制,确保全河水沙关系协调,遏制宁蒙等河段河情恶化势头。为解决黄河下游水少问题,应恢复黄河、汶河洪水进出东平湖条件及南四湖洪水入黄功能,将沿黄已建和拟建平原水库连通,发挥水资源调配作用;若在南水北调中线工程以东修建“河南运河”,黄河下游段即成邻近流域排洪入海通道,将其灾害水变成黄河下游冲沙、灌溉及生态用水;实施“川水济黄、藏水补川”工程,实属关系中华民族永续发展的根本大计。

流域水资源调配关键技术研究

长距离调水工程往往具有规模大、管理难、条件差和系民生等特点,根据中央提出的关于加快构建“系统完备、安全可靠,集约高效、绿色智能,循环通畅、调控有序”的国家水网的要求,以提升流域水资源调配能力为目的,通过建设自动化和信息化软件,推行扁平化改革,压缩管理层级,形成高效的水资源调配管理新模式。通过对某流域调水工程信息化系统的建设,开发水资源管控、流量平衡和恒水位控制系统,能够满足水资源调配业务的需求。

基于Hydrolight模型的太湖SDGSAT-1卫星悬浮物浓度反演研究

利用卫星遥感反演水体中的悬浮物浓度对水质监测和保护具有重要意义,在悬浮物浓度反演过程中,如何避免或最大程度降低水体中叶绿素a、有色可溶性有机物(Colored Dissolved Organic Matter,CDOM)的干扰是当前的技术难点。文章针对可持续发展科学卫星1号(SDGSAT-1)MII传感器,利用Hydrolight辐射传输模型,从理论上挖掘只与悬浮物强相关的反演因子,以此构建适用于MII影像的太湖悬浮物浓度反演模型,通过水体的实测数据和遥感数据对模型应用效果进行验证。结果表明:反演因子R′(B_5/B_3)与悬浮物浓度为强相关,同时与叶绿素a、CDOM浓度弱相关;利用R′(B_5/B_3)作为反演因子构建的幂函数模型为最优反演模型;将幂函数模型分别应用于实测数据和2022年5月4日的太湖SDGSAT-1 MII数据,两次验证试验显示反演结果和现场测量结果具有较强一致性,模型适用性较好。该研究可为SDGSAT-1卫星在湖泊水体悬浮物浓度监测、水资源评估与保护等提供一些技术参考。

水-冰相变凝固换热与热泵耦合供热系统实验研究

针对河北山区农村水源不足、地源钻井成本高、太阳能不稳定、造价高、没有合适的热泵低温热源等问题,研发了水-冰相变换热器;利用水的相变潜热作为热泵的低温热源,设计了水-冰相变凝固换热与热泵耦合供热系统,搭建了实验平台,经测试平台运行稳定可靠。通过对实验数据进行分析计算,得到系统性能系数在2.87~3.42之间。研究结果可为解决河北山区农村供暖问题提供参考。

长距离输调水工程大口径FRPM管道研发与工程安全保障技术

长距离输调水工程是中国新疆地区重要的基础生命线,其长久稳定运行对于促进经济平稳增长和保障居民供水安全至关重要。新疆位居大陆中心,属温带极端大陆性气候,其长距离输调水工程面临严峻的环境挑战。玻璃纤维增强塑料夹砂管(glass fiber reinforced plastic mortar pipes,FRPM)作为长距离输调水工程中重要的水工地下结构用材,凭借其优异的耐化学腐蚀、轻质高强、无二次污染、安装方便、综合造价低等诸多优良特性而被广泛应用于新疆地区。然而,传统FRPM管生成工艺在铺层设计与生产自动化程度方面存在一定局限,导致工程施工过程效率低下;同时,缺少统一的技术标准和设计规范也间接制约了其应用范围。此外,管道工程自动巡检技术与缺陷定量评价标准尚未统一,无法合理量化和准确评价整体工程质量。为此,依托北疆小洼槽供水工程,围绕长距离大口径FRPM管的管材铺层设计与制造工艺、工程设计、质量评定、自动巡检、运行监测与安全保障等关键技术,通过产学研用相结合,持续15年攻关,取得突破性创新成果:①引进吸收并创新了适合于长距离、高工作压力、以连续缠绕工艺为首选的FRPM管生产工艺,优化了大口径FRPM管材铺层设计方法,实现了供料—缠绕—固化—切割—检测全自动化控制,与国外同类产品标准相比,管道挠曲性能和轴向拉伸强度等提高了20%~50%;②提出了安全防护的工程和非工程措施,建立了长距离FRPM管不同缺陷类型危害性等级划分原则,创建了复杂地质条件下长距离FRPM管道工程安全评价理论与方法;③系统揭示了FRPM管质量缺陷产生机理,开发了FRPM管光固化片材局部修复工艺以及内衬聚乙烯(PE)的整体非开挖修复技术,提出了修复效果后评价方法,实现了对长距离FRPM管道工程运行安全的有效掌控。

基于珠江入海口顾及浅水分潮特征的深度基准面传递方法研究

采用珠江入海口处潮位数据进行顾及浅水分潮特征的深度基准面传递方法的研究,并选取该区域五个验潮站潮位数据进行实验,实验先进行潮汐调和分析,解算基于长期观测数据的各分潮较为稳定的正、余弦分量,再通过附加参数间的限制条件,采用约束平差法实现对短期数据进行调和分析,得到基于短期数据的各分潮正、余弦分量,再通过参数变换得到各分潮潮高和迟角,综合分析浅水分潮对潮汐预报和基准传递的影响。根据上述分析结果提出顾及浅水分潮特征的改进深度基准面传递算法,并验证该方法在珠江入海口处的有效性。

渤海湾西岸一次局地极端短时强降水事件的成因分析

2021年9月4日早晨,渤海湾西岸的天津滨海新区出现短时强降水,过程累计降雨量达224.2 mm,最大小时雨强为110.9 mm·h^(-1),均打破当地建站以来的历史纪录。利用加密自动气象观测站、风廓线雷达、多普勒雷达等观测资料,结合欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料,分析该事件成因及其与海陆环境的关系,探讨对流系统新生、组织化机制以及水汽输送特征等。结果表明:(1)对流单体在海岸线海水一侧新生后西移登陆,经多次与后向新生对流单体合并加强,最终发展为具有中γ尺度涡旋且位于线状中尺度对流系统前端的强降水系统。(2)对流单体新生地点与两条地面辐合线的相交点对应。一条南北向的风速辐合线位于海上,与水陆表面摩擦系数差异有关;另一条东西向的风向辐合线位于陆地,由东北残余冷空气与原有偏南风相遇而成。(3)由于清晨海面湿度比陆地大,湿空气被向岸偏东气流从渤海湾带到西岸,为对流系统的发生发展提供热力条件;而850 hPa持续存在暖性切变线,为多个对流系统线状组织排列提供了动力支持;值得关注的是,浅层残余弱冷空气在925 hPa造成明显的中尺度锋生。(4)次级垂直环流促进周围水汽汇集和垂直向上输送加强,而水汽垂直递减率的大小(水汽垂直辐合)对小时雨强有指示意义。分钟雨强很可能与中γ尺度涡旋有内在联系。

电生理快速定量菜心杂种优势

本研究以温室培养的14个品种的菜心为材料,测定了饱水与不饱水状态下菜心的基本电生理参数,并基于能斯特(Nernst)方程计算得到叶片相对持水量(LIWHC)、叶片胞内水分转移速率(LIWTR)、叶片胞内持水时间(LIWHT)、叶片营养主动传输能力(NAT)、叶片营养被动传输能力(NPT)、耐低营养能力(RLN)、营养利用效率(NUE)和植物相对代谢活力(MA)等电生理指标,探究其与杂种优势的关系。结果表明,杂交50的胞内水分传输效率均显著低于其他品种的菜心,其RLN和NUE值则显著高于其他品种,但MA则显著高于其他品种。采用隶属函数法对供试品种水分及养分代谢进行综合评价,结果表明,参试的4个品种中,菜心杂交50的综合评价优于其他3个品种。因此,可以通过测定植物的电生理信息来计算水分、养分代谢状况以及植物的相对代谢活力等来鉴定植物的杂种优势。

某深埋输水隧洞放射性环境地质调查与评价

为探究某深埋输水隧洞穿越地层的放射性环境质量,采用原位测试和样品分析等手段,研究隧洞施工期的不利因素。结果表明:隧洞地表沿线的放射性元素含量在背景值变化范围内,未发现放射性异常现象。隧洞穿越的7个钻孔内γ总量和地温测井的结果表明:孔内核素放射性水平较低,基本处于豁免水平,但地温存在异常区域,施工期务必引起重视。钻孔目的层的岩心放射性核素活度浓度低,属于豁免范围内,孔内地下水放射性水平低,满足Ⅲ类地下水要求。辐射防护的计算结果显示,隧洞段地表沿线γ有效剂量当量为0.15 mSv/年,符合国家要求。隧洞段内照射指数和等效镭浓度符合约束值,ZK16钻孔的目的层外照射指数略高于标准值。因此,地下隧洞在施工期需着重关注洞内放射性水平,在辐射异常地段加强岩石采样与分析工作,以保证施工安全。

南水北调中线京石段闸门间歇关闭水力响应特性

为减小闸门关闭引发的水位壅高,以南水北调中线工程京石段磁河闸至沙河北闸之间的渠池为研究对象,构建一维明渠非恒定渐变流仿真模型,比较分次间歇关闸与一次连续关闸,以及不同闸门间歇方案对闸前壅水峰值、水力振荡稳定时间的影响。研究表明:分次间歇关闸可带来更低的闸前壅水水位和更短的水力振荡稳定时间;设置1次间歇相较于多次间歇可减小闸前壅水峰值,将间歇开始时刻设置在上游降水波即将传播至闸前的时刻、设置间歇时长略小于关闸总时间的1/2均可有效降低闸前壅水峰值,缩短稳定时间。闸门分次间歇关闭水力响应特性与水波运动规律紧密关联,合理设置间歇有助于在应急调控阶段减少事故造成的影响。

南海高温高压凝析气藏凝析水产出机理及产量预测方法

针对南海高温高压凝析气藏中凝析水产出量上升的问题,以东方气田为研究对象,采用地层水蒸发实验方法,分别在地层条件下的PVT筒和长岩心中进行水气比测试,并提出了高温高压凝析气藏凝析水产量计算方法,预测东方气田凝析水产出程度。研究表明:高温高压凝析气藏中的流体受多孔介质微小孔径以及临界性质偏移的影响,饱和蒸气压发生变化,导致凝析水产出大幅度增加。考虑水、气相间传质的数值模拟方法可以准确预测高温高压凝析气藏中凝析水产出变化。对东方气田的日产水进行模拟,设置井底流压限制为1.5 MPa,预测时间为5 a,历史产水量拟合精度大于90%,能够很好地模拟凝析水产出情况。研究成果对高温高压凝析气藏制订合理开发方案,改善油藏开发效果具有重要指导意义。