人口特征对中国经济社会需水影响及峰值预测

人口规模结构是决定水资源需求的关键因子,在人口总量负增长的重大变化背景下,中国经济社会需水如何演变直接关系到水资源管理宏观决策。本文通过分析中国人口城乡结构、年龄结构对经济社会需水的影响规律,构建了基于人口特征的需水变化曲线,并在此基础上预测了经济社会需水演变态势及峰值时点。研究结果表明:中国经济社会需水峰值可能出现在2042年,达峰规模约为7300亿m^(3);2050年之前,城镇地区需水总量将会持续增加,农村地区需水峰值将于2030年左右出现。经济社会需水规模是决定区域用水特征的边界条件,研究认为在中国经济社会需水还未到达拐点、国际贸易环境动荡加剧的背景下,未来中国供水保障还应该保持一定的弹性和韧性。

考虑水土互馈关系的区域水土资源联合优化配置

针对水土资源空间不匹配、水资源总量不足及土地资源利用程度不高等问题,以二元水循环理论为基础,构建考虑水土互馈关系的区域水土资源联合优化配置模型。该模型包括产水模块、水土联合配置模块和土地模拟模块,以GDP最大和基于生态绿当量的区域植被覆盖率(EGE-RVC)最高为目标函数,并提出了一种耦合约束法、逐次逼近法和非线性规划的三层嵌套算法进行求解。以河南省洛阳市为例对模型和方法进行验证,结果表明,洛阳市可利用水量增加了4463万m^(3),GDP提高了12.5%,EGE-RVC增加了2.6%,各用地类型缺水率不同程度下降。研究成果能够为区域水土资源优化配置研究提供新的思路和技术参考。

基于拦河闸坝蓄水补给的大沽河流域海水入侵优化防治

为减缓大沽河流域水资源短缺的现状,提出了一个新的多目标优化框架,用于优化管理流域现有的多级拦河闸坝蓄水工程措施和地下水开采策略。通过耦合校准的数值模型与概化的河流子程序包,模拟河流蓄水时大沽河-地下水间水力联系,重点关注最小化海水入侵程度、最小化河流渗流和最大化地下水允许开采量3个目标之间的权衡关系。采用NSGA-Ⅱ来搜索优化模型在不同气候条件影响下的帕累托最优解。优化结果表明,为了缓解海水入侵,在降水不足年份,靠近海水入侵区的闸坝应提高其蓄水位0.5~1.5 m,其余闸坝应降低其蓄水位至少1 m;4个县级行政分区在地下水压采约束下,年开采量在降水较少年份应比降水较多年份浮动调整120万~150万m 3甚至更多。本文优化框架和调控策略可为人类活动强烈的其他沿海含水层管理提供重要借鉴。

洞庭湖入汇对荆江河段水位的顶托程度与范围

洞庭湖入汇对长江干流水位的顶托作用影响着荆江河段的水文情势变化,分析其变化特征对研究长江中下游防洪安全问题具有重要意义。为揭示汇流顶托作用的程度与影响范围,本文基于1990—2020年荆江河段水位流量关系与洞庭湖汇流比,提出洞庭湖入汇顶托程度的量化方法,构建计算顶托程度的随机森林回归模型,分析顶托程度主要影响因素的重要性。结果表明:①洞庭湖入汇顶托程度与汇流比呈显著正相关关系;顶托程度随干流流量增大而增加,2003—2020年枯水、中水和洪水流量级监利站水位受顶托程度平均为0.59、1.33和1.60 m;顶托最大影响范围随干流流量与汇流比增大向上游延伸。②随汇流比增大,在2020年干流枯水、中水和洪水流量级下,顶托最大影响范围的延伸区间分别为石首—沙市、石首—陈家湾和陈家湾—枝城;汇流比、荆江段累计冲刷深度、螺山水位及干流流量对顶托程度变化的重要性占比分别为28%、27%、25%和20%。③构建的顶托程度计算模型在不同流量级都能够较好地计算荆江河段水位的顶托程度并确定顶托影响范围。

澜沧江高坝大库物质迁移转化特征及其机制

针对澜沧江高坝大库对物质迁移转化的影响问题,自主研发了深库智慧采样设备和潜流带动态监测系统,于2016年、2017年、2018年开展了澜沧江上游1290 km的9个梯级水库的监测分析,实现了280 m最大工作水深的垂向分层水样与沉积物样无扰动采集和潜流带水土环境界面的多指标监测。研究发现:梯级水库促进了水体中生物有效磷、氨氮占比和沉积物中生物有效磷释放的沿程增加;沉积物中甲基汞的分布与泥沙颗粒沉降有关,受到水力停留时间和库龄的共同调控;温室气体的排放通量因建坝有所提升,但远低于世界平均水平;潜流带因干湿交替频率和面积的增加,加强了水库关键带脱氮和温室气体削减效应;水库中微生物群落并未因建坝隔离,在沿程和垂向上,水温都是其关键影响因子。

考虑有效不透水下垫面的城市雨洪模拟模型——Ⅱ.雨洪模拟及水文响应分析

为了分析有效不透水下垫面在城市雨洪模拟中的水文响应机理,以常州市双桥浜径流小区为研究区域,构建考虑有效不透水下垫面的城市雨洪模型。利用实测资料先确定屋顶中有效不透水面积的比例,再率定模型其余参数。采用不同的方法表征不透水性,设置不同的模拟方案,分析有效不透水面积及总不透水面积的水文响应。结果表明:与正确使用有效不透水面积的模拟结果相比,用总不透水面积表征模型不透水性且直接移用有效不透水面积模型参数,会高估洪峰流量及洪量;使用总不透水面积表征不透水性,进而率定模型,低重现期时洪峰流量偏大,高重现期时洪峰流量偏低,并且会低估洪量。

波浪作用下的床面切应力研究进展

波浪作用下的床面切应力是估算近岸泥沙起动、输移的重要基本参数之一,其形成的底部摩阻效应也会对近岸水动力环境产生影响。由于现场观测较为困难,对波浪边界层与波浪作用下床面切应力的认识主要建立在室内试验观测基础上。回顾国内外相关理论模型和试验测量研究,梳理各类研究方法与测量技术的优缺点及适用条件;整理20世纪70年代至今的大量试验资料,对已有研究成果进行归纳分析,包括波浪非线性、波浪破碎等因素对床面切应力的影响;总结现有研究存在的局限性,提出今后的研究重点。超大型水槽是未来突破波浪边界层理论研究瓶颈的重要设施;高适应性水下二维切应力传感器的发展是复杂动力条件下床面切应力研究取得突破的关键。

基于生态流量阈值的河流水文健康演变定量归因

环境变化改变了河流水文情势,影响了河流的生态系统健康,亟需开展变化环境下河流水文健康演变定量归因方法研究。选取北方半干旱地区老哈河流域为研究区,依据流域内3个水文站、17个雨量站和6个气象站1964—2016年数据,基于可变下渗容量模型还原河流的天然流量序列;采用概率密度法计算河流生态流量,基于生态流量阈值推求河流水文健康等级;基于“观测-模拟”对比分析法,定量分离气候变化和人类活动对河流水文健康情势的影响。结果表明:人类活动是甸子和太平庄子流域自1980年以来河流水文健康情势退化的主要原因,其贡献率分别为86.9%和87.9%;大面积农业灌溉用水引起地表径流下降以及水利工程改变天然水文情势,影响了河流水文健康情势;90年代降水量较为充沛,研究流域受人类活动影响程度较小,河流水文健康等级维持在较高的水平。综合生态流量阈值和“观测-模拟”对比分析方法可定量识别河流水文健康情势演变原因,为适应环境变化的河流健康管理提供科学依据。

三峡库区汛期洪峰和沙峰异步运动特性的三维数值模拟

三峡水库蓄水后水深的增加导致洪水传播过程中沙峰滞后于洪峰的时间增加,利用洪峰和沙峰异步运动特性进行沙峰排沙调度是减缓水库淤积的重要手段之一。采用三维数值模型SCHISM(Semi-implicit Cross-scale Hydroscience Integrated System Model)研究三峡库区洪峰和沙峰的异步运动规律,基于2013年的汛期水沙传播过程验证模型的可靠性和准确性,初步分析不同洪水位下洪峰和沙峰的异步运动特性。结果表明:数值模型能够准确地模拟三峡水库汛期洪峰和沙峰长距离的传播过程;坝前蓄水位对洪峰传播时间的影响不大,但是对沙峰传播时间的影响较为显著;坝前水位增加使水流的流速减小和挟沙能力降低,沙峰传播速度减慢且峰值沿程不断降低,最终导致库区中沙峰滞后于洪峰出现的时间沿程越来越长。研究结果可为进一步优化三峡水库的沙峰排沙调度等提供科学依据。

2018年度优秀审稿专家名单

2018年,在广大作者、审稿专家、编委及主办单位的大力支持和帮助下,《水科学进展》的论文水平和内容质量得到明显提升。据中国科学技术信息研究所2018年10月31日发布数据,在统计的2416种中国科技核心期刊中,《水科学进展》核心版影响因子1. 621,在水利类期刊中排名第一;据2018年10月25日发布的《2018中国学术期刊国际国内影响力研究报告》,《水科学进展》连续7年入选“中国国际影响力优秀学术期刊”;2018年1月,《水科学进展》获江苏省新闻出版广电政府奖报刊奖。据统计,2018年共有270位专家参与了《水科学进展》的审稿928次,他们为期刊发展付出了辛勤劳动,在此一并表示衷心感谢!综合审稿专家在过去一年中的审稿数量、质量和时效性等多项指标,评选出《水科学进展》2018年度27位优秀审稿专家(姓名拼音排序)。

港珠澳大桥东西人工岛深埋式大圆筒岛壁结构稳定与变位模拟

深埋式大直径钢圆筒是一种新型海工结构,目前尚未有公众一致认可的结构稳定性分析方法,严重阻碍了大直径钢圆筒结构在实际工程中的推广使用。为进一步完善新型结构的理论基础,研究结合港珠澳大桥人工岛工程实例,基于PLAXIS 3D分析平台,针对深埋式大直径钢圆筒岛壁结构开展三维弹塑性建模分析。研究结果表明:当大直径钢圆筒结构深埋于软黏土地基时,圆筒顶部水平位移相对较大,但其整体稳定性可以获得较大提升。数值模型计算分析的方法与基于OCDI的平面分析理论相结合,并通过实际工程案例中测量数据的验证,最终形成一套可靠的深埋式大直径钢圆筒抗剪抗滑稳定性计算方法和判别标准,并对钢圆筒结构用于港口水工建筑物的适用性提出了原则性建议。研究成果可为类似工程的设计与优化提供理论依据和参考实例。

考虑降水预报的三峡入库洪水集合概率预报方法比较

为了考虑预见期内降水预报的不确定性对洪水预报的影响,采用中国气象局、美国环境预测中心和欧洲中期天气预报中心的TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)降水预报数据驱动GR4J水文模型,开展三峡入库洪水集合概率预报,分析比较BMA、Copula-BMA、EMOS、M-BMA 4种统计后处理方法的有效性。结果表明:4种统计后处理方法均能提供一个合理可靠的预报置信区间;其期望值预报精度相较于确定性预报有所提高,尤其是水量误差显著减小;M-BMA方法概率预报效果最佳,它能够考虑预报分布的异方差性,不需要进行正态变换,结构简单,应用灵活。

三峡水库运用对鄱阳湖调蓄能力的影响

鄱阳湖调蓄能力受“五河”(赣江、抚河、信江、饶河、修水,以下简称五河)及长江干流的双重影响,三峡水库运用后,干流水文情势变化影响鄱阳湖与长江之间的水量交换。基于实测资料统计和湖口出流影响因素分析,建立了一种新的鄱阳湖出流及临界调蓄水位的计算公式,进而对三峡水库运用前后鄱阳湖各月调蓄水量的变化情况进行了定量分析。研究结果表明,长江干流和五河来流通过改变星湖落差和湖口水位来影响湖口出流及湖泊调蓄水量,但影响过程及影响量有所差异,若湖口水位不变,五河入流每增加1000m^3/s,湖口出流约增加304m^3/s,九江流量每增加1000m^3/s,湖口出流约减小723m^3/s。三峡水库运用会改变湖泊调蓄水量,年内各月相比,9月鄱阳湖水量减小约49.4%,5月鄱阳湖水量增加约47.7%。

三江源区大气水汽含量时空特征及其转化变化

利用1979—2016年ERA-Interim再分析资料提供的1°×1°水汽通量和大气可降水量(PWV)数据,采用相关性分析、趋势分析法、累积距平及反距离加权(IDW)等方法,研究三江源地区PWV与水汽通量的时空分布特征和降水转化率(PCE)。结果表明:①过去38年来,经、纬向多年平均水汽通量分别为2. 0 kg/(m·s)、10. 3 kg/(m·s),水汽通量纬向增幅高于经向,水汽在纬向汇入为主,经向输出为主;②PWV呈微弱增多趋势,年平均PWV为1 791. 6～2 278. 9 mm,季节平均PWV为122. 2～1 134. 2 mm,不同季节内空间差异明显;③三江源区多年平均PCE为24. 6%,1989年最高,达32. 8%;季节与多年平均PCE空间分布一致,都表现出由东南向西北递减的变化特征,季节分布变化差异大;④该地区空中水资源丰富但自然PCE低,开发潜力大,应用前景广阔。

考虑植被和人类活动影响的水文模型参数时变特征分析

变化环境下流域水文物理特性常呈现"非稳态"特征,代表流域特性的模型参数也会随之发生变化,因此,开展水文模型参数时变研究有助于提高水文模拟精度。考虑植被条件和人类活动对水文过程的影响,基于植被归一化指数、人口、地区生产总值、粮食产量和有效灌溉面积5个指标建立两参数月水量平衡模型参数的时变函数表达式,并考虑4种参数时变情形。选取直门达、张家山、咸阳、横江、丹江口和峡江站6个水文站分析对比4种情形下模型的径流模拟结果及其不确定性。结果表明:所有站点在1982—2006年内水文物理特性呈现"非稳态"特征;且较常参数而言,时变参数模型模拟效果更好,并获得更优的确定性预报结果,其中直门达站径流模拟精度提高最为显著,率定期和检验期内的纳西效率系数(NS)分别提高了10. 3%和8. 8%。该研究可以为变化环境下流域水库调度、水资源规划与管理等提供理论依据和技术支撑。

考虑薄膜水的利用介质粒度分布获取水土特征曲线的方法

利用介质粒度分布间接获取水土特征曲线(SWCC)是一种快速、经济的方法。由于该方法的传统模型(HP模型和MV模型)忽略了薄膜水,获得的SWCC在低含水率段存在显著误差。提出了一种考虑介质表面薄膜水的含水率估算方法,与HP模型和MV模型的吸力计算方法结合预测SWCC,选用土壤水力性质数据库UNSODA的17种土壤样品对两种修正模型的预测效果进行了验证。结果表明,采用薄膜水修正后的HP模型和MV模型可以显著改善传统模型中SWCC低含水率段含水率的低估,并能有效地预测砂土等粗粒介质的SWCC。另外,含水率估算中引入参数β后,修正的MV模型也可用于壤土和黏土等细粒介质的SWCC的预测。

松花江白山河段冰情数值计算及分析

根据水动力学、河流动力学、热力学、河冰水力学及固体力学等原理,针对松花江上游白山河段具体特征,建立了河冰数学模型,并应用有限差分计算方法,对白山河段冬季冰情演变进行了精确模拟。应用该河段1958—1973年共15年完整的地形、气象、水文、热力、冰情等原型观测资料,分别进行了模型参数率定及冰情数值模拟。研究结果表明:白山河段的封冻首先开始于白山坝址下游4 km的大崴子河段,然后封冻边缘逐渐上溯,最终到达松14断面;计算的白山河段冰花堆积体外形与河床纵剖面呈相似趋势;各种水力及冰情要素的数值计算结果和实测值吻合较好,所建立的数值模型能较好地模拟该河道的冰情。研究结果对东北地区河流冬季冰情研究及冰害防治具有一定的借鉴意义。

中国城市洪涝问题及成因分析

随着经济社会的发展,中国步入城镇化快速发展的阶段,城镇化率已由2000年的36.22%增加到2014年的54.77%。在全球气候变化与快速城镇化背景下,中国城市洪涝灾害日益严重。阐述了全球气候变化及城镇化对城市降水和极端暴雨的影响机制,并从流域产汇流角度分析了城镇化对洪水过程的影响,系统剖析了中国城市洪涝频发的主要原因。在成因分析的基础上,进一步提出了中国城市洪涝防治的应对策略,主要包括:1以低影响开发理念为指导,加强城市基础设施建设,建设海绵城市;2建立城市洪涝立体监测、预报预警和实时调度系统,强化城市洪涝科学决策能力;3健全和完善城市洪涝应急预案,强化应急管理能力,完善灾害救助和恢复机制。

赣江流域TRMM遥感降水对地面站点观测的可替代性

多卫星遥感降水产品为无/缺资料地区的水文过程模拟提供了新的数据来源。结合地面高密度雨量站网,在中国典型暴雨区赣江流域定量评估两种TRMM降水产品(3B42V7和3B42RTV7)的精度,并通过耦合分布式水文模型CREST,探讨了水文模拟中TRMM卫星降水产品对地面观测降水的可替代性。研究表明:3B42和3B42RT与地面观测流域平均月降水相关系数达到0.9以上,偏差在5%以内,日尺度上相关性略差,偏差略有增加。同时设计2种水文模拟对比试验:情景I为静态参数,使用地面雨量站降水率定模型参数,采用卫星降雨验证模型;情景II为动态参数,采用卫星数据重新率定模型参数,再利用卫星降雨验证模型。对比结果表明:情景II中完全使用TRMM降水后模型效果明显改善,证明TRMM卫星数据在赣江流域具有替代地面站点观测的潜力,但需要重新根据卫星降雨率定模型。

洪水预报自由水蓄量动态系统响应修正方法

为提高实时洪水预报精度,提出一种基于动态系统响应修正自由水蓄量的新方法。该方法将新安江模型自由水蓄水库以下的部分作为一个系统,将自由水蓄量的扰动值与对应的系统响应差值建立关系,通过最小二乘法建立起一个向误差源追溯的自由水蓄量误差反演修正模型。分别应用理想模型与东圳流域对其进行检验,并与二阶自回归(AR)模型的修正结果进行比较。结果表明,对于流域的16场历史洪水,新方法的修正效果相比于AR模型有明显提高,可在实际流域中推广应用。