南水北调与水利科技(中英文)

2021年第19卷第4期文章目次

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  • 1  九江市中心城区下垫面变化及其径流响应
    孙蓝心 夏军 佘敦先,胡辰
    2021, 19(4):625-635.
    [摘要](99) [HTML](0) [PDF 1.49 M](189)
    摘要:
    在快速城市化的大背景下,城市地区下垫面变化是影响径流过程的重要因素。 以江西省九江市中心城区为例,解译并分析1987—2018年土地利用/覆被变化(land use and cover change,LUCC)特征,利用城市时变增益非线性模型研究不同下垫面条件下的径流特征。结果表明:1987—2018年九江市中心城区(浔阳区、濂溪区、柴桑区)不透水面比例从0.49%上升为10.58%;典型年降雨条件下径流系数从0.31增长到0.38;场次洪峰流量增加了10%。不透水面比例是研究区流量变化的主导因素,其他下垫面类型及降雨条件的变化加剧了产汇流过程的时变性和复杂性,而绿地和水体的调蓄作用将抵消一部分由不透水面扩张引起的径流增大效应。
    2  滦河流域干湿变化及大尺度气候因子影响
    张璇,王佳刚,许杨,郝增超,郝芳华
    2021, 19(4):636-644,668.
    [摘要](38) [HTML](0) [PDF 1.65 M](150)
    摘要:
    利用经验正交函数、小波变换等方法,基于标准化降水指数分析滦河流域1957—2016年的干湿变化趋势,研究流域干湿变化典型场的时空和周期特征,并通过对比大尺度气候因子对不同典型场的影响差异,讨论滦河流域干湿变化的气候成因。结果表明:滦河流域干湿条件在1989年发生突变,干旱有加剧趋势且在研究时段内年际干旱事件频发;流域干湿变化表现为两种典型模态,模态1呈现出全区一致性的空间分布,以及流域干旱程度增加的时间变化特征,两种模态在时间变化上均存在1.5~4.0 a主周期;对流域干湿变化影响最强烈的是ENSO,其次是AO和NAO,而AMO和PDO影响最弱。上述气候因子指数对干湿场的影响主要体现在改变流域干湿一致性。
    3  北京玉泉山泉恢复方案
    沈媛媛,郭高轩,欧志亮,辛宝东,南英华,王丽亚,王树芳,刘久荣
    2021, 19(4):645-655.
    [摘要](44) [HTML](0) [PDF 1.53 M](104)
    摘要:
    在分析玉泉山地区水文地质条件基础上构建地下水流系统数值模型。通过地下水系统均衡分析,提出泉水恢复的主要影响因素为河流渗漏补给和地下水的人工开采。以玉泉山泉恢复出流为目标进行泉水恢复方案研究,结果表明:现状地下水系统呈负均衡,要实现泉水复涌需要同时采取地下水减采和人工回补措施。为此,分别提出以2030年和2050年为泉水恢复时间,以及不同人工回灌条件下的泉水恢复方案:若在永定河山峡段增加河道渗漏量0.8亿m3/a,同时地下水压采至现状的71%,玉泉山泉有望在2050年恢复出流;若地下水压减至现状的45%,则泉水将在2030年恢复出流。考虑到城市发展建设现状,地下水系统恢复的过程中需考虑恢复的适宜水位。
    4  永定河上游环境变化和水资源演变研究进展
    王艺璇,沈彦军,高雅,刘行
    2021, 19(4):656-668.
    [摘要](26) [HTML](0) [PDF 1.28 M](89)
    摘要:
    在回顾文献研究进展的基础上,对永定河上游流域气候变化、土地利用变化及水资源量质演变的特征进行梳理和总结,并揭示其驱动因素。分析指出:永定河上游流域气温突变型升高,最低气温及冬季气温上升显著;年均降水量呈现不显著下降趋势,夏季降水下降趋势明显;潜在蒸散发和实际蒸散发并未随温度升高而升高,且流域存在一定的“蒸发悖论”现象。土地利用变化较为剧烈,以林地和建设用地增加,耕地、未利用地和水体面积减少为主要特征。高强度人类活动是导致径流下降的主要原因;水体污染物以氮磷为主,整体上上游水质优于下游,工业废水和农业面源是水体中氮、磷持续增加的主要原因。最后结合流域水资源可持续发展面对的挑战,对未来研究问题提出科学建议。
    5  大清河流域山区径流量衰减影响因素
    王庆明,姜珊,李森,张越,何国华,赵勇,李海红,朱永楠,翟家齐,王丽珍
    2021, 19(4):669-679.
    [摘要](39) [HTML](0) [PDF 1.50 M](118)
    摘要:
    针对大清河流域山区分析降水年内分布、雨强变化、蒸发能力、植被生长质量、梯田建设、水库蓄水等因素的变化规律,并计算径流变化与各因素的敏感性大小,得到以下结论:大清河流域山区地表径流持续衰减,而近20年汛期径流衰减更为剧烈;汛期降水减少、雨强减弱、同期蒸发能力增强、区域植被变好以及梯田的拦蓄截留共同作用导致区域径流量的衰减;1983年和1997年是径流演变的2个突变点,根据突变点将径流系列前后分为3个时段,1961—1982年汛期降水减少是径流减少的主要因素,1983—1996年梯田面积大幅增加是径流减少的主要原因,1997—2016年汛期降水减少、植被质量提高导致蒸发消耗增加是径流衰减的主要因素。
    6  基于水足迹理论的北京市水资源利用评价
    王丽川,侯保灯,周毓彦,陈晓清,王欣
    2021, 19(4):680-688.
    [摘要](40) [HTML](0) [PDF 1.10 M](92)
    摘要:
    为全面客观评价城市化进程中水资源利用状况,揭示水资源利用过程中的驱动因子,以北京市为例,基于水足迹理论与LMDI模型,分析计算2003—2018年水足迹变化以及经济、技术和人口对水足迹变化的驱动效应。结果显示:北京市总水足迹经历了2个阶段,第1阶段在2003—2011年为波动阶段,第2阶段在2012—2018年为下降阶段。水足迹变化总体呈良性发展,但输入依赖度均大于25%,需要进一步优化内部水资源利用效率和产业结构,保障水资源生态安全;水资源可利用增长指数持续增加,可持续性增强,生态安全有所改善,但仍处于严重超载状态;对北京市水资源利用量变化起决定性的驱动因素是技术效应,其次是经济效应,人口效应占比最小。城市发展过程中应注意经济发展和人口增加带来的用水量的增加,重视发展节水科技,转变水资源的开发利用方式,从而实现水资源可持续发展。
    7  华中多雨人口密集型流域洪水预报
    李雨桐,蔡宴朋,付强,宫兴龙
    2021, 19(4):689-699.
    [摘要](31) [HTML](0) [PDF 1.10 M](100)
    摘要:
    建立一个集总式水文模型,即基于蓄满产流的三水源新安江模型,模拟抚河流域1981—1995年的18次暴雨洪水过程;采用马斯京根分段连续算法计算河流洪水演算和水流过程线;然后将所有水流过程线线性叠加,确定水流和洪水过程;利用日尺度数据和洪水频率数据对模型进行参数率定。结果表明:该模型在现场洪水模拟中的平均确定系数为0.911,模型校准的平均径流深度误差为4.73%,验证的平均径流深度误差为8.21%,三水源新安江模型可以被应用于抚河流域的洪水预报工作中。该研究为我国中部多雨地区的洪水预报研究提供了有益的参考。
    8  基于GF-2影像的大运河及河长制治理成效评价
    张丽伟,周丙锋,田金炎,李松旺,杨澄,沈楠驰
    2021, 19(4):700-707,728.
    [摘要](20) [HTML](0) [PDF 1.36 M](125)
    摘要:
    基于遥感技术提出利用植被绿化面积、水体面积和景观格局等因素的时空变化对比评价方法,通过对高分遥感影像数据校正、融合、镶嵌和解译,计算植被指数、水体指数和景观格局指数变化,客观反映生态环境保护修复的时空变化情况,并且成本低,时效性强。基于大运河核心监控区北京段的试验表明:研究区内2015—2017年植被绿化面积减少,水体面积增加;2017—2019年植被绿化面积骤增,水体面积增加。从总体上看,植被绿化面积和水体面积均呈扩张趋势,景观格局趋于均匀化、规则化。在一定程度上体现了河长制推行下,大运河治理颇有成效,依此作为督察评估河长工作成效的数据支撑和依据,可量化,更具有客观性,是一种可行的方法。
    9  河北省植被时空变化及其对气象干旱的响应
    曹永强,王菲
    2021, 19(4):708-719,757.
    [摘要](47) [HTML](0) [PDF 1.85 M](98)
    摘要:
    基于连续时间序列的SPOT/VEGETATION NDVI卫星遥感数据和气象数据,利用PenmanMonteith、反距离加权插值、相关分析等方法,以河北省为研究对象,深入探讨植被动态特征及气象干旱影响。结果显示:河北省多年平均归一化植被指数(NDVI)在时间尺度上呈波动上升趋势,尤其在2003年开始出现0.028/(10 a)的飞跃增长,空间尺度上呈现中部高两侧低的分布特点;河北省气温上升趋势显著,空间分布呈西北—东南增加趋势,降水量从西北部—中部—东北部呈现低—中—高的分布格局;春季发生干旱的面积及频率皆为最高,夏季干旱高频地区位于唐山、张家口地区,秋季干旱频率最低,冬季以轻旱为主;植被NDVI与标准化降水蒸散指数(SPEI)相关性夏季最强(0.529),春秋季次之,冬季相对较弱;年尺度上,以蔚县站、张北站和承德站为中心区域主要为显著负相关,显著正相关主要分布于中部地区。研究结果可为生态系统管理部门制定科学合理的植被建设决策提供参考依据。
    10  单因子法与可变模糊法在水质评价中的应用
    丛铭,阳辉,张晓静,辛卓航,张弛
    2021, 19(4):720-728.
    [摘要](31) [HTML](0) [PDF 1.28 M](178)
    摘要:
    基于2019、2020年在辽河、大辽河入海河段及辽河口的水质监测数据,分析河流、河口水质指标的时空变化规律,并运用单因子评价法、可变模糊评价法对水质状况进行评价。整体而言,基于可变模糊评价法的水质评价等级优于单因子评价法;河流的主要污染指标为DO、高锰酸盐指数和总磷,基于单因子法的评价结果为Ⅳ类、劣Ⅴ类,可变模糊法评定等级为Ⅰ~Ⅲ类;河口监测点的主要超标污染物为无机氮,单因子评价结果为Ⅳ、劣Ⅳ类,可变模糊评价法为Ⅱ、Ⅲ类;单因子法基于最差指标的区间评定,可变模糊法综合权衡各指标的影响,在水环境管理中可根据目的不同考虑采用不同评价方法。
    11  珠海市饮用水水源藻类问题分析与解决方案
    凌艳晨,苏宇亮,胡克武,袁汉鸿,吴斌,黄洪波,方黎,吴杰,黄天寅,敖秀玮,孙文俊
    2021, 19(4):729-738.
    [摘要](23) [HTML](0) [PDF 1.19 M](124)
    摘要:
    为探究珠海市多水源供水体系下存在的水源水质问题,特别是藻类问题,采用单因子分析法评价2016—2019年珠海市4座典型水库的数项水质指标,并采用统计学方法分析水库水中藻类的时空分布特征;采用双变量分析及逐步回归分析的方法研究10项水质指标与藻密度间的相关性。基于对水质数据的分析发现:珠海市水源水存在较为突出的高藻密度及高嗅味问题,其中,藻密度从春季开始普遍出现上升,而嗅味物质的质量浓度则秋冬季达到峰值,二者存在较为明显的季节性变化。回归分析的结果表明:影响水库藻密度的主要因素有总氮、高锰酸盐指数和五日生化需氧量;影响嗅味物质产生的主要因素有氨氮、高锰酸盐指数和浊度;控制水库水体的氨氮和有机物含量可以有效减少藻类数量,改善嗅味物质的产生。建立的拟合优度较高的回归模型可以用于初步预测水库水质。通过点、面源污染的控制,调节水库水体流态,结合臭氧活性炭、紫外高级氧化等深度处理技术的应用,可以有效解决珠海市水源水存在的高藻及嗅味问题。
    12  洞庭湖流域沉积物重金属分布特征及其生态风险
    孟婉,刘扬,朱士江,王竹,王芳
    2021, 19(4):739-749,767.
    [摘要](22) [HTML](0) [PDF 1.57 M](94)
    摘要:
    以洞庭湖流域为研究对象,对比分析水体沉积物中7种重金属质量分数和分布特征,并对其来源和风险进行研究。结果显示:东洞庭湖中7种重金属质量分数在3个湖区中最高,入湖河流Cr、Pb质量分数在湘江较高,Ni、As、Cd质量分数在资水上游最高,Cu质量分数在资水下游最高,Zn质量分数在沅江下游最高,沉积物各元素空间分布差异大;地累积指数法显示,7种重金属污染情况排序依次为Cd>Ni>Cr>Cu>Zn>Pb>As,东洞庭湖为湖区沉积物污染最严重区域,资水为入湖河流沉积物污染最严重区域,均达到严重污染程度;潜在生态风险指数法显示,单一元素污染危害程度依次为Cd>Ni>As>Cu>Pb>Cr>Zn,全流域沉积物高风险因子Cd对生物影响最大,其在湖区中东洞庭湖最高,入湖河流中资水最高,流域整体处于高潜在生态风险水平;Pearson相关性分析和主成分分析显示,Cr、Ni、Cu、Pb和As可能属于自然来源,Zn可能来源于锌矿产的开采或矿产的岩石风化、侵蚀,而Cd可能来源于农药、化肥和生活污水,也可能来源于钢材制造、颜料、油漆等方面。
    13  傍河型地下水水源地保护区划分方法及实例
    王佳,容海亮,薛雨,宋保平,王泽鹏,张素珍
    2021, 19(4):750-757.
    [摘要](22) [HTML](0) [PDF 1.22 M](95)
    摘要:
    傍河型地下水水源地兼具河流型水源地和地下水型水源地特点,由于其位置的特殊性和补给条件的复杂性,保护区划分技术难度较大,对傍河型地下水源地保护区划分的研究,可完善保护区划分方法,加强水源保护。从水源地环境状况调查、水源类型确定、保护区划分方法、定界原则等4个方面对保护区划分技术要点进行分析,并以石家庄市平山县王母水源地为例,对该傍河型水源地保护区划分进行研究,在准确判定该水源类型的基础上,采用经验公式法计算保护区陆域范围,采用类比经验法确定保护区水域范围,并结合周边地形地物条件对保护区范围进行修正,明确了平山县王母水源地一级和二级保护区边界及面积。平山县王母水源地保护区的划分保证了水源地免受污染,保障用水安全,并为其他傍河型地下水水源地保护区划分提供参考。
    14  降雨条件下临水岸坡失稳试验
    黎良辉,罗星,赵旭,雷声,徐富刚
    2021, 19(4):758-767.
    [摘要](21) [HTML](0) [PDF 1.39 M](75)
    摘要:
    为探究降雨条件下边坡坡度与坡体材料对临水岸坡失稳的影响,考虑不同边坡坡度和坡体材料2个变量,开展5组降雨条件下临水岸坡失稳模型试验,观察不同时刻岸坡变形特点并采用孔隙水压力计和土压力计监测坡体不同位置的孔隙水压力和土压力变化。试验结果表明:降雨对坡体表层结构稳定性影响显著,表层结构在降雨作用下迅速饱和,抗剪强度大幅降低,稳定性劣化,而内部结构因为水体较难渗入,影响较小;边坡坡度对边坡稳定影响较大,坡度越大降雨下渗越深入,下滑力增大,向下渗透力更强,对边坡稳定不利,即影响性坡度60°>45°>30°;坡体材料直接影响边坡稳定,不同材料的坡体渗透性能不同,当坡体含砂率为40%时渗透性能最好,坡体在5 min产生破坏且孔隙水压力响应较快,其发生失稳的概率更高;而坡体为纯黏土时渗透性最差,未产生明显破坏且坡内孔隙水压力响应较慢,降雨对边坡稳定性的影响有限。
    15  重力坝可靠性分析的IPSOKriging模型
    宋蕾,欧斌,刘中明,盛明强
    2021, 19(4):768-775.
    [摘要](21) [HTML](0) [PDF 1.16 M](126)
    摘要:
    针对传统概率可靠性分析方法在重力坝可靠性分析方面因结构自身性能不确定性及功能函数高度非线性等影响,其解析过程中收敛性差、精度低且耗时较长等问题,结合改进粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)、Kriging模型提出一种基于IPSOKriging模型的重力坝可靠性分析方法。借助PSO全局寻优能力强和鲁棒性强等优点,通过对算法本身加以变异操作、惯性权重和高斯加权等诸多方面进行重构(improved PSO,IPSO),依靠IPSO算法的群体搜索能力克服模式搜索法寻得参数θ*易陷入局部最优值和对初始值较敏感的缺点,确保在任意初始值条件下都能获得极大似然条件下搜索到的最优参数θ*,进而改善传统PSO收敛速度慢和早熟等问题。通过构建融合IPSO算法IPSO-Kriging数学模型,建立基于IPSO-Kriging模型的重力坝可靠性优化模型。经实例考证所建方法既能合理考量参数变异性,又能在提升精度基础上减少仿真计算次数以实现重力坝工程可靠性的高效计算。
    16  基于FLOW3D的梅溪洪濑段桥梁雍水三维数值模拟
    蒋卫威,鱼京善,陈寅生,刘艳民,姜淇
    2021, 19(4):776-785.
    [摘要](22) [HTML](0) [PDF 1.37 M](89)
    摘要:
    为探究桥梁雍水与桥洞堵塞对洪泛区淹没情况的贡献,以山区河道梅溪洪濑段上的8座桥梁为例,借助FLOW3D模型构建精细化三维河道与桥梁模型。模型经过验证,模拟值的绝对误差平均值小于0.05 m,Nash系数大于0.77,表明模拟结果良好。分别计算各桥不同重现期下的雍水值,模拟桥洞堵塞程度的影响。结果表明:从整体来看,上游桥梁雍水值大部分大于下游桥梁点位;七号桥的雍水影响最大,在20 a、50 a和100 a重现期,对桥前洪泛区最大淹没水深的贡献比分别达到15.1 %、18.5 %与22.7 %;桥孔堵塞程度增加的比例与桥前水位增量基本呈线性关系;相对于50 a无堵塞的情况,七号桥堵塞20 %对桥前洪泛区最大淹没水深的贡献比又增加了21 %,桥前平均水位甚至大于100 a无堵塞的洪水水位。本研究可以为梅溪洪濑段实际桥梁安全防护与河道沿岸洪泛区防洪减灾提供参考。
    17  小湾拱坝运行期温度场反演与应力仿真分析
    张梦中 潘坚文 王进廷 迟福东
    2021, 19(4):786-794,813.
    [摘要](24) [HTML](0) [PDF 1.41 M](110)
    摘要:
    拱坝所处的运行环境复杂,受力状态复杂,其真实的工作状态往往与其设计状态存在一定的差异,因此开展基于坝体温度和变形监测资料,反演坝体与基岩材料参数,仿真坝体的应力状态的研究。通过有限元方法,基于小湾拱坝实测温度,拟合上下游坝面的温度边界条件,并对拱坝运行期温度场进行了仿真;基于变形监测资料,反演坝体和基岩弹性模量;基于反演得到的坝体温度场与材料弹性模量,对小湾拱坝进行应力仿真分析。研究表明:小湾拱坝下游面温度分布总体呈现出两侧坝段高于中间坝段的规律;运行期坝体混凝土的弹性模量相对于试验值约提高30%;在冬季时,上游坝面水位以上部分出现局部拉应力,下游坝面在坝基交界面附近由于应力集中出现局部拉应力,但不至于影响工程安全运行。
    18  鄂北调水工程长倒虹吸事故水力响应及应急调度
    樊甲伟,管光华,朱哲立
    2021, 19(4):795-804.
    [摘要](19) [HTML](0) [PDF 1.32 M](172)
    摘要:
    以鄂北水资源配置工程中的孟楼七方倒虹吸(全长约72 km)为研究对象,建立事故工况的一维非恒定流数值计算模型,仿真分析事故工况下长倒虹吸的水力响应过程。结果表明:事故工况下闸门同步异速调度相较于异步同速调度更利于倒虹吸安全;同步异速调度规则下,延缓倒虹吸进口以及上游闸门开始关闭时间、延长进口以及上游闸门关闭时长,或快速关闭倒虹吸出口以及下游闸门,都会抑制倒虹吸内部压力水体释放过程,增大压力超限风险;针对鄂北水资源配置工程,建议倒虹吸进口及上游闸门至少不晚于出口及下游闸门开始关闭后的30 min开始动作,倒虹吸出口及下游闸门关闭时长不宜短于30 min,倒虹吸进口及上游闸门关闭时长不宜超过30 min,并最终提出一组可供参考的节制闸应急调度组合。主要结论对于鄂北水资源配置工程的应急调度具有一定参考价值,也对类似含有大型倒虹吸工程的运行调度有一定的借鉴意义。
    19  潜水搅拌器叶片安放角的性能
    任向轩,汤方平,徐莹,石丽建,尚晓君
    2021, 19(4):805-813.
    [摘要](20) [HTML](0) [PDF 1.37 M](115)
    摘要:
    为研究潜水搅拌器在不同的叶片安放角度(-4°、-2°、0°、2°、4°)下对搅拌池内流场影响的差异,现分别对不同叶片安放角下的潜水搅拌器进行数值模拟并利用CFD后处理软件对所得的流场分析处理。根据数值模拟结果[JP2]得出:在不同的叶片安放角下,潜水搅拌器流场的速度矢量图总体变化趋势一致且叶片安放角由-4°增大到4°,潜水搅拌器的搅拌效果越来越好;同时随着叶片安放角的增加,潜水搅拌器的轴功率、推力在不断地增大,叶片压力面的高压区也在逐渐地增大;相对于搅拌效果而言,在小转速下可以通过增大叶片安放角来增加潜水搅拌器的搅拌效果,在大转速下可以通过减小叶片安放角来控制潜水搅拌器的搅拌效果,以此达到有效节能的目的;为证明潜水搅拌器数值模拟结果的准确性,[JP]选取叶片安放角为0°时的情况进行了试验验证,为以后潜水搅拌器的研究提供一定的参考。
    20  基于相关向量机的调水工程调蓄水位预测模型
    张研,廖逸夫,王鹏鹏,吴哲康
    2021, 19(4):814-821.
    [摘要](25) [HTML](0) [PDF 1.15 M](124)
    摘要:
    调蓄水位与其影响因素之间存在着复杂的非线性关系,针对BP神经网络模型的局限性,选取泵站开启时间差、起调水位、入流量、出流量作为主要影响因素,建立一种基于相关向量机(relevance vector machine,RVM)的调水工程调蓄水位预测模型。通过实例应用表明在相同样本情况下与BP神经网络模型预测结果相比,RVM预测模型均方根误差和平均绝对误差均小于BP神经网络预测模型的预测结果,说明在调水工程调蓄水位的预测中,RVM预测模型具有精度高、离散性小等优点,为调水工程调蓄水位的预测提供了一条新途径。
    21  大型竖井贯流泵压力脉动及轴系模态优化
    方国材,郭绘娟,胡大明,石俊峰,郑源,阚阚,杨剑峰
    2021, 19(4):822-832.
    [摘要](28) [HTML](0) [PDF 1.53 M](88)
    摘要:
    为研究某大型竖井贯流泵的稳定性,基于ANSYS Workbench软件对南水北调某泵装置进行全流道数值模拟来研究水泵的压力脉动分布规律和轴系模态。计算结果表明:贯流泵转轮进口及出口处监测点的压力脉动时域图呈现出周期性;压力脉动的主频多为转频和转轮倍频,脉动幅值有随着扬程增大而增大;转轮转动是形成轴向水推力的主要因素,轴向力和径向力随着扬程的增大而明显增大;轴系在水体中固有频率下降幅度较小,干湿模态的高阶频率基本一致;对比非定常计算结果和模态分析结果,与转轮的固有频率差距较大,不容易引起共振,满足结构强度要求;模态优化结果显示,随着主轴直径的增大,轴系各阶的固有频率出现逐渐增大的趋势,而增长主轴长度,各阶的固有频率出现逐渐减小的趋势,同时轴承长度的增长会导致各阶的固有频率随之增大,其中增长轴承长度以及增大轴直径的变化对固有频率的影响更为明显,1阶频率分别增大83%和18%。研究结果为贯流泵装置水力设计和稳定性分析提供一定的参考。

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