双层堤基异常渗漏对堤防温度场分布的影响研究

通过对双层堤基异常渗漏险情作用下的温度场进行分析计算,结果表明,渗流场对堤防内部的温度场分布具有重要影响,当覆盖层中薄弱环节的渗透系数超过粉砂以后,即可在渗漏通道出口观测到明显的低温区,并且该低温区受气温变化的影响较小,因此,通过监测堤防背水侧地面温度的异常变化进而探测出异常渗漏险情在技术上具有一定的可行性,并且在异常渗漏险情发生和发展的早期即可成功探测到,有利于实现"抢早抢小"的目标。研究成果可以为堤防渗漏险情快速遥感探测技术的进一步研发提供一定的理论支撑。

京津冀地区水安全挑战与应对战略研究

京津冀地区是我国水资源承载压力最大、水生态系统受损最严重的区域之一,面向地区未来发展需求,系统研判水安全风险并提出针对性的应对策略,是实现京津冀协同发展和世界级城市群建设目标的科技保障。本文较为系统地梳理了有关京津冀地区的国家重大政策、经济社会发展态势、生态保护要求,分析了京津冀地区水安全现状、面临的形势以及有关重大科学问题。研究表明,①水资源供需矛盾是京津冀地区水安全保障的首要问题,未来区域水资源大概率将持续衰减1×10^(9)~2×10^(9) m^(3),南水北调后续工程需调水量为3.9×10^(9)~6×10^(9) m^(3)以保障区域水系统安全;②针对区域河湖萎缩干涸、地下水超采严重的水生态现状,提出了河湖生态保护修复布局建议,明确了分区“健康地下水位”,即在恢复地下水埋深方面,山前平原区为8~20 m、中部平原区为3~5 m、城市区为6~10 m、东部沿海区为2~3 m;③针对防洪达标率低、蓄滞洪区启用难度大等地区防洪体系的薄弱环节,可加强常态与应急统筹管理,提前布局超标洪水等应对措施。相关研究立足京津冀地区新发展方位,着力形成前瞻且可操作的对策建议,以期为京津冀地区一系列重大国家战略任务的推进实施提供基础性参考。

基于动态权重系数法的区域综合干旱指标研究

为揭示区域总体干旱程度及其变化特征,以长株潭地区为研究区,在标准化降水指数(SPI)、标准化水位指数(SZI)、标准化区域水资源短缺指数(SSDI)基础上,利用动态权重系数法构建区域干旱综合指标MIDI,结合历史受旱面积率、因旱减少供水量等旱情统计资料,对MIDI的适用性进行分析验证。以长株潭地区11个气象站、12个水文站近几十年实测资料为例,分别采用游程理论和Copula函数法识别干旱事件,并计算其发生频率,采用多尺度统计分析法,对区域综合干旱的演变特征进行分析。研究结果表明:SPI、SZI、SSDI对于不同水源、行业类型干旱评价各具优势,SPI、SSDI年干旱累积烈度与长株潭地区农业受旱面积率相关性相对较高;SZI年干旱累积烈度与城镇因旱减少供水量相关性较高,更适用于依靠地表径流为主要供水水源的城镇干旱地区评价。本研究提出的动态权重系数法,综合考虑了区域产业结构的年际变化、产业需水规律的季节性变化等因素,可反映不同阶段各单项指标干旱对于旱情的主导作用,适用于多种水源和产业类型的区域旱情综合评价;从月、季和年3种时间尺度,分析了长株潭地区MIDI综合干旱的变化特征,结果表明长株潭地区近20 a来极端干旱发生频次呈现波动增加趋势。

专栏导言

我国山洪灾害危险区分布广泛,涉及近3亿人,直接受威胁人口达7000万人。山洪灾害点多面广、突发性强、防御难度大,是汛期造成人员伤亡的主要灾种。按照党中央、国务院决策部署,2010年以来,水利部坚持以规划为统领,持续开展山洪灾害防治项目建设,初步构建了以非工程措施为主,非工程措施与工程措施相结合,专业防治与群测群防相结合的山洪灾害防御体系,发挥了显著的防灾减灾效益,近年来因山洪灾害死亡失踪人数下降7成以上。

2022年长江流域不同类型干旱时空响应关系

为研究2022年长江流域不同类型干旱的时空响应关系,基于三维时空聚类识别方法在月尺度下提取2022年长江流域气象、农业和水文干旱事件,在候尺度(5 d)下利用三类型干旱事件对匹配规则识别2022年长江流域存在时空联系的气象农业水文干旱事件对,定量揭示各类型干旱之间的时空响应关系。结果表明:三维时空聚类识别方法在月尺度下识别出历时大于2月的气象、农业和水文干旱事件分别为3、2和2场,能够清晰地刻画出各类型干旱在时空上的发生、发展、消亡过程;利用三类型干旱事件对匹配规则在候尺度下识别出2022年长江流域1场气象农业水文干旱事件对,即由气象和农业干旱事件共同引发的水文干旱事件,该场干旱事件对中各类型干旱事件迁移路径均为长江上游至中下游迁移,最终分别在湖北,重庆和湖北结束。

中国山洪灾害防御关键技术

结合我国山洪灾害防治所面临的自然社会双重胁迫因素和存在的关键技术问题,在总结中国水利水电科学研究院建院以来围绕小流域暴雨洪水规律、分析计算方法、防洪减灾监测预警技术等方面所完成的创新成果基础上,阐述我国山洪灾害防治的总体思路、理论技术体系和防御模式。重点论述小流域下垫面特征及产汇流特性、缺资料地区小流域暴雨洪水规律、新一代缺资料小流域产汇流模型及分布式水文模型、预警指标体系和风险评价理论、小流域山洪灾害动态预报预警技术、全国山洪灾害小流域预报预警系统建设等方面的技术突破和取得的创新性成果。

黄河水利遗产的构成与保护利用

黄河文化是中华民族的根与魂,黄河文化遗产的系统保护是当前黄河高质量发展的重要工作之一。通过系统总结黄河文化遗产的重要组成部分——水利遗产的形成及其价值,分析黄河水利遗产的构成及其主要特性,进而提出黄河水利遗产本体保护、依托水利遗产推动黄河文化的传承弘扬与发展、黄河水利遗产保护利用能力与保障措施建设等建议,可以为黄河文化遗产的系统保护、讲好“黄河故事”提供理论支撑。

城市暴雨洪涝多尺度分层嵌套模拟技术

针对城市暴雨洪涝模拟存在的计算精度与计算时间及数据可获得性等方面的矛盾,基于城市暴雨产生洪涝过程的时空特性,提出一种城市暴雨洪涝多尺度分层嵌套模拟技术。在全分布式模型的精细网格基础上,叠加大尺度计算单元,上层大尺度计算单元用于非淹没区的降雨产汇流模拟,底层精细网格用于淹没区的洪涝淹没过程模拟,且2种尺度计算网格实现“分层嵌套,实时切换”。应用这种分层嵌套模拟技术,模拟程庄子铁路桥区2020年“8·12”暴雨积水过程,取得较好的效果。研究表明,多尺度分层嵌套模拟技术,在保障较好的模拟精度的同时,可以大幅节省计算时间,有望为大区域城市暴雨洪涝模拟应用提供一种有效的技术手段。

长江流域六省(市)夏秋季生态干旱综合强度评估

2022年的长江流域大旱对农业、能源、生态等方面产生了严重影响。8月11日,水利部针对干旱影响最为严重的安徽省、江西省、湖北省、湖南省、重庆市和四川省启动了抗旱IV级响应,有关六省(市)生态系统受旱程度的定量评估亟待开展。鉴于此,本研究基于标准化生态缺水指数和改进的归一化差异水体指数,分别评估了干旱对六省(市)陆地和水域生态系统产生的影响,基于干旱事件特征分析研究区夏秋季生态干旱综合强度的年际变化,最后探讨了2022年生态干旱的主要原因。结果表明:(1)6月为生态干旱的起始阶段,7—9月陆地系统生态干旱严重程度和影响范围均不断增加,10—11月随着降雨量增加、植被需水量减小,干旱缓解,水域系统生态干旱不断加重并持续至11月;(2)1982—2022年六省(市)生态干旱综合强度呈波动增加态势,2022年均达到或接近历史同期的最大值,高强度区的面积占比高于历史平均水平的67.4%;(3)2022年降水和地表水偏少导致的低生态供水强度,与高温日数较长导致的高生态需水强度相叠加,引发了1982年以来最为严重的生态干旱。

城市洪涝模拟应用场景及相应技术策略

城市洪涝模拟是当前国内外城市防洪减灾领域研究的热点。现有城市洪涝模拟方面的评述,主要依据城市洪涝过程或模拟计算方法进行分类讨论,缺乏基于应用需求的视角。随着应用需求日益深入,城市洪涝模拟应用场景日趋多样化和复杂化,不同模拟应用场景下,所关注的洪涝过程不同,采用的技术策略及其重点和难点也不同,脱离模拟应用场景很难辨析这些不同。依据模拟对象和关注变量,归纳总结出城市洪涝模拟的3种典型应用场景,即城市外洪模拟、城市雨洪模拟、城市内涝模拟;针对这3种典型模拟应用场景,分析相应的城市洪水演进模型、城市雨洪模型、半分布式暴雨内涝模型、全分布式暴雨内涝模型等4类模拟技术策略;辨析在不同模拟应用场景和技术策略下,不同模拟技术的组合方式及其特点与难点,以期从应用需求的角度对城市洪涝模拟技术进行全面的梳理,为城市洪涝模拟应用和研究提供一个新的视角。

中小河流洪水防控与应急管理关键技术的思考

在总结国内外洪水防控与应急管理关键技术问题研究成果的基础上,针对中国中小河流众多、洪水频发、灾害严重等特点,讨论了高时空分辨率雨量场构建与短临精准预报、精细与智能洪水预报、洪水实时风险评估与应急处置、水文气象数据质量控制、云平台构建及多重情景仿真等关键技术问题,探讨关键科学问题,为中小河流洪水防控与应急管理提供思路。

基于可变模糊聚类的山丘区小流域洪峰经验公式推求

山丘区小流域暴雨洪水汇流计算是山洪精准预报预警的关键之一。针对山丘区小流域暴雨洪水历时短、成灾快和小流域普遍缺乏实测资料、产汇流非线性特征明显等特点,基于考虑雨强和流域异质性的分布式地貌单位线,开展山丘区小流域单位线峰值经验公式推求的研究。选取甘肃省山丘区26774个小流域作为研究对象,采用可变模糊聚类方法对小流域单位线进行分类,分类别建立小流域特征因子与单位线峰值之间的经验公式,并进一步探讨所推求经验公式的合理性。结果表明:可变模糊聚类算法能较好地应用于分布式单位线分类,该算法的分类效果非常突出,分类后的单位线经验公式计算效果有显著提升;山丘区小流域汇流过程峰值主要受流域面积、最长汇流路径长度及其坡降的影响,分布式单位线峰值经验公式在山丘区小流域汇流计算具有广阔的应用前景。

基于能量转换的地貌单位线计算方法及应用

该研究基于能量转换原理构建汇流模型,针对中小河流汇流参数确定困难、汇流计算准确度低的问题,分析流域内水质点能量的空间分布,采用将重力势能转化为动能的方式估计地表水流速度,计算空间流速场并提取地貌单位线。采用分辨率30 m×30 m的数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)数据,将湖南省竹溪坡流域划分为57个计算单元,分别采用能量转换法和坡度雨强法提取了地貌单位线。构建了研究区的分布式模型,其中产流计算采用新安江模型,坡面汇流采用地貌单位线模型,河网汇流采用马斯京根法,对竹溪坡流域36场降雨径流过程进行模拟。采用统计方法分析汇流参数,对参数的取值范围进行了评估。结果表明,与坡度雨强法相比,基于能量转换方式的洪水模拟结果中,峰现时间误差不超过1 h的场次比例由30.5%提高到83.3%,确定性系数不低于0.9的场次由9场提升至17场,平均确定性系数达到0.89,显著提高了模拟精度。通过对断面流速进行统计分析,评估竹溪坡流域汇流参数取值范围为[0.008, 0.014],当参数在此区间浮动时,确定性系数不低于0.9的场次比例为44%~50%,与率定得到的结果接近。该方法物理意义明确,参数可以通过率定或者测量方式确定,为无资料地区汇流规律研究提供了一种可靠思路。

基于SWMM模型及GIS技术的城市雨洪调控情景模拟——以镇江市城区为例

为解决城市区域在发生暴雨后的内涝问题和探讨低影响开发(LID)措施对城市雨洪的调控效果,选取近年内涝频发的镇江市老城区作为研究区域,采用SWMM模型构建该地区排水系统模型,模拟了符合当地防洪标准的30 a一遇暴雨条件下管网系统运行情况;然后,以淹没较为严重的汇水区为研究对象,布设4种LID措施及不同组合模拟8种情景下径流控制情况;最后,在基于遥感技术提取的建筑物屋顶上随机布设20%,50%,80%的绿色屋顶设施(GR),从空间尺度对比汇水区径流系数对不同比例LID措施的响应。结果表明:(1)在遭遇30 a一遇暴雨情景下,研究区内超过半数的节点和管网发生溢流或超载现象。(2) LID措施对控制城市雨洪有较好的效果,以S424汇水区为例,在径流量控制效果上,透水铺装>LID组合>绿色屋顶>雨水花园;在洪峰流量削减率上,透水铺装和雨水花园效果较好。(3)随着LID措施布设比例的增加,控制径流的效果越来越好,当区域内随机布设80%的绿色屋顶后,汇水区平均径流系数Ψ缩减60.39%。LID设计方案对海绵城市雨洪调控效果明显,可为当地内涝治理提供参考。

局部时间步长与GPU加速的非均匀网格模型在内涝模拟中的应用

近年来,受极端暴雨影响导致城市内涝等自然灾害频发,洪涝模型在预测地表水流动及相关过程中起着重要作用。为了进一步提高数值模型的计算效率,该文将GPU并行技术、非均匀网格划分技术及局部时间步长(LTS)算法耦合,开发了一套基于GPU加速与局部时间步长算法的非均匀网格模型。模型根据不同的土地利用类型,制定不同的网格优化准则来划分网格,从而较精确地描述复杂的城市地形特征。模型在水力要素敏感区加密网格以进行高分辨率计算,利用HLLC近似黎曼求解器计算界面通量,将模型分别应用到理想与实际算例中,结果表明:模型可有效捕捉干湿边界情况,具有一定的稳定性,模拟结果与均匀网格模型及解析解接近,可有效模拟降雨-地表产汇流过程;在沣西新城的城市内涝模拟中,模拟结果与实测及均匀网格模型相比,积水面积平均误差分别为4.1%和10.2%,计算效率较常规均匀网格模型和整体时间步长非均匀模型可分别提高4.5倍与2.3倍。综上所述,模型在非均匀网格、GPU加速和局部时间步长算法三者基础上大幅提高模型的计算效率,为解决实际复杂地形的大尺度城市内涝模拟遇到的计算效率较低等问题提供了相关参考。

基于陆气耦合的城市内涝高分辨率模拟预报方法

高分辨率城市内涝预报能更准确反映城市内涝情况,有助于及时发布预警预报信息,降低城市内涝带来的损失。基于预报降雨校正模块和高精度水文水动力模型,耦合GRAPES_MESO数值天气预报模式,构建了基于陆气耦合的城市内涝模拟预报模型。并以陕西省西咸新区部分区域为研究对象,通过三场实测暴雨检验模型的预报性能。结果表明,所建模型能高效准确预测城市内涝积水要素,计算15 h降雨-致涝过程平均用时为0.82 h,预报内涝积水面积平均误差低于10%,积水量平均误差小于20%,可见模型预报性能良好,能高效开展城市内涝预报工作,其模拟预报结果对指导城市防灾减灾工作具有一定意义。