南水北调与水利科技（中英文）
2020年第18卷第6期文章目次
2020, 18(6):1-16.
摘要:
利用站点实测资料、GCMs 月数据对 GCMs 进行秩评分评估排序, 从 21 种 GCMs 模式优选出的 6 种 GCM模式的日数据、6 种 GCM 集成的气候模式、站点实测资料和 NCEP 再分析资料构建统计降尺度模型 SDSM, 预估泾河上游流域的未来降水变化。结果表明: 构建的降尺度模型对降水模拟较为可靠, 率定期各模式决定系数 R2 为 0.228~ 0.324, 标准误差为 0.354~ 0.450, 率定期和验证期模拟月均降水与实测值年内分布相近。在降尺度性能评价中集成模式表现最好。在 RCP 4.5 情景下, 泾河上游流域未来降水大多数模式和集成模式呈增加趋势, 到 2030 年泾河上游流域降水量将增加 4.8% , 且当地的春季雨量会增加, 夏季雨量会减少。
利用站点实测资料、GCMs 月数据对 GCMs 进行秩评分评估排序, 从 21 种 GCMs 模式优选出的 6 种 GCM模式的日数据、6 种 GCM 集成的气候模式、站点实测资料和 NCEP 再分析资料构建统计降尺度模型 SDSM, 预估泾河上游流域的未来降水变化。结果表明: 构建的降尺度模型对降水模拟较为可靠, 率定期各模式决定系数 R2 为 0.228~ 0.324, 标准误差为 0.354~ 0.450, 率定期和验证期模拟月均降水与实测值年内分布相近。在降尺度性能评价中集成模式表现最好。在 RCP 4.5 情景下, 泾河上游流域未来降水大多数模式和集成模式呈增加趋势, 到 2030 年泾河上游流域降水量将增加 4.8% , 且当地的春季雨量会增加, 夏季雨量会减少。
2020, 18(6):17-26.
摘要:
为了探究流域气象水文要素间相关性结构及其演化, 采用交叉小波分析、去趋势波动分析( DFA) 、去趋势互相关分析( DCCA) 和去趋势偏互相关分析( DPXA) 对渭河流域 1960- 2015 年的气象水文数据( 年降水量、年蒸发皿蒸发量、年径流深等) 进行了时频域相关性分析和长程相关性分析, 探讨气象水文要素间的相关性结构变化和长程相关性特征。交叉小波分析表明, 研究期内蒸发、降水、径流任意两因子间相关性在不同时频域存在差异, 相关结构上 存在 1~ 2 和 8 a 的相似主导周期, 宏观上降水2径流间多尺度相关结构发生退化, 共振周期减少。长程相关分析表明, 径流、蒸发和降水序列的 Hurst 指数均大于 0.5, 表现出良好的长持续性特征, 当前降水( 径流、蒸发) 会对未来 某一时刻的降水( 径流、蒸发) 产生影响; DCCA 结果表明, 降水-径流间表现出长程相关性, 而降水-蒸发和径流-蒸发 呈长程反相关性, 呈现出不同的长程互相关结构; DPXA 结果表明, 扣除第三因子影响后, 降水-蒸发和径流-蒸发长程相关性发生突变, 从而降水-径流、降水-蒸发和径流2蒸发两两间均呈长程互相关性, 暗示降水、径流和蒸发三者间 长程相关性的互馈特征, 相比于 DCCA 结果, DPXA 的结果显然更具有说服力。透过滑窗分析可发现降水-径流、降水-蒸发之间的长程互相关性在时域上没有发生突变, 未来降水量的可能增加将引起径流量增大, 并间接引起渭河流域受水量制约的蒸发量增大; 径流-蒸发间长程互相关性于 1962 年由长程反相关突变为长程相关, 随后长程相关性持续增强, 标志着渭河流域未来蒸发的变化可能会引发更大的径流波动。
为了探究流域气象水文要素间相关性结构及其演化, 采用交叉小波分析、去趋势波动分析( DFA) 、去趋势互相关分析( DCCA) 和去趋势偏互相关分析( DPXA) 对渭河流域 1960- 2015 年的气象水文数据( 年降水量、年蒸发皿蒸发量、年径流深等) 进行了时频域相关性分析和长程相关性分析, 探讨气象水文要素间的相关性结构变化和长程相关性特征。交叉小波分析表明, 研究期内蒸发、降水、径流任意两因子间相关性在不同时频域存在差异, 相关结构上 存在 1~ 2 和 8 a 的相似主导周期, 宏观上降水2径流间多尺度相关结构发生退化, 共振周期减少。长程相关分析表明, 径流、蒸发和降水序列的 Hurst 指数均大于 0.5, 表现出良好的长持续性特征, 当前降水( 径流、蒸发) 会对未来 某一时刻的降水( 径流、蒸发) 产生影响; DCCA 结果表明, 降水-径流间表现出长程相关性, 而降水-蒸发和径流-蒸发 呈长程反相关性, 呈现出不同的长程互相关结构; DPXA 结果表明, 扣除第三因子影响后, 降水-蒸发和径流-蒸发长程相关性发生突变, 从而降水-径流、降水-蒸发和径流2蒸发两两间均呈长程互相关性, 暗示降水、径流和蒸发三者间 长程相关性的互馈特征, 相比于 DCCA 结果, DPXA 的结果显然更具有说服力。透过滑窗分析可发现降水-径流、降水-蒸发之间的长程互相关性在时域上没有发生突变, 未来降水量的可能增加将引起径流量增大, 并间接引起渭河流域受水量制约的蒸发量增大; 径流-蒸发间长程互相关性于 1962 年由长程反相关突变为长程相关, 随后长程相关性持续增强, 标志着渭河流域未来蒸发的变化可能会引发更大的径流波动。
2020, 18(6):27-41.
摘要:
由旱至灾的过程存在一个临界态, 为辨识干旱致灾临界态, 提出了一种基于主成分分析和支持向量机的干旱 致灾临界态的辨识方法。通过主成分分析对反映干旱持续时间、严重程度和极值特征的多个指标进行降维处理, 剔除指标间相关性引起的冗余信息, 再进一步结合当地的历史旱灾记录, 基于支持向量机的分类原理寻求最优分类平面, 对潜在的干旱样本是否致灾进行分类, 由此确定的分类平面就是干旱致灾临界面。该临界面可以直观地揭示干旱的发展过程及趋势, 便于在干旱预警中推广应用。以汉江石泉以上流域为例, 按照一定原则共选取 107 个潜在干旱样本, 并结合历史旱灾记录, 采用上述方法对潜在干旱样本中的致灾样本进行了辨识, 率定期和验证期的准确率分别达到 88.6% 和 78.6% , 识别精度较高。
由旱至灾的过程存在一个临界态, 为辨识干旱致灾临界态, 提出了一种基于主成分分析和支持向量机的干旱 致灾临界态的辨识方法。通过主成分分析对反映干旱持续时间、严重程度和极值特征的多个指标进行降维处理, 剔除指标间相关性引起的冗余信息, 再进一步结合当地的历史旱灾记录, 基于支持向量机的分类原理寻求最优分类平面, 对潜在的干旱样本是否致灾进行分类, 由此确定的分类平面就是干旱致灾临界面。该临界面可以直观地揭示干旱的发展过程及趋势, 便于在干旱预警中推广应用。以汉江石泉以上流域为例, 按照一定原则共选取 107 个潜在干旱样本, 并结合历史旱灾记录, 采用上述方法对潜在干旱样本中的致灾样本进行了辨识, 率定期和验证期的准确率分别达到 88.6% 和 78.6% , 识别精度较高。
2020, 18(6):42-63.
摘要:
在总结水-能源-粮食纽带关系研究中, 使用频率较高或潜力较大的 8 种水-能源-粮食纽带关系定量研究方法为: 水-能源-粮食纽带关系工具 2.0( WEF Nexus Tool 2.0) ; 生命周期评价( LCA) ; 可计算的一般均衡模型( CGE) ; 系统动力学模型( SD) ; 气候、土地、能源与水资源策略( CLEWS) ; 基于社会生态系统代谢的多尺度综合评价( MuSIASEM ) ; 市场配置/ 市场配置系统集成模型( MARKAL/ TIMES) 和水资源评价规划模型-长期能源替代规划系统 ( WEAP2LEAP) 。通过总结各研究方法的产生、发展及特性, 并引用案例讨论其适用范围, 分析其优缺点和在使用 时需要注意的问题。在此基础上, 对未来水2能源2粮食纽带关系定量研究方法的发展趋势进行讨论, 认为伴随可持 续发展问题关注度的上升与水-能源-粮食纽带关系内在机理的挖掘, 未来的水-能源-粮食纽带关系定量研究方法将 更加注重量化的精确性和数据的互通以及跨学科研究和多方法的耦合。本文可为水-能源-粮食纽带关系定量研究方法的选择和更新优化提供参考。
在总结水-能源-粮食纽带关系研究中, 使用频率较高或潜力较大的 8 种水-能源-粮食纽带关系定量研究方法为: 水-能源-粮食纽带关系工具 2.0( WEF Nexus Tool 2.0) ; 生命周期评价( LCA) ; 可计算的一般均衡模型( CGE) ; 系统动力学模型( SD) ; 气候、土地、能源与水资源策略( CLEWS) ; 基于社会生态系统代谢的多尺度综合评价( MuSIASEM ) ; 市场配置/ 市场配置系统集成模型( MARKAL/ TIMES) 和水资源评价规划模型-长期能源替代规划系统 ( WEAP2LEAP) 。通过总结各研究方法的产生、发展及特性, 并引用案例讨论其适用范围, 分析其优缺点和在使用 时需要注意的问题。在此基础上, 对未来水2能源2粮食纽带关系定量研究方法的发展趋势进行讨论, 认为伴随可持 续发展问题关注度的上升与水-能源-粮食纽带关系内在机理的挖掘, 未来的水-能源-粮食纽带关系定量研究方法将 更加注重量化的精确性和数据的互通以及跨学科研究和多方法的耦合。本文可为水-能源-粮食纽带关系定量研究方法的选择和更新优化提供参考。
2020, 18(6):64-70.
摘要:
为研究济南城市化发展对大气降水入渗补给的影响, 利用济南市 1980、1990、2000、2018 年的遥感数据和 Feflow 软件识别不同时段的趵突泉泉域大气降水入渗补给量, 分析城市化发展引起的土地利用类型变化对趵突泉泉 域降水入渗补给量的影响。结果表明: 1980- 2018 年, 研究区耕地和林地面积显著减少, 建设用地面积大幅增加; 2000- 2018 年, 研究区不透水面积增加了 213.13 km2 , 大气降水入渗补给量减少了2 625万 m3。研究成果可为济 南市未来的城区规划提供科学的参考, 也为济南保泉供水工作提供有效的数据支撑。
为研究济南城市化发展对大气降水入渗补给的影响, 利用济南市 1980、1990、2000、2018 年的遥感数据和 Feflow 软件识别不同时段的趵突泉泉域大气降水入渗补给量, 分析城市化发展引起的土地利用类型变化对趵突泉泉 域降水入渗补给量的影响。结果表明: 1980- 2018 年, 研究区耕地和林地面积显著减少, 建设用地面积大幅增加; 2000- 2018 年, 研究区不透水面积增加了 213.13 km2 , 大气降水入渗补给量减少了2 625万 m3。研究成果可为济 南市未来的城区规划提供科学的参考, 也为济南保泉供水工作提供有效的数据支撑。
2020, 18(6):71-77.
摘要:
针对降水量影响因素众多, 是一种复杂的非平稳、非线性且存在噪声问题的时间序列的特点, 提出一种基于小波包分解的 LS-SVM 与 ARIMA 组合模型的年降水量预测方法。利用小波包将降水序列分解成低频趋势序列和高频细节序列; 应用 LS-SVM 模型预测低频趋势序列, ARIMA 模型预测高频细节序列; 将两个模型的预测结果叠加, 得到年降水量的预测值。实例验证表明: 小波包对时间序列的分解比小波分解更精细, 组合模型预测能够全面的提取降水序列中所包含的信息, 更好地反映年降水量随时间变化规律, 提高了年降水量预测的精准度, 为降水量预测提供一种新方法。
针对降水量影响因素众多, 是一种复杂的非平稳、非线性且存在噪声问题的时间序列的特点, 提出一种基于小波包分解的 LS-SVM 与 ARIMA 组合模型的年降水量预测方法。利用小波包将降水序列分解成低频趋势序列和高频细节序列; 应用 LS-SVM 模型预测低频趋势序列, ARIMA 模型预测高频细节序列; 将两个模型的预测结果叠加, 得到年降水量的预测值。实例验证表明: 小波包对时间序列的分解比小波分解更精细, 组合模型预测能够全面的提取降水序列中所包含的信息, 更好地反映年降水量随时间变化规律, 提高了年降水量预测的精准度, 为降水量预测提供一种新方法。
2020, 18(6):78-84.
摘要:
为建立适用于烟台市半湿润地区的水文模型, 考虑流域水文特征及下垫面条件的影响, 采用新安江-海河模型 对 2011- 2018 年烟台5 个典型流域进行径流模拟。2014 年起烟台连续 3 年干旱, 河道干涸, 径流量与2014 年前相 比大幅减少。考虑到干旱的影响, 采用 Mann-Kendal 检验法对年径流序列进行突变检验,确定 2014 年为年径流突变点, 将模拟序列分为 2 个时间段。结果表明: 径流过程分段模拟之后, 新安江-海河模型在烟台市典型流域的径流模拟精度较高, 参数取值较为合理, 模型能够反映实际的产汇流情况, 有较好的适用性。
为建立适用于烟台市半湿润地区的水文模型, 考虑流域水文特征及下垫面条件的影响, 采用新安江-海河模型 对 2011- 2018 年烟台5 个典型流域进行径流模拟。2014 年起烟台连续 3 年干旱, 河道干涸, 径流量与2014 年前相 比大幅减少。考虑到干旱的影响, 采用 Mann-Kendal 检验法对年径流序列进行突变检验,确定 2014 年为年径流突变点, 将模拟序列分为 2 个时间段。结果表明: 径流过程分段模拟之后, 新安江-海河模型在烟台市典型流域的径流模拟精度较高, 参数取值较为合理, 模型能够反映实际的产汇流情况, 有较好的适用性。
2020, 18(6):85-92.
摘要:
为实现水资源的高效利用, 对胶东调水工程进行水资源优化调度研究。基于受水区潍坊、青岛、烟台、威海等 4 市的实际配水量与社会经济指标分析, 利用可变模糊集理论, 建立地市外调水量可变模糊优选模型进行优化调配 系数计算, 优化调配 4 市外调水量, 并对优化后的外调水量与区域社会经济发展进行耦合协调度计算。以调水效率 最高为原则, 以 4 市缺水总量最小建立目标函数, 利用 Lingo 软件编程求解, 分别对平水年、枯水年、特枯年进行水资源优化调度。把基于调配水量调度与规划指标调度的结果进行对比分析。结果表明: 2 种调度结果均满足各分水口的最小需水要求; 外调水量的优化调配提高了胶东 4 市水资源与社会经济发展的耦合协调度, 调配水量调度后, 青岛市缺水率明显下降, 其他地市缺水率降幅则较小。
为实现水资源的高效利用, 对胶东调水工程进行水资源优化调度研究。基于受水区潍坊、青岛、烟台、威海等 4 市的实际配水量与社会经济指标分析, 利用可变模糊集理论, 建立地市外调水量可变模糊优选模型进行优化调配 系数计算, 优化调配 4 市外调水量, 并对优化后的外调水量与区域社会经济发展进行耦合协调度计算。以调水效率 最高为原则, 以 4 市缺水总量最小建立目标函数, 利用 Lingo 软件编程求解, 分别对平水年、枯水年、特枯年进行水资源优化调度。把基于调配水量调度与规划指标调度的结果进行对比分析。结果表明: 2 种调度结果均满足各分水口的最小需水要求; 外调水量的优化调配提高了胶东 4 市水资源与社会经济发展的耦合协调度, 调配水量调度后, 青岛市缺水率明显下降, 其他地市缺水率降幅则较小。
2020, 18(6):93-100.
摘要:
基于高频水质在线监测数据, 结合遗传算法和神经网络模型, 建立基于遗传-神经网络( Improved Genetic Algorithm-Back Propagation Neural Network, IGA2BPNN) 的河流水质预测模型, 实现对河流水质的实时预测预警。 将该方法应用于美国波托马克河流中, 对其水质参数浊度( TURB) 和电导率( SC) 进行实时预测, 并对预测结果进行 性能分析, 以验证基于 IGA2BPNN 的河流水质预测模型的准确性与可靠性。与 BPNN 模型的水质预测结果进行对 比分析, 结果表明: IGA2BPNN 模型对水质参数 TURB 和 SC 有更准确的预测效果。同时, IGA2BPNN 模型对正常 平稳条件下的水质参数 TURB 和 SC 预测结果的区间覆盖率 PICP 分别为 99.81% 和 100% , 预测结果具有一定的 可靠性。IGA2BPNN 水质预测模型可以有效地识别长时间的水质异常或瞬时显著的水质变化情况, 可实现对河流 水质的风险预警, 最终可为河流突发水污染的应急处置措施的制定提供科学依据。
基于高频水质在线监测数据, 结合遗传算法和神经网络模型, 建立基于遗传-神经网络( Improved Genetic Algorithm-Back Propagation Neural Network, IGA2BPNN) 的河流水质预测模型, 实现对河流水质的实时预测预警。 将该方法应用于美国波托马克河流中, 对其水质参数浊度( TURB) 和电导率( SC) 进行实时预测, 并对预测结果进行 性能分析, 以验证基于 IGA2BPNN 的河流水质预测模型的准确性与可靠性。与 BPNN 模型的水质预测结果进行对 比分析, 结果表明: IGA2BPNN 模型对水质参数 TURB 和 SC 有更准确的预测效果。同时, IGA2BPNN 模型对正常 平稳条件下的水质参数 TURB 和 SC 预测结果的区间覆盖率 PICP 分别为 99.81% 和 100% , 预测结果具有一定的 可靠性。IGA2BPNN 水质预测模型可以有效地识别长时间的水质异常或瞬时显著的水质变化情况, 可实现对河流 水质的风险预警, 最终可为河流突发水污染的应急处置措施的制定提供科学依据。
2020, 18(6):101-109.
摘要:
针对机载 Headwall 高光谱成像仪对水质监测能力的验证, 利用 2018 年 9 月 17 日航空高光谱数据和 17 个准同步实测水体浊度数据分别构建囫囵淖尔水体浊度波段比值反演模型、一阶微分反演模型和偏最小二乘反演模型, 估算同日的囫囵淖尔水体浊度的空间分布。研究结果表明: 利用机载 Headwall 高光谱数据构建的 3 个浊度反演模型, 验证均方根误差 RMSE 均小于验证样本浊度的极值差 5. 3 NTU, MRE 均小于 10% , 机载 Headwall 高光谱成像 仪能够较好地观测水体浊度差异; 在囫囵淖尔, 基于 Headwall 高光谱数据的偏最小二乘模型建模精度高于波段比 值模型和一阶微分模型, 决定系数 R2 达到 0.95, 综合误差 CE 为 1. 74% , 最适用于囫囵淖尔水体浊度的反演; 2018 年 9 月 17 日囫囵淖尔东部水域浊度范围为 21. 2~ 54.4 NTU, 呈现出北低南高的趋势, 湖中心区域水体浊度较低, 南部水域受水中藻类的影响, 水体浊度较高。利用航空高光谱遥感影像实现了浊度的定量反演, 为航空高光谱遥感数据用于水质参数反演提供借鉴。
针对机载 Headwall 高光谱成像仪对水质监测能力的验证, 利用 2018 年 9 月 17 日航空高光谱数据和 17 个准同步实测水体浊度数据分别构建囫囵淖尔水体浊度波段比值反演模型、一阶微分反演模型和偏最小二乘反演模型, 估算同日的囫囵淖尔水体浊度的空间分布。研究结果表明: 利用机载 Headwall 高光谱数据构建的 3 个浊度反演模型, 验证均方根误差 RMSE 均小于验证样本浊度的极值差 5. 3 NTU, MRE 均小于 10% , 机载 Headwall 高光谱成像 仪能够较好地观测水体浊度差异; 在囫囵淖尔, 基于 Headwall 高光谱数据的偏最小二乘模型建模精度高于波段比 值模型和一阶微分模型, 决定系数 R2 达到 0.95, 综合误差 CE 为 1. 74% , 最适用于囫囵淖尔水体浊度的反演; 2018 年 9 月 17 日囫囵淖尔东部水域浊度范围为 21. 2~ 54.4 NTU, 呈现出北低南高的趋势, 湖中心区域水体浊度较低, 南部水域受水中藻类的影响, 水体浊度较高。利用航空高光谱遥感影像实现了浊度的定量反演, 为航空高光谱遥感数据用于水质参数反演提供借鉴。
2020, 18(6):110-115.
摘要:
为降低雨水资源化利用成本, 保证可利用雨水水质, 弃流水质较差的初期降雨及特殊场次降雨成为目前雨水资源化利用的重要途径。因此需要通过长期连续监测降雨和降雪中氮、磷和化学需氧量等关键指标的变化, 确定合理的雨水弃流方式。以天津大学北洋园校区为研究区, 对该区域 2018 年 1- 12 月的降雨和降雪水质进行连续监 测。结果表明: 2018 年 3 月和 4 月降雨中氨氮( 6.75 mg / L) 、总氮( 9.36 mg/ L) 的平均质量浓度分别是全年降雨和 降雪中氨氮和总氮平均质量浓度的 1.5 和 2.1 倍; 春季首场降雨中污染物平均质量浓度远超冬季首场降雪, 冬季空气污染是导致春季首场降雨水质差的主要原因; 空气中各污染物质量浓度对降雨和降雪水质的影响由大到小依次 为 PM215 > PM10 > NO2 > SO2 > CO> O3_8h。与其他季节相比, 春季前两场降雨污染物平均质量浓度高、降水量小, 雨水利用处理成本高, 建议将春季前两场降雨( 降水量< 10 mm) 直接弃流至污水处理厂, 不宜直接进入雨水资源化利用设施。
为降低雨水资源化利用成本, 保证可利用雨水水质, 弃流水质较差的初期降雨及特殊场次降雨成为目前雨水资源化利用的重要途径。因此需要通过长期连续监测降雨和降雪中氮、磷和化学需氧量等关键指标的变化, 确定合理的雨水弃流方式。以天津大学北洋园校区为研究区, 对该区域 2018 年 1- 12 月的降雨和降雪水质进行连续监 测。结果表明: 2018 年 3 月和 4 月降雨中氨氮( 6.75 mg / L) 、总氮( 9.36 mg/ L) 的平均质量浓度分别是全年降雨和 降雪中氨氮和总氮平均质量浓度的 1.5 和 2.1 倍; 春季首场降雨中污染物平均质量浓度远超冬季首场降雪, 冬季空气污染是导致春季首场降雨水质差的主要原因; 空气中各污染物质量浓度对降雨和降雪水质的影响由大到小依次 为 PM215 > PM10 > NO2 > SO2 > CO> O3_8h。与其他季节相比, 春季前两场降雨污染物平均质量浓度高、降水量小, 雨水利用处理成本高, 建议将春季前两场降雨( 降水量< 10 mm) 直接弃流至污水处理厂, 不宜直接进入雨水资源化利用设施。
12 天津某水库无机氮分布规律
2020, 18(6):116-121.
摘要:
以天津某水库为研究对象, 分析水库不同季节无机氮的分布规律和库水环境因子的相关性, 探讨无机氮的形态变化。研究结果表明: 库中位置的温度低于进水和出水。溶解氧质量浓度进水高于出水方向, 中间位置的溶解氧 质量浓度最高。夏季 ORP 低于秋季, 氧化性越强则硝化反应越强, 氨氮质量浓度低于夏季。TDS 随深度增加而降 低, 出水方向离海岸更近, 水体的 TDS 更高。秋季 pH 高于夏季。NH3-N 西岸高于东岸, 进水方向质量浓度高于出 水方向。NO2- N 多数站点随深度增加质量浓度减小, 盐度与 NO2-N 呈现出显著正相关性。氨氮和硝态氮质量浓度占比都是春季> 夏季> 秋季。溶解态无机氮( DIN) 以硝态氮为主, 平均占比 81. 97% 。
以天津某水库为研究对象, 分析水库不同季节无机氮的分布规律和库水环境因子的相关性, 探讨无机氮的形态变化。研究结果表明: 库中位置的温度低于进水和出水。溶解氧质量浓度进水高于出水方向, 中间位置的溶解氧 质量浓度最高。夏季 ORP 低于秋季, 氧化性越强则硝化反应越强, 氨氮质量浓度低于夏季。TDS 随深度增加而降 低, 出水方向离海岸更近, 水体的 TDS 更高。秋季 pH 高于夏季。NH3-N 西岸高于东岸, 进水方向质量浓度高于出 水方向。NO2- N 多数站点随深度增加质量浓度减小, 盐度与 NO2-N 呈现出显著正相关性。氨氮和硝态氮质量浓度占比都是春季> 夏季> 秋季。溶解态无机氮( DIN) 以硝态氮为主, 平均占比 81. 97% 。
2020, 18(6):122-129.
摘要:
通过稳定氢氧同位素结合水化学的方法, 在 2017 年采集天津市主要区( 县) 自来水的基础上, 于 2019 年重点收集中心城区和西青区的直接供水和二次供水的自来水, 分析水样中的稳定氢氧同位素组分和主要阴阳离子质量 浓度。自来水中稳定氧同位素∮18 O 的范围为- 4.41 ‰~ - 10.06 ‰ , 氢同位素∮D 的范围为- 52. 4 ‰ ~ - 74. 4‰ 。 引江水为水源的自来水中的同位素位于全球大气降水线附近, 水库蓄存会导致水中同位素富集; 深层地下水为水源的稳定同位素贫化。天津市中心城区、西青、津南、北辰、武清和蓟州的自来水水化学类型为 Ca·Mg-HCO3 , 滨海新区和宝坻的水化学类型为 Na· Mg-SO4 , 宁河的水化学类型为 Na-HCO3。天津市自来水的主要阴阳离子质量浓度都符合国家饮用水标准, 二次供水对水化学组成无显著影响。引江水的自来水水质较地下水为水源的水质好; 滨海新区 由于水库蓄存, 自来水中 Na+ 和 SO4 2- 的离子质量浓度高; 宁河区的 Na+ 和蓟州区的 NO3- 质量浓度高。
通过稳定氢氧同位素结合水化学的方法, 在 2017 年采集天津市主要区( 县) 自来水的基础上, 于 2019 年重点收集中心城区和西青区的直接供水和二次供水的自来水, 分析水样中的稳定氢氧同位素组分和主要阴阳离子质量 浓度。自来水中稳定氧同位素∮18 O 的范围为- 4.41 ‰~ - 10.06 ‰ , 氢同位素∮D 的范围为- 52. 4 ‰ ~ - 74. 4‰ 。 引江水为水源的自来水中的同位素位于全球大气降水线附近, 水库蓄存会导致水中同位素富集; 深层地下水为水源的稳定同位素贫化。天津市中心城区、西青、津南、北辰、武清和蓟州的自来水水化学类型为 Ca·Mg-HCO3 , 滨海新区和宝坻的水化学类型为 Na· Mg-SO4 , 宁河的水化学类型为 Na-HCO3。天津市自来水的主要阴阳离子质量浓度都符合国家饮用水标准, 二次供水对水化学组成无显著影响。引江水的自来水水质较地下水为水源的水质好; 滨海新区 由于水库蓄存, 自来水中 Na+ 和 SO4 2- 的离子质量浓度高; 宁河区的 Na+ 和蓟州区的 NO3- 质量浓度高。
2020, 18(6):130-137.
摘要:
以赤水河干流选取的 86 组弯曲河段为研究对象, 应用网格覆盖法测算水边线长度信息维数和河床水上地貌面积信息维数, 通过归纳分维“粗算值” 的变化规律得出一种无标度区间的识别方法, 并对所选弯曲河段平面形态地貌特征进行分析。结果表明: 以粗算值 “失稳” 现象作为判别条件可有效识别分形体无标度区间, 且[ 10, 40] 为此次 信息维数测算的无标度区; 所测弯曲河段水边线信息维数区间范围为[ 0.915 7, 1.042 1] 、平均值为 0.997 9, 地貌面积信息维数区间范围为[ 1.301 3, 1.923 0] 、平均值为 1.676 0, 弯曲率值区间范围为[ 1.025 9, 2.651 2] 、平均值为 1.271 2; 赤水河中游、下游河段, 水边线信息维数与弯曲率的相关系数依次为 0.469 和 0.644, 均为显著性相关, 且相关程度逐渐加强, 在整个干流地貌面积信息维数与水边线信息维数、弯曲率相关性皆较弱, 且与水边线信息维数呈负相关。
以赤水河干流选取的 86 组弯曲河段为研究对象, 应用网格覆盖法测算水边线长度信息维数和河床水上地貌面积信息维数, 通过归纳分维“粗算值” 的变化规律得出一种无标度区间的识别方法, 并对所选弯曲河段平面形态地貌特征进行分析。结果表明: 以粗算值 “失稳” 现象作为判别条件可有效识别分形体无标度区间, 且[ 10, 40] 为此次 信息维数测算的无标度区; 所测弯曲河段水边线信息维数区间范围为[ 0.915 7, 1.042 1] 、平均值为 0.997 9, 地貌面积信息维数区间范围为[ 1.301 3, 1.923 0] 、平均值为 1.676 0, 弯曲率值区间范围为[ 1.025 9, 2.651 2] 、平均值为 1.271 2; 赤水河中游、下游河段, 水边线信息维数与弯曲率的相关系数依次为 0.469 和 0.644, 均为显著性相关, 且相关程度逐渐加强, 在整个干流地貌面积信息维数与水边线信息维数、弯曲率相关性皆较弱, 且与水边线信息维数呈负相关。
2020, 18(6):138-147.
摘要:
为研究北运河河水、药品和个人护理品( pharmaceuticals and personal care products, PPCPs) 的污染特征和生态风险, 测定了北运河通州段旱季和雨季 5 个河水水样和 43 个地下水样中 13 种 PPCPs 的质量浓度, 并采用风险熵( RQ ) 法对水体中 PPCPs 进行了生态风险评价。结果表明: 除 SMM( 磺胺间甲氧嘧啶) 和 CAP( 氯霉素) 外, 其余 11 种 PPCPs 在不同季节、不同位置的河水和地下水中均有检出, 其中: SMZ( 磺胺二甲嘧啶) 质量浓度最高达 1 373.1 ng/ L, 是研究区水体中的特征污染物; 地下水污染物检出率低于河水但其质量浓度略高于河水, 并且污染物质量浓度随离河距离增加而下降; 地下水中大部分污染物质量浓度雨季大于旱季, 并且承压水中污染物质量浓度小于潜水。由风险熵法计算可得, 除 IBU( 布洛芬) 的生态风险为高风险外, 其余污染物在不同时空条件下对研究区生态风险较低。
为研究北运河河水、药品和个人护理品( pharmaceuticals and personal care products, PPCPs) 的污染特征和生态风险, 测定了北运河通州段旱季和雨季 5 个河水水样和 43 个地下水样中 13 种 PPCPs 的质量浓度, 并采用风险熵( RQ ) 法对水体中 PPCPs 进行了生态风险评价。结果表明: 除 SMM( 磺胺间甲氧嘧啶) 和 CAP( 氯霉素) 外, 其余 11 种 PPCPs 在不同季节、不同位置的河水和地下水中均有检出, 其中: SMZ( 磺胺二甲嘧啶) 质量浓度最高达 1 373.1 ng/ L, 是研究区水体中的特征污染物; 地下水污染物检出率低于河水但其质量浓度略高于河水, 并且污染物质量浓度随离河距离增加而下降; 地下水中大部分污染物质量浓度雨季大于旱季, 并且承压水中污染物质量浓度小于潜水。由风险熵法计算可得, 除 IBU( 布洛芬) 的生态风险为高风险外, 其余污染物在不同时空条件下对研究区生态风险较低。
2020, 18(6):148-155.
摘要:
为防范大型人工输水渠道的高填方段在超常外力下一旦溃决无法用概率表征的潜在风险, 需建立适宜的情景分析手段, 以模拟与评估不同溃口规模下多种调控手段联合运用在应急处置中的有效性。利用中国水利水电科学研究院自主研发的洪涝仿真模型, 通过改进立交河道计算单元的拓扑关系和退水闸模拟方式, 建立了渠道一维、溃口流量及两岸二维同步耦合计算的溃堤洪水淹没模型。以某大型人工输水渠道典型高填方段为例, 分类对比分析了不同溃口宽度、关闸时间和退水闸是否启用等共 12 种情景下的洪水淹没特征变化。结果表明: 溃口宽度的增加对溃决洪水淹没范围和程度的影响较小; 关闸时间越早, 越可以有效减少淹没区的面积和水深, 且在 3 h 内效果更明显; 当地形和构筑物条件有利于洪水扩散时, 及早关闸对淹没范围的减小幅度更大; 在洪水不容易扩散的区域, 及早关闸对淹没水深的减小幅度更大; 退水闸启用后对淹没的减轻作用与退水闸和溃口之间的相对位置和 距离有关, 位于溃口上游且距离越近时越有效。研究可为大型人工输水渠道制定或完善相应应急预案提供基本的手段和依据。
为防范大型人工输水渠道的高填方段在超常外力下一旦溃决无法用概率表征的潜在风险, 需建立适宜的情景分析手段, 以模拟与评估不同溃口规模下多种调控手段联合运用在应急处置中的有效性。利用中国水利水电科学研究院自主研发的洪涝仿真模型, 通过改进立交河道计算单元的拓扑关系和退水闸模拟方式, 建立了渠道一维、溃口流量及两岸二维同步耦合计算的溃堤洪水淹没模型。以某大型人工输水渠道典型高填方段为例, 分类对比分析了不同溃口宽度、关闸时间和退水闸是否启用等共 12 种情景下的洪水淹没特征变化。结果表明: 溃口宽度的增加对溃决洪水淹没范围和程度的影响较小; 关闸时间越早, 越可以有效减少淹没区的面积和水深, 且在 3 h 内效果更明显; 当地形和构筑物条件有利于洪水扩散时, 及早关闸对淹没范围的减小幅度更大; 在洪水不容易扩散的区域, 及早关闸对淹没水深的减小幅度更大; 退水闸启用后对淹没的减轻作用与退水闸和溃口之间的相对位置和 距离有关, 位于溃口上游且距离越近时越有效。研究可为大型人工输水渠道制定或完善相应应急预案提供基本的手段和依据。
2020, 18(6):156-163.
摘要:
三峡水库运用后, 坝下游水沙过程发生了较大调整, 对下荆江熊家洲至城陵矶弯曲型河段河床冲淤演变造成较大影响, 从而对本河段河势稳定、防洪、航运等可能造成不利的影响, 基于此, 根据最新实测资料分析水沙条件变 化及其对本河段河床调整规律的影响。研究成果显示: 三峡水库运用后, 水流含沙量大幅减小, 且水库调蓄导致熊 家洲至城陵矶河段在枯水期径流量明显增加, 使弯道主流长期偏向于凸岸, 引起凸岸边滩大幅冲刷, 这是近期该河段发生“撇弯切滩”的主要原因之一; 随着三峡上游干支流水库群陆续建成运用, 坝下游河道将会长期遭受清水冲 刷, 河床仍将呈单向冲刷下切的趋势, 弯顶段主流平面摆动仍将较大, 弯道顶冲点也将相应下移, 导致主流贴岸距离 进一步下延, 引起河道岸线的崩退, 未来一段时期内典型弯曲型河道的局部河势变化仍将明显。
三峡水库运用后, 坝下游水沙过程发生了较大调整, 对下荆江熊家洲至城陵矶弯曲型河段河床冲淤演变造成较大影响, 从而对本河段河势稳定、防洪、航运等可能造成不利的影响, 基于此, 根据最新实测资料分析水沙条件变 化及其对本河段河床调整规律的影响。研究成果显示: 三峡水库运用后, 水流含沙量大幅减小, 且水库调蓄导致熊 家洲至城陵矶河段在枯水期径流量明显增加, 使弯道主流长期偏向于凸岸, 引起凸岸边滩大幅冲刷, 这是近期该河段发生“撇弯切滩”的主要原因之一; 随着三峡上游干支流水库群陆续建成运用, 坝下游河道将会长期遭受清水冲 刷, 河床仍将呈单向冲刷下切的趋势, 弯顶段主流平面摆动仍将较大, 弯道顶冲点也将相应下移, 导致主流贴岸距离 进一步下延, 引起河道岸线的崩退, 未来一段时期内典型弯曲型河道的局部河势变化仍将明显。
2020, 18(6):164-169.
摘要:
建立配置虹吸式出水流道的立式轴流泵几何模型, 提出轴流泵在运行中调节叶片安放角过程的三维非定常数值模拟方法, 采用动网格及网格重构技术实现叶片自转与其随叶轮公转的复合运动。选定 3 种调节规律进行数值模拟, 获得相关工作参数变化规律和内部流场变化情况。结果表明: 采用 3 种不同时间增大叶片安放角 2°, 机组流量增加 4.4% ~ 4.9% , 叶轮水力矩增加 5.1% ~ 5.9% , 叶轮进出口平面的测点静压波动范围较大; 在叶片安放角增大的过程中, 叶轮区域流态恶化、有涡核分布, 叶片吸力面出现分布不均匀的低压区域; 调节时间为 1 s 时, 叶轮进 出口平面测点静压及叶轮水力矩的波动范围要大于其他两种规律, 叶轮区域的涡核分布也要多于其他两种规律, 故在较短时间增大叶片安放角会增加叶轮区域的不稳定性。
建立配置虹吸式出水流道的立式轴流泵几何模型, 提出轴流泵在运行中调节叶片安放角过程的三维非定常数值模拟方法, 采用动网格及网格重构技术实现叶片自转与其随叶轮公转的复合运动。选定 3 种调节规律进行数值模拟, 获得相关工作参数变化规律和内部流场变化情况。结果表明: 采用 3 种不同时间增大叶片安放角 2°, 机组流量增加 4.4% ~ 4.9% , 叶轮水力矩增加 5.1% ~ 5.9% , 叶轮进出口平面的测点静压波动范围较大; 在叶片安放角增大的过程中, 叶轮区域流态恶化、有涡核分布, 叶片吸力面出现分布不均匀的低压区域; 调节时间为 1 s 时, 叶轮进 出口平面测点静压及叶轮水力矩的波动范围要大于其他两种规律, 叶轮区域的涡核分布也要多于其他两种规律, 故在较短时间增大叶片安放角会增加叶轮区域的不稳定性。
2020, 18(6):170-175.
摘要:
利用鱼道试验模型进行过鱼试验, 分析水温因素对模型鱼道中鱼类上溯行为的影响。以某工程竖缝式鱼道为原型, 按重力相似准则建立比尺为 1：4 的水工模型, 选择草鱼幼鱼为试验用鱼, 试验中采用摄像头全程监测试验鱼上溯过程, 统计试验鱼在模型试验段的通过率与通过时间两项指标, 进行量化分析。研究发现: 在试验水温变化范 围 18.5~ 22. 5 ℃内, 草鱼幼鱼总体通过率达 70% 以上, 且不同水温区间内通过率无明显变化; 采用 SPSS 软件进行的显著性检验显示, 草鱼通过时间与水温因素无显著相关关系。基于上述结果, 今后在开展草鱼上溯行为试验研究时, 在水温变化范围 18.5~ 22.5 ℃ 内, 可考虑忽略水温因素的影响。
利用鱼道试验模型进行过鱼试验, 分析水温因素对模型鱼道中鱼类上溯行为的影响。以某工程竖缝式鱼道为原型, 按重力相似准则建立比尺为 1：4 的水工模型, 选择草鱼幼鱼为试验用鱼, 试验中采用摄像头全程监测试验鱼上溯过程, 统计试验鱼在模型试验段的通过率与通过时间两项指标, 进行量化分析。研究发现: 在试验水温变化范 围 18.5~ 22. 5 ℃内, 草鱼幼鱼总体通过率达 70% 以上, 且不同水温区间内通过率无明显变化; 采用 SPSS 软件进行的显著性检验显示, 草鱼通过时间与水温因素无显著相关关系。基于上述结果, 今后在开展草鱼上溯行为试验研究时, 在水温变化范围 18.5~ 22.5 ℃ 内, 可考虑忽略水温因素的影响。
2020, 18(6):176-183.
摘要:
利用地下水-地表水半松散耦合数值模拟方法, 选取北京市苏密怀地区为典型地区, 以长时间序列 SWAT 模型获取的平原区地下水补给量和山区对平原区地下水补给量作为传递变量, 分别代替 MODFLOW 模型中降雨入 渗补给量和山前侧向补给量的研究思路, 建立半松散式 SWAT2MODFLOW 耦合模型, 利用地下水位校验耦合模型 并对苏密怀地区地下水水量平衡进行分析。结果表明: 该方法可以提高地下水模型的精度, 耦合模型较传统算法计 算得到的降雨入渗补给量减少了 01 54 亿 m3 / a, 反映出当下垫面条件发生变化和包气带厚度增加时, 含水层的降水补给量减少。本研究为水资源的准确评价提供技术支持。
利用地下水-地表水半松散耦合数值模拟方法, 选取北京市苏密怀地区为典型地区, 以长时间序列 SWAT 模型获取的平原区地下水补给量和山区对平原区地下水补给量作为传递变量, 分别代替 MODFLOW 模型中降雨入 渗补给量和山前侧向补给量的研究思路, 建立半松散式 SWAT2MODFLOW 耦合模型, 利用地下水位校验耦合模型 并对苏密怀地区地下水水量平衡进行分析。结果表明: 该方法可以提高地下水模型的精度, 耦合模型较传统算法计 算得到的降雨入渗补给量减少了 01 54 亿 m3 / a, 反映出当下垫面条件发生变化和包气带厚度增加时, 含水层的降水补给量减少。本研究为水资源的准确评价提供技术支持。
2020, 18(6):184-190.
摘要:
以华北平原山前至滨海区为研究区, 选择 8 个钻孔, 利用渗透系数反演公式和改进的 Archie 公式对渗透系数进行计算, 同时充分考虑研究区垂向渗透系数影响因素, 基于随机森林算法和时间序列算法对垂向渗透系数的空间 变异性进行研究。研究结果表明: 渗透系数在垂向上的影响因素主要为沉积环境、地层压力、随机误差三大类, ; 在剔除沉积环境和随机误差的影响后, 渗透系数随深度的增加而不断减小, 山前至滨海区渗透系数对地层压力的敏感性呈逐渐递减的趋势。研究结果可为华北平原农业灌溉、污染物迁移、垃圾填埋场选址及深层地下水资源开发等提供科学依据。
以华北平原山前至滨海区为研究区, 选择 8 个钻孔, 利用渗透系数反演公式和改进的 Archie 公式对渗透系数进行计算, 同时充分考虑研究区垂向渗透系数影响因素, 基于随机森林算法和时间序列算法对垂向渗透系数的空间 变异性进行研究。研究结果表明: 渗透系数在垂向上的影响因素主要为沉积环境、地层压力、随机误差三大类, ; 在剔除沉积环境和随机误差的影响后, 渗透系数随深度的增加而不断减小, 山前至滨海区渗透系数对地层压力的敏感性呈逐渐递减的趋势。研究结果可为华北平原农业灌溉、污染物迁移、垃圾填埋场选址及深层地下水资源开发等提供科学依据。
2020, 18(6):191-200.
摘要:
通过构建水利绿色发展指数测算模型, 对 2017 年我国 31 省( 自治区、直辖市) 水利绿色发展水平进行了评价, 并引入空间自相关和空间热点探测分析法对我国水利绿色发展水平的空间相关性和异质性进行分析, 从准则层和指标层识别水利绿色发展空间分异的主控因子。结果表明: 我国水利绿色发展水平整体呈现东部高于西部 的态势, 优良等级的省份主要位于我国华北和华东地区; 我国水利绿色发展水平在空间上呈现较强的异质性, 热点区包括北京和天津两市, 冷点区包括新疆、西藏、青海、甘肃和黑龙江等 5 省( 自治区) ; 水利绿色发展水平空间差异主要受水土流失治理率、水利信息化水平、生态用水比例、生产用水综合经济效率和大专以上管理人员比重等指标影响较大。
通过构建水利绿色发展指数测算模型, 对 2017 年我国 31 省( 自治区、直辖市) 水利绿色发展水平进行了评价, 并引入空间自相关和空间热点探测分析法对我国水利绿色发展水平的空间相关性和异质性进行分析, 从准则层和指标层识别水利绿色发展空间分异的主控因子。结果表明: 我国水利绿色发展水平整体呈现东部高于西部 的态势, 优良等级的省份主要位于我国华北和华东地区; 我国水利绿色发展水平在空间上呈现较强的异质性, 热点区包括北京和天津两市, 冷点区包括新疆、西藏、青海、甘肃和黑龙江等 5 省( 自治区) ; 水利绿色发展水平空间差异主要受水土流失治理率、水利信息化水平、生态用水比例、生产用水综合经济效率和大专以上管理人员比重等指标影响较大。
2020, 18(6):201-208.
摘要:
基于 2005- 2017 年辽宁省 14 个地级市玉米种植数据、灌溉用水量及气象数据等资料, 运用线性倾向估计及全局空间自相关分析等方法, 从不同地区、不同降水年型( 枯、平、丰) 角度出发, 分析不同玉米水分生产率指标的时空变化规律及其影响因素, 结果表明: 在时间尺度上, 全省玉米灌溉水分生产率多年平均值为 11 63 kg / m3 , 玉米水分生产率总体每 10 a 以 01 04 kg/ m3 的速率波动上升; 在空间尺度上, 全省玉米灌溉水分生产率均值呈现出西北 高、东南低的空间分异, 玉米水分生产率在枯水年( 2006) 和平水年( 2007) 总体均表现为东北高、西南低, 而丰水年 ( 2012) 则表现为西北高、东南低; 玉米单产量是影响各水分生产率指标最显著的因素。该研究成果可为提高辽宁省农业用水效率、缓解水资源压力提供一定参考。
基于 2005- 2017 年辽宁省 14 个地级市玉米种植数据、灌溉用水量及气象数据等资料, 运用线性倾向估计及全局空间自相关分析等方法, 从不同地区、不同降水年型( 枯、平、丰) 角度出发, 分析不同玉米水分生产率指标的时空变化规律及其影响因素, 结果表明: 在时间尺度上, 全省玉米灌溉水分生产率多年平均值为 11 63 kg / m3 , 玉米水分生产率总体每 10 a 以 01 04 kg/ m3 的速率波动上升; 在空间尺度上, 全省玉米灌溉水分生产率均值呈现出西北 高、东南低的空间分异, 玉米水分生产率在枯水年( 2006) 和平水年( 2007) 总体均表现为东北高、西南低, 而丰水年 ( 2012) 则表现为西北高、东南低; 玉米单产量是影响各水分生产率指标最显著的因素。该研究成果可为提高辽宁省农业用水效率、缓解水资源压力提供一定参考。
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