南水北调与水利科技（中英文）
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录用日期: 2025-04-02
摘要:
为落实《地下水管理条例》要求，实现地下水资源可持续开发利用，本研究以镇江市（面积3840km2）为研究区，开展了地下水可更新能力评价研究。基于镇江市水文地质条件与水资源开发利用现状，从地下水循环特征角度选取地下水补给速率和更新速率作为地下水可更新能力评价指标。采用FEFLOW数值模拟结合ArcGIS空间分析技术，构建了研究区地下水流数值模型，得到了研究区地下水总储量与不同时段不同分区的地下水补给量，从而得到地下水补给速率和更新速率，对地下水可更新能力进行了评价。研究结果表明：（1）2017-2022年镇江市年均地下水补给速率为128.77mm/a，地下水更新速率为2.32%/a，地下水更新周期为43.11a；（2）地下水补给速率的主要影响因素为降水量，地下水更新速率受到地下水补给量和总储量共同影响；（3）空间上宁镇山脉山前平原区地下水更新能力较强，扬中、丹阳平原区地下水更新能力较弱。研究表明镇江市地下水系统整体具有较强的更新能力，研究成果可为区域地下水资源科学管理提供决策依据。
为落实《地下水管理条例》要求，实现地下水资源可持续开发利用，本研究以镇江市（面积3840km2）为研究区，开展了地下水可更新能力评价研究。基于镇江市水文地质条件与水资源开发利用现状，从地下水循环特征角度选取地下水补给速率和更新速率作为地下水可更新能力评价指标。采用FEFLOW数值模拟结合ArcGIS空间分析技术，构建了研究区地下水流数值模型，得到了研究区地下水总储量与不同时段不同分区的地下水补给量，从而得到地下水补给速率和更新速率，对地下水可更新能力进行了评价。研究结果表明：（1）2017-2022年镇江市年均地下水补给速率为128.77mm/a，地下水更新速率为2.32%/a，地下水更新周期为43.11a；（2）地下水补给速率的主要影响因素为降水量，地下水更新速率受到地下水补给量和总储量共同影响；（3）空间上宁镇山脉山前平原区地下水更新能力较强，扬中、丹阳平原区地下水更新能力较弱。研究表明镇江市地下水系统整体具有较强的更新能力，研究成果可为区域地下水资源科学管理提供决策依据。
录用日期: 2025-04-01
摘要:
卫星降水产品是缺资料地区开展水文预报等研究的重要数据源，为了评估卫星降水产品ERA5在时空格局上对降水的探测能力，本文提出了耦合时空变化特征分析的ERA5再分析降水数据评估模式，综合采用对比分析、成因分析、趋势分析、突变分析等方法，以三峡库区为研究区域，选取1993—2023年的地面雨量计实测数据作为基准，开展ERA5再分析数据的适用性研究。结果表明：ERA5再分析降水数据在三峡库区表现出一定的应用潜力且降噪效果较好，但在不同地形区域和降水强度下，精度差异明显；ERA5再分析数据在监测强降水事件上的能力有限，更适合枯季代替地面实测数据集使用；在地形平缓的区域，ERA5再分析数据与实测数据集的一致性更好，适用于时间序列的中期突变分析。ERA5再分析数据可作为实测数据缺失或不完整情况下的补充，应用于三峡库区长系列降水分析和历史气象数据的回溯研究。
卫星降水产品是缺资料地区开展水文预报等研究的重要数据源，为了评估卫星降水产品ERA5在时空格局上对降水的探测能力，本文提出了耦合时空变化特征分析的ERA5再分析降水数据评估模式，综合采用对比分析、成因分析、趋势分析、突变分析等方法，以三峡库区为研究区域，选取1993—2023年的地面雨量计实测数据作为基准，开展ERA5再分析数据的适用性研究。结果表明：ERA5再分析降水数据在三峡库区表现出一定的应用潜力且降噪效果较好，但在不同地形区域和降水强度下，精度差异明显；ERA5再分析数据在监测强降水事件上的能力有限，更适合枯季代替地面实测数据集使用；在地形平缓的区域，ERA5再分析数据与实测数据集的一致性更好，适用于时间序列的中期突变分析。ERA5再分析数据可作为实测数据缺失或不完整情况下的补充，应用于三峡库区长系列降水分析和历史气象数据的回溯研究。
录用日期: 2025-04-01
摘要:
水工闸门安全评价对确保水利工程的运行安全和可靠性具有重要意义。针对以往研究对评价指标和指标权重确定性考虑不充分,提出了一种创新的水工闸门安全评价风险分析方法。首先引入长短期记忆网络量化参评指标的不确定性。基于博弈论提出了多种指标赋权方法冲突消解与权重不确定性评估方法。将水工闸门安全评价风险定义为不能达到评定安全程度的概率,给出了相应的数学表达式和求解计算方法。最后,利用新江海河闸新闸的算例验证了这种风险分析方法,结果表明该方法为水工闸门安全风险与安全评价不确定性评估提供了有效和合理的支持。
水工闸门安全评价对确保水利工程的运行安全和可靠性具有重要意义。针对以往研究对评价指标和指标权重确定性考虑不充分,提出了一种创新的水工闸门安全评价风险分析方法。首先引入长短期记忆网络量化参评指标的不确定性。基于博弈论提出了多种指标赋权方法冲突消解与权重不确定性评估方法。将水工闸门安全评价风险定义为不能达到评定安全程度的概率,给出了相应的数学表达式和求解计算方法。最后,利用新江海河闸新闸的算例验证了这种风险分析方法,结果表明该方法为水工闸门安全风险与安全评价不确定性评估提供了有效和合理的支持。
录用日期: 2025-04-01
摘要:
白洋淀流域位于京津腹地，经济、生态战略地位显要。为研究流域蒸散发（ET）时空演变特征及其对气候变化的响应机理，基于PT-JPL（Priestly-Taylor Jet Propulsion Laboratory）模型剖析了白洋淀流域2005-2020年ET时空演变特征，定量评估了气候和土地利用变化对ET的影响，并进一步探究了ET与不同气候因子（降水量、净辐射、风速、相对湿度和气温）的驱动力关系。结果表明：流域年均ET为489.64mm，呈自东南向西北递减的空间格局，2005-2020年ET呈上升趋势（0.32mm·a-1）；研究时段内流域年降水量、气温呈上升趋势，净辐射、风速和相对湿度呈下降趋势；气候和土地利用变化对流域蒸散发变化的相对贡献率分别为71.64%与28.36%；不同气候因子对ET变化的贡献依次为净辐射＞相对湿度＞气温＞降水量＞风速，流域东南部的ET变化由净辐射主导，流域西北部由相对湿度主导，而西南部由气温和降水量主导。研究结果对白洋淀流域水资源科学管理及生态保护策略的制定具有重要意义。
白洋淀流域位于京津腹地，经济、生态战略地位显要。为研究流域蒸散发（ET）时空演变特征及其对气候变化的响应机理，基于PT-JPL（Priestly-Taylor Jet Propulsion Laboratory）模型剖析了白洋淀流域2005-2020年ET时空演变特征，定量评估了气候和土地利用变化对ET的影响，并进一步探究了ET与不同气候因子（降水量、净辐射、风速、相对湿度和气温）的驱动力关系。结果表明：流域年均ET为489.64mm，呈自东南向西北递减的空间格局，2005-2020年ET呈上升趋势（0.32mm·a-1）；研究时段内流域年降水量、气温呈上升趋势，净辐射、风速和相对湿度呈下降趋势；气候和土地利用变化对流域蒸散发变化的相对贡献率分别为71.64%与28.36%；不同气候因子对ET变化的贡献依次为净辐射＞相对湿度＞气温＞降水量＞风速，流域东南部的ET变化由净辐射主导，流域西北部由相对湿度主导，而西南部由气温和降水量主导。研究结果对白洋淀流域水资源科学管理及生态保护策略的制定具有重要意义。
录用日期: 2025-03-28
摘要:
全球气候变化导致极端降雨发生频率显著增加,暴雨中心演变更加多样化,迫切需要揭示暴雨中心演变对延河流域洪水过程的影响。通过GAST水动力学模型和SWMM模型产流模块,模拟不同暴雨中心条件下的延河流域(河庄坪镇-姚店镇)洪水过程,分析延河流域洪水过程的变化,研究结果表明：暴雨中心在水库上游时,水库可以充分发挥其调蓄功能；暴雨中心在水库下游时,即使水库可充分发挥其调蓄功能,但水库下游百年一遇暴雨仍会造成严重洪水淹没；当遭遇百年一遇洪水时,洪水淹没风险从大到小依次为现状条件下的均匀降雨、“上拦”方案实施后的均匀降雨、实施“上拦”方案下的暴雨中心在水库下游、实施“上拦”方案下的暴雨中心在水库上游。研究结果有助于量化暴雨中心演变对延河流域洪水过程的影响,指导延河流域防洪工程体系建设,从而提升延安中心城区的防灾韧性。
全球气候变化导致极端降雨发生频率显著增加,暴雨中心演变更加多样化,迫切需要揭示暴雨中心演变对延河流域洪水过程的影响。通过GAST水动力学模型和SWMM模型产流模块,模拟不同暴雨中心条件下的延河流域(河庄坪镇-姚店镇)洪水过程,分析延河流域洪水过程的变化,研究结果表明：暴雨中心在水库上游时,水库可以充分发挥其调蓄功能；暴雨中心在水库下游时,即使水库可充分发挥其调蓄功能,但水库下游百年一遇暴雨仍会造成严重洪水淹没；当遭遇百年一遇洪水时,洪水淹没风险从大到小依次为现状条件下的均匀降雨、“上拦”方案实施后的均匀降雨、实施“上拦”方案下的暴雨中心在水库下游、实施“上拦”方案下的暴雨中心在水库上游。研究结果有助于量化暴雨中心演变对延河流域洪水过程的影响,指导延河流域防洪工程体系建设,从而提升延安中心城区的防灾韧性。
录用日期: 2025-03-26
摘要:
冰川-积雪径流是寒区河流重要的重要组成部分。为提高寒区河流的径流模拟精度，同时降低模型数据需求，以雅鲁藏布江为例，本文提出了一种基于径流组分约束的随机森林融水径流模型（Component constraint algorithm-Random forest，CCA-RF），用以计算流域冰川-积雪融水。通过对多年平均径流组分进行降尺度处理，并使用随机森林模型反向学习温度与冰川-积雪融水量关系，得到了雅鲁藏布江流域融水径流计算模型。CCA-RF模型在奴各沙、羊村及奴下三个断面验证期的纳什效率系数（Nash-Sutcliffe Efficiency,NSE）分别达到了0.603、0.699以及0.784，对比分析了CCA-RF模型与度日模型的径流模拟差异，结果表明，在冰川覆盖及度日因子数据精度较低的情况下，CCA-RF模型在径流年内分布模拟精度上优于度日模型。
冰川-积雪径流是寒区河流重要的重要组成部分。为提高寒区河流的径流模拟精度，同时降低模型数据需求，以雅鲁藏布江为例，本文提出了一种基于径流组分约束的随机森林融水径流模型（Component constraint algorithm-Random forest，CCA-RF），用以计算流域冰川-积雪融水。通过对多年平均径流组分进行降尺度处理，并使用随机森林模型反向学习温度与冰川-积雪融水量关系，得到了雅鲁藏布江流域融水径流计算模型。CCA-RF模型在奴各沙、羊村及奴下三个断面验证期的纳什效率系数（Nash-Sutcliffe Efficiency,NSE）分别达到了0.603、0.699以及0.784，对比分析了CCA-RF模型与度日模型的径流模拟差异，结果表明，在冰川覆盖及度日因子数据精度较低的情况下，CCA-RF模型在径流年内分布模拟精度上优于度日模型。
录用日期: 2025-03-26
摘要:
为准确模拟膜下滴灌不同水肥处理谷子K_C，以水肥有关K_C的双因素方差分析为前提，采用随机森林（RF）、类被型特征梯度提升（CatBoost）、轻量级梯度提升机（LightGBM）、支持向量机回归（SVR）、深度学习（DL）作为次级机器学习模型，基于Stacking策略以多元线性回归构建集成元模型MLR对不同水肥处理膜下滴灌谷子K_C进行预测，并进行模型间模拟结果精度比较。结果显示，不同水肥处理间K_C日际变化趋势基本相同，但灌水因素和氮肥施用量对K_C均有显著影响；在次级机器学习模型中，树类模型（RF、CatBoost与LightGBM）相对SVR和DL模型估测精度较好，而相比次级模型，MLR模型提高了谷子K_C的模拟精度；依赖日序数、太阳辐射强度、风速、日均水汽压和土壤含水率建立的MLR模型能够准确模拟膜下滴灌谷子K_C，R^2和\ RMSE分别为0.91和0.11，且当土壤含水率特征加入时模型误差明显降低。研究成果可为膜下滴灌田间水分精准管理提供技术支撑。
为准确模拟膜下滴灌不同水肥处理谷子K_C，以水肥有关K_C的双因素方差分析为前提，采用随机森林（RF）、类被型特征梯度提升（CatBoost）、轻量级梯度提升机（LightGBM）、支持向量机回归（SVR）、深度学习（DL）作为次级机器学习模型，基于Stacking策略以多元线性回归构建集成元模型MLR对不同水肥处理膜下滴灌谷子K_C进行预测，并进行模型间模拟结果精度比较。结果显示，不同水肥处理间K_C日际变化趋势基本相同，但灌水因素和氮肥施用量对K_C均有显著影响；在次级机器学习模型中，树类模型（RF、CatBoost与LightGBM）相对SVR和DL模型估测精度较好，而相比次级模型，MLR模型提高了谷子K_C的模拟精度；依赖日序数、太阳辐射强度、风速、日均水汽压和土壤含水率建立的MLR模型能够准确模拟膜下滴灌谷子K_C，R^2和\ RMSE分别为0.91和0.11，且当土壤含水率特征加入时模型误差明显降低。研究成果可为膜下滴灌田间水分精准管理提供技术支撑。
录用日期: 2025-03-26
摘要:
江西省独特的周高中低的地形条件加剧了洪涝灾害频发,提高洪水预报精度是防洪减灾领域永恒的主题。选取江西省赣江上游峡山站以上集水区为研究区,建立用于洪水过程模拟的三水源新安江模型；基于抽站法原理,从洪水量级与雨量站网密度等方面分析水文模型模拟误差规律。结果表明：新安江模型适用性较好,满足洪峰、洪量及峰现时间预报许可误差的合格率为69%,平均确定性系数为0.76；模型的相对误差随着流量值的增加而减小,且相对误差均值总体呈先增后减再增的线性变化趋势；增加雨量站数目可提高降雨数据精度和模拟精度。同时,雨量站点空间布设对模型降雨输入精度也有很大影响,站网规划时需平衡雨量站数量、布设结构及误差允许范围,尽可能地保证水文模型中面平均降雨量输入的准确性和可靠性。
江西省独特的周高中低的地形条件加剧了洪涝灾害频发,提高洪水预报精度是防洪减灾领域永恒的主题。选取江西省赣江上游峡山站以上集水区为研究区,建立用于洪水过程模拟的三水源新安江模型；基于抽站法原理,从洪水量级与雨量站网密度等方面分析水文模型模拟误差规律。结果表明：新安江模型适用性较好,满足洪峰、洪量及峰现时间预报许可误差的合格率为69%,平均确定性系数为0.76；模型的相对误差随着流量值的增加而减小,且相对误差均值总体呈先增后减再增的线性变化趋势；增加雨量站数目可提高降雨数据精度和模拟精度。同时,雨量站点空间布设对模型降雨输入精度也有很大影响,站网规划时需平衡雨量站数量、布设结构及误差允许范围,尽可能地保证水文模型中面平均降雨量输入的准确性和可靠性。
录用日期: 2025-03-26
摘要:
混凝土坝变形监测是大坝安全管理的重要环节，建立高精度的变形预测模型对确保大坝运行安全至关重要。混凝土坝是一个复杂的动态系统，现有的预测方法多基于统计模型或机器学习模型，其难以捕捉位移与多个特征因子之间的复杂耦合关系。为此，本研究提出了一种基于Inception和门控循环神经网络（GRU）的混凝土重力坝变形预测模型，其中Inception模块用于提取监测数据中的复杂特征，GRU模块则用于学习变形监测数据中的长期时间依赖性，两者结合能够获得更丰富的数据特征表示，有效提升预测性能。以某混凝土重力坝的长期监测数据为例，实验结果表明，Inception-GRU模型在三个变形测点上的均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）和决定系数（R2）的平均值分别为0.100、0.074和0.995。与卷积神经网络-门控循环单元（CNN-GRU）、GRU以及支持向量回归（SVR）三种模型相比，所提模型在预测精度和泛化能力上均表现出显著优势，为大坝安全监控提供了新方法和手段。
混凝土坝变形监测是大坝安全管理的重要环节，建立高精度的变形预测模型对确保大坝运行安全至关重要。混凝土坝是一个复杂的动态系统，现有的预测方法多基于统计模型或机器学习模型，其难以捕捉位移与多个特征因子之间的复杂耦合关系。为此，本研究提出了一种基于Inception和门控循环神经网络（GRU）的混凝土重力坝变形预测模型，其中Inception模块用于提取监测数据中的复杂特征，GRU模块则用于学习变形监测数据中的长期时间依赖性，两者结合能够获得更丰富的数据特征表示，有效提升预测性能。以某混凝土重力坝的长期监测数据为例，实验结果表明，Inception-GRU模型在三个变形测点上的均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）和决定系数（R2）的平均值分别为0.100、0.074和0.995。与卷积神经网络-门控循环单元（CNN-GRU）、GRU以及支持向量回归（SVR）三种模型相比，所提模型在预测精度和泛化能力上均表现出显著优势，为大坝安全监控提供了新方法和手段。
录用日期: 2025-03-25
摘要:
混凝土防渗墙是处理深厚覆盖层中坝基防渗问题的主要手段之一,其隐蔽性与服役环境的复杂性导致大埋深工况下的墙体损伤开裂一般无法仅通过物探技术实现对其损伤部位的准确定位,导致维修加固工作难以展开。本文以四川某水电站实际工程为研究对象,构建了精细化三维有限元渗流分析模型,揭示了不同缺陷工况下墙体与缺陷部位的渗流性态变化规律,系统分析了不同缺陷类型、尺寸、部位对墙体孔隙水压力与渗流量的影响程度；结果表明,三角形分叉缺陷与空洞缺陷工况下孔隙水压力较完整工况的变化率存在较大差异,分别约为4.0%与4.5%；此外,相较于纵向与横向缺陷,分叉缺陷与空洞缺陷引发的防渗墙断面渗流量增长倍率更大,最大可达到22.58倍和29.61倍,由以上两方面结果可以基本实现对防渗墙缺陷类型及尺度的判定,为实现基于渗流监测数据的防渗墙缺陷快速识别及定位提供技术支持。
混凝土防渗墙是处理深厚覆盖层中坝基防渗问题的主要手段之一,其隐蔽性与服役环境的复杂性导致大埋深工况下的墙体损伤开裂一般无法仅通过物探技术实现对其损伤部位的准确定位,导致维修加固工作难以展开。本文以四川某水电站实际工程为研究对象,构建了精细化三维有限元渗流分析模型,揭示了不同缺陷工况下墙体与缺陷部位的渗流性态变化规律,系统分析了不同缺陷类型、尺寸、部位对墙体孔隙水压力与渗流量的影响程度；结果表明,三角形分叉缺陷与空洞缺陷工况下孔隙水压力较完整工况的变化率存在较大差异,分别约为4.0%与4.5%；此外,相较于纵向与横向缺陷,分叉缺陷与空洞缺陷引发的防渗墙断面渗流量增长倍率更大,最大可达到22.58倍和29.61倍,由以上两方面结果可以基本实现对防渗墙缺陷类型及尺度的判定,为实现基于渗流监测数据的防渗墙缺陷快速识别及定位提供技术支持。
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