基于三维水足迹模型的河南省水资源可持续利用水平评价

基于三维水足迹模型,以水生态赤字与盈余、水压力指数、水资源集约利用指数和水资源可持续指数4个指标构建水资源可持续利用水平指标评价体系,从时间上和空间上分析河南省的水资源可持续利用水平,并且利用对数平均迪氏指数分解法分析水足迹变化的驱动因素。结果表明:河南省水足迹由大到小为生产用水足迹、生活用水足迹和生态用水足迹,其中豫北和豫中各市的水足迹深度较大;河南省整体水资源可持续利用水平较差,其中豫北和豫中地区的水资源可持续利用水平最差;经济规模效应、人口规模效应对水足迹的变化具有正向驱动作用,而水足迹强度效率效应和水资源承载力效应具有负向驱动作用。

1952-2017年出山店水库上游降水时空变化

为了探究出山店水库上游流域近65 a来降水的时空变化特征,基于出山店水库上游流域13个雨量站1952—2017年的逐日降水资料,运用气候倾向率法、Mann-Kendall趋势检验、Morlet小波分析和反距离权重IDW插值法等多种方法,研究了降水的年际变化、周期性与空间分布特征。结果表明:(1)流域1952—2017年多年平均降水量为1028.3 mm,年降水量的气候倾向率为-20 mm/10 a(p<0.05),呈显著下降趋势,从季节上看,春、夏、冬降水随时间变化呈现减少趋势,秋季的降水呈现增加趋势;(2)年降水量呈现南高北低的空间分布,而年降水量的气候倾向率的变化趋势则与之相反;(3)流域降水量变化呈现20 a左右的第一主周期,同时流域的周期性变化也存在一定的空间分布特征。近65 a来,出山店水库上游年降水量变化趋势为先增加后减少,在整个时间域上有显著的下降趋势,并呈现20 a左右的周期性变化。

供水安全判别准则及评价体系--以出山店水库供水区为例

为了探究水库对城市供水安全的影响,根据提出的供水安全的3个判别准则,构建包含供水水源安全、供水过程安全和用水主体安全3个准则层的供水安全评价指标体系,并基于单指标量化-多指标综合-多准则集成(SMI-P)方法定量分析了出山店水库供水区供水安全状况。研究结果表明:出山店水库供水区供水安全水平整体不高,但呈上升趋势,基本处于接近安全和较安全水平;各评价指标供水安全度存在较大差异,随着城镇化水平的提高以及基础设施的完善,出山店水库供水区的供水安全度得到有效提高。本研究提出的供水安全判别准则、评价指标及案例分析可为供水安全评价提供参考和借鉴。

变化环境下出山店水库供水区水资源适应性利用能力评价

随着气候条件、人类活动的不断变化,水资源面临着巨大挑战。基于水资源适应性利用理论,分析变化环境下水资源适应性利用作用机制,并以出山店水库供水区为例,采用单指标量化-多指标综合-多准则集成(SMI-P)方法评价2014~2017年出山店水库供水区(浉河区和平桥区)的水资源适应性利用能力,并预测了2025年两区的水资源适应性利用能力,为提升当地水资源适应性利用能力提出建议。结果表明,2014~2017年供水区的水资源适应性利用能力不断提高,均处于基本适应或适应水平;2025年供水区水资源适应性利用能力均达到适应水平,但仍有上升空间;两区水资源子系统适应度相对较低,需要重视供用水环节。该研究可拓展水资源适应性利用理论在小尺度地区的应用。

出山店水库溃坝洪水数值模拟研究

溃坝洪水严重威胁下游地区人民的生命财产安全,准确预测溃坝洪水的影响范围至关重要。针对出山店水库的溃坝洪水,应用高精度二维浅水动力学模型模拟洪水在下游河道的演进过程,采用洪水灾害风险指标量化洪水的灾害程度,研究不同溃决情景下溃坝洪水的动力学特性、下游地区淹没范围和受灾程度的变化情况。结果表明:溃坝初始阶段淹没面积增加主要与流量峰值有关,最终淹没面积大小与溃决后水库下泄水量密切相关。

出山店大坝泄洪消能防冲数值模拟研究

针对出山店大坝泄洪水头低、单宽流量大,采用非完全宽尾墩(宽尾墩与平尾墩间隔布置)方案解决消能防冲问题,采用FLOW-3D软件对宽尾墩尾端折角、泄洪闸门开启顺序、下游河床冲刷形态进行模拟,并与物理模型试验结果进行对比分析,验证模拟方法的可靠性的同时对宽尾墩体型、闸门调度方案进行优化。结果表明,优化后的宽尾墩能明显提高消能效率;采用平尾墩闸门先开,宽尾墩闸门后开的闸门开启顺序能减小闸门开启过程中消力池底板受力;泄洪过程中,宽尾墩闸门泄洪对下游河床冲刷小。

基于双分支图卷积融合网络的水库区域地表覆盖遥感分类

准确的水库区域地表覆盖遥感分类,为水库生态环境保护、水库优化调度及水土保持等方面提供重要的基础数据。近年来,深度学习广泛应用于地表覆盖分类中,目前基于卷积神经网络的地表覆盖分类方法,通常是使用规则卷积核进行的局部空间运算,难以捕获像元间的长距离依赖关系。因此提出一种双分支图卷积融合网络(Dual Graph Convolutional Fusion Network,Dual-GCFN)进行地表覆盖遥感分类,网络分为两部分,其中上分支利用K近邻算法构建像元间的拓扑关系图,然后用图神经网络(Graph Neural Network,GNN)聚合邻域特征更新目标节点信息,实现光谱特征的聚合;下分支利用稠密网络(Dense Convolutional Network,DenseNet)对影像局部块进行卷积,提取遥感影像的空间信息和高阶语义信息;最后通过维度通道Add操作将光谱特征和空间特征将进行有效融合,经过全连接层后使用Softmax分类器实现地表覆盖分类。以河南省出山店水库区域为研究对象,使用研究区的Sentinel-2遥感影像数据和DEM数据进行实验,结果表明:提出的Dual-GCFN分类总体精度和Kappa系数分别为90.63%和0.87,与经典分类方法随机森林分类(Random Forest,RF)、单一的GNN或者DenseNet的分类结果相比总体精度分别提高了15.97%、10.86%、4.64%,Kappa系数分别提高了0.26、0.24、0.08,且在分类结果中大幅减少了地物的错分现象和分类图中的点状噪声。

基于SPEI指数的河南省干旱特征及与环流指数的相关性分析

干旱从古至今都是人类面临的主要自然灾害,即使在科技发达的今天,它造成的灾难性后果仍然比比皆是。利用不同时间尺度的标准化降水蒸散指数(SPEI)、Mann-Kendall检验、交叉小波分析等方法,分析了河南省1970-2019年干旱演变特征及其与环流的相关性。结果表明:基于SPEI值,近50年来河南省气候逐渐变得干旱;空间变化上,年及春、夏、冬季节都表现为西北干旱显著,东南相对湿润。从环流相关性来看,北大西洋涛动(NAO)、北极涛动(AO)、南方涛动(SOI)对河南省春、夏、秋三季干旱有着较强相关性,SOI和太平洋十年涛动(PDO)在年际上与河南省干旱表现出较强的相关性。

水利工程建设管理云平台建设与工程应用

设计开发水利工程建设云管理平台和云管理系统的目的是要研究和探索一种创新的水利工程建设的管理模式,一方面需要突破传统的管理模式和机制的束缚,另一方面在实现的技术与方法上也要进行不断地探索与尝试。建立云计算管理平台和系统是一种高效和集约化的建设模式,解决了水利工程实现信息化管理面临的手工管理、传统模式、分散管理、效率低等难题,可以全面提升水利工程建设信息化管理的整体水平,同时也可以提高工程管理的水平和工程质量。笔者在设计开发的过程也提出了很多需要深入研究问题。

基于SGD和分类区域阈值结合的水库流域覆被变化遥感检测方法

水库流域覆被变化检测是流域生态环境变化研究的基础,及时掌握精确的流域覆被变化信息对于水库洪水预报、优化调度和生态环境保护等具有重要意义。以河南省出山店水库流域为研究区域,采用Landsat 8 OLI遥感数据和土地覆盖分类数据,对目前常用的光谱斜率差异法、主成分分析法、变化向量分析法3种地表覆被变化遥感检测方法进行对比分析,研究这些方法的适用条件和局限性,并在此基础上,提出了一种基于光谱斜率差值(Spectral Slope Difference,SGD)和动态阈值结合的地表覆被变化遥感检测方法,解决了由于单一阈值造成变化像元漏分率和错分率高的问题。研究结果表明:试验结果总体精度达到97.55%,Kappa系数为0.944。说明基于SGD和分类区域阈值结合的方法对地表覆被变化信息的提取更有效。

水利工程管理信息系统运用研究

搞好水利工程管理信息系统的建设,是提升水利工程建设、运行、维护整个生命周期内管理水平的重要举措。现有的信息系统还有一些弊端,尚需要我们进一步优化。论文从实际需求出发,对现有信息系统的问题进行客观评价,并结合实际需要和现代信息技术的发展水平,提出整体融合解决方案,使其有效发挥信息技术在水利工程管理中的最大优势,全面提升水利工程管理水平。

基于RBF神经网络的场地重金属污染三维空间分布计算

分析污染场地重金属污染的三维空间分布,能够帮助准确掌握场地内重金属的污染范围及污染程度,对土壤修复治理方案的制定具有重要参考价值.以某停产的热镀锌厂原厂址为研究区,首先通过分析三种径向基函数神经网络的预测精度,确定了用于计算研究区重金属Zn含量三维空间分布的最优径向基函数,并构建了基于RBF神经网络的污染物三维空间分布计算模型;然后利用该模型对研究区内重金属Zn含量的三维空间分布进行了计算;最后利用ArcEngine二次开发的土壤重金属污染三维可视化系统对预测结果进行了三维可视化显示,并对Zn污染的土方量进行了计算.结果表明:以高斯函数作为径向基函数的RBF神经网络的预测精度最高;研究区地下[0,5)m的土层中Zn的平均质量分数为492.4 mg·kg^(-1),约为背景值(89 mg·kg^(-1))的5.5倍,被Zn污染的总土方量为33601.30 m^(3),说明研究区土壤的Zn污染程度较严重;Zn污染区域主要集中在研究区中部及中部偏东区域,且地下[0,2)m土层受污染最严重;垂直方向上,随土层深度的增加,土壤中Zn含量逐渐减小.

基于PNPI与SWAT模型的非点源污染风险空间分布

为了明确流域非点源氮(N)、磷(P)营养物质污染风险空间分布特征,识别流域非点源关键污染源区,以伊洛河流域为例,采用输出系数法量化流域不同土地利用类型、居民生活和禽畜养殖所产生的N、P污染负荷,借助改进后的潜在非点源污染指数(PNPI)模型和SWAT模型,阐述流域非点源N、P污染风险空间分布特征,识别N、P污染关键源区;采用皮尔逊相关系数法计算两模型模拟结果的相关性,评价改进后的PNPI模型模拟结果的可靠性。结果表明:2020年伊洛河流域N、P非点源污染风险空间分布较为相似,均呈现出伊河、洛河两支流上游污染风险较低,中下游污染风险较高的空间分布特征,N和P的极低、低、中、高、极高风险区面积分别占伊洛河总面积的48.85%、14.61%、9.68%、14.64%、12.22%和55.48%、8.76%、11.14%、13.25%、11.38%;土地利用输出是流域产生N、P污染的主要源头,负荷量分别为20 643.62、3 033.31 t/a,不同的土地利用类型中耕地输出的N、P负荷量最大,分别为13 000.07、1 956.44 t/a,草地输出产生的N负荷量最小,为1 322.99 t/a,居民用地产生的P负荷量最小,为113.61 t/a;改进后的PNPI模型与SWAT模型模拟的N、P污染负荷间的皮尔逊相关系数均达到0.6,表明改进后的PNPI模型适用于该研究区。

水源涵养相关概念辨析及水源涵养能力计算方法

为深刻理解水源涵养相关概念,在综述国内外相关研究的基础上,对水源涵养、水源涵养功能及水源涵养能力代表性概念进行了梳理和辨析,提出了内涵明确、外延清晰的定义。分析认为,水源涵养是生态系统截留降水、贮存水分、调节径流、净化水质、维持生态的过程和现象;水源涵养功能有狭义和广义之分,狭义的水源涵养功能是针对拦蓄降水、调节径流、影响降水量的功能,广义的水源涵养功能除狭义的功能外还包括水土保持、减少植被退化、改善下垫面条件、保护生物多样性、调节气候等生态环境保护功能;水源涵养能力应为水源涵养功能作用大小的定量体现,狭义的水源涵养能力计算主要是对水量的计算,广义的水源涵养能力计算应包括水量、水质及一些生态指标的综合计算。以黄河源区为例,介绍了黄河源区水源涵养能力的不同计算结果及应用说明。

浸没边界-格子玻尔兹曼方法的GPU并行加速

为了高效地模拟大规模三维流固耦合问题,提出了一种在GPU平台上并行加速浸没边界-格子玻尔兹曼(immersed boundary-lattice Boltzmann,IB-LB)耦合方法的策略。为了验证准确性和加速效果,计算了不同攻角下的三维平板绕流问题,得到了与实验结果吻合良好的升力和阻力系数随攻角的变化规律,并发现GPU内核函数的性能均受制于带宽,且其带宽利用率均达到70%。为了展示计算能力,模拟了中等雷诺数下三维拍动平板的绕流问题,证明所提方法和加速策略在模拟大规模复杂流固耦合问题上的有效性。

水土保持弹性景观功能与生态脆弱性研究

水土保持弹性景观功能是水土保持与生态环境研究的新内容,为了给水土保持弹性景观功能研究提供案例,以河南省出山店水库为例,以大坝以上至水位为92 m库区尾水上游第一条流域面积大于100 km2的支流为研究区,以自然小流域或小流域片为单元,利用GF-2卫星2 m分辨率真彩色融合遥感影像、1∶5万DEM等基础数据,基于ArcGIS将研究区划分为33个景观单元,依据水土保持弹性景观功能ET、生态脆弱性标准化指数SEVI将生态脆弱性分为5级,进行水土保持弹性景观功能与生态脆弱性分析。结果表明:研究区整体上生态良好,但存在生态脆弱区域;水土保持弹性景观功能ET值与生态脆弱性等级呈负相关关系,ET值可作为生态脆弱性等级判定的参考指标。

不同性态坝基帷幕对幕后环境变量的影响分析

坝基渗流主要受帷幕结构和防渗性能的影响,当其性态发生改变时可引起渗流场、化学场等的变化,并通过渗流量、扬压力以及溶液化学组分等反映出来。为定量研究幕后此类环境变量与帷幕性态改变之间的联系,建立了坝基渗流—溶解耦合模型反映幕后渗流场和化学场的空间分布,并通过局部和全局敏感性分析方法研究了坝基渗流量、幕后扬压力以及Ca2+浓度等环境变量受帷幕性态变化的影响。结果表明,各环境变量主要受帷幕防渗性能的影响,且该影响呈非线性,此特性也造成局部和全局敏感性分析结果略有不同。从性态参数间相互作用来看,无论对渗流场还是化学场,帷幕防渗性能与其他参数间相互作用较大,而帷幕宽度和深度与其他参数的相互作用较小。研究成果可为大坝防渗提供指导。

水土保持弹性景观功能模型及应用

为了给水电工程建设水土保持弹性景观功能研究提供案例,运用景观生态学静态研究思想和中性模型建模方法,以土壤流失量、生态保护指标、净第一性生产力为参数,构建了水土保持弹性景观功能模型,用其计算的水土保持弹性景观功能ET值阈限为0~5,ET值越大表明土壤侵蚀越轻微、生态环境越优良、生态生产功能越强。以出山店水库大坝以上至92 m水位库区尾水上游第一条流域面积大于100 km2的支流为研究区进行实例计算,结果表明研究区水土保持弹性景观功能ET最大值、最小值、现状值分别为4.162、2.505、3.994,均超过ET值阈限平均值2.5,说明研究区水土流失相对轻微、生态环境良好、生态生产功能较强,但仍须进一步防治水土流失、保护生态环境。

基于SWAT的径流模拟参数优化方案及不确定性分析

SWAT模型在水科学领域应用极为广泛,顺序不确定拟合算法(SUFI-2算法)是SWAT校准优化的首选工具,提高SUFI-2算法的率定效率对SWAT的应用十分重要。在SUFI-2算法中设立NS、R和PBIAS 3种目标函数,在此基础上,分析14种水文相关参数敏感性,基于95PPU不确定性的限制原则(P-factor>0.7且R-factor<1)率定参数范围,结合模拟性能评价的分级准则遴选最佳模拟,最后采用出山店水库1980~2018年水文资料进行验证。结果表明:3个目标函数中,PBIAS对参数变化的响应程度最强,利用PBIAS确定的敏感参数有CN2,CANMX,SOL_BD,GW_DELAY,GWQMN, GW_REVAP,ESCO,RCHRG_DP和SOL_AWC;率定期和验证期模拟不确定性与降水分布相关;遴选的最佳模拟在不同时期表现出的性能稳定高效,证明遴选方法可行。研究成果对于提高水文模型优化效率具有借鉴意义。

齿坎式宽尾墩消能特性CFD模拟

为了解齿坎式宽尾墩的消能效果和机理,以出山店水库枢纽工程为例,在模型试验和数值模拟结果吻合良好的基础上,研究了齿坎式宽尾墩的消能特性和流态,并进一步分析了齿坎式宽尾墩尾端折角大小和齿坎角度对其消能效果的影响。结果表明,水流通过宽尾墩的齿坎后分层,不同层的水流流速不同而相互紊动摩擦,层间水翅在较远处产生剧烈碰撞,进而增强消能效果,获得了最优齿坎式宽尾墩体型,可为工程设计提供参考。