南水北调与水利科技(中英文)

2022年第20卷第4期文章目次

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  • 1  长江大保护实践与对策
    夏军陈进
    2022, 20(4):625-630.
    [摘要](610) [HTML](0) [PDF 1.15 M](534)
    摘要:
    从分析长江生态环境问题出发,总结长江大保护实施以来取得的成绩,讨论生态环境存在的深层次问题及科学解决方法和管理对策,对未来长江保护提出对策建议。分析表明:长江河流型水质改善明显,但湖泊水质及生态系统恢复较慢。珍稀特有物种的恢复和水生态系统完整性修复、流域面源污染控制等都是长期而复杂的任务。在气候变化和人类活动双重影响下,长江生态系统演变机制及修复技术、充分考虑生态需求的水利工程群联合调控方 法、流域综合监测与数字孪生技术发展、长江保护各项机制的完善是未来科学研究和流域保护的重点。只有通过系 统观测和分析,采用适应性的保护和管理措施,才能实现长江经济带高质量发展的目标。
    2  基于分类效率识别的水资源承载能力三层次评价方法
    游进军 蔡露瑶 林鹏飞 王彦兵 谢纪强
    2022, 20(4):631-642.
    [摘要](450) [HTML](0) [PDF 1.39 M](371)
    摘要:
    针对现有的水资源承载能力三层次评价方法以万元GDP产业用水量表达综合用水效率对农业用水影响考虑不足的问题,提出以二、三产业单位增加值综合用水量分析可承载经济规模,改进计算流程,推导直接计算可承载人口数量的公式,避免原有试算过程,更准确地反映产业结构变化对用水效率的影响,适应“四水四定”(以水定城、以水定地、以水定人、以水定产)新要求,提高评价结果的合理性。以宁夏为例开展应用分析,按照农业用水保持现状不变,在全面小康水平下改进方法计算的可承载人口数量为903.7万人,相对现有方法可多承载140.2万人,在基本现代化水平下可承载人口数量降低至681.5万人,相对现有方法少承载90万人。结合宁夏实际情况设定不同情景,分析农业用水量、人均GDP、产业用水效率三者变化对结果的影响。按“四水四定”目标大幅压减水稻面积使农业用水量降低22%后,可承载人口提高118%,表明农业用水管控目标对承载能力影响显著。改进方法揭示农业用水量、非农用水效率、发展水平和承载能力的量化关系和作用机制,可为提高区域水资源承载能力决策提供依据。
    3  丹江口水库水面蒸发变化特征及影响因素
    白鹏,刘小莽,刘璐,董剑萍
    2022, 20(4):643-649,723.
    [摘要](177) [HTML](0) [PDF 1.24 M](426)
    摘要:
    基于Penman方法和水库水域面积估算丹江口水库2000—2020年的蒸发损失变化,采用气象要素去趋势方法定量解析不同气象要素(温度、净辐射、相对湿度和平均风速)对蒸发趋势的贡献。研究结果表明:研究期内库区的气温、净辐射和风速均呈显著(p<0.05)上升的趋势,相对湿度呈不显著(p>0.05)下降趋势,水域面积呈显著(p<0.05)增加趋势(特别是2015年后);水库多年平均蒸发损失量为2.6亿m3/a,占规划年调水量(95亿m3/a)的2.7%;水库年蒸发损失量呈显著(p<0.05)增加趋势,趋势值为0.034亿m3/a;在4个气象要素中,净辐射变化对水库年蒸发趋势的贡献度最大(72.0%),其次为温度(23.6%)、相对湿度(2.7%)和风速(1.7%)。研究结果可为南水北调中线工程水资源的管理和规划提供参考。
    4  深度学习水文预报研究进展综述Ⅰ——常用模型与建模方法
    欧阳文宇,叶磊,王梦云,孟子文,张弛
    2022, 20(4):650-659.
    [摘要](368) [HTML](0) [PDF 1.15 M](636)
    摘要:
    数据密集研究范式主导的数据水文学正在成为水文研究的一个重要方向,而善于从大量数据中挖掘规律的深度学习理论推动了近年来数据驱动水文预报的研究热潮,并不断和水文学科融合,逐步成为数据水文学的重要研究方法体系。从深度学习与水文预报学科交叉的角度,简要介绍水文领域常用深度学习模型的原理与结构及其应用于水文预报中的一般建模方法,在此基础上进一步介绍深度学习与水文物理机制整合的基本方法,以期为相关研究人员开展深度学习水文预报研究提供有益参考。
    5  黄河河南段资源-生态-经济和谐发展水平 及耦合协调分析
    赵晨光,马军霞 ,左其亭 ,王娇阳,符运友
    2022, 20(4):660-669,747.
    [摘要](44) [HTML](0) [PDF 1.38 M](368)
    摘要:
    以黄河河南段15个地级市为研究区,基于2008—2019年各地级市的面板数据,从资源、生态、经济3个维度构建评价指标体系,通过基于最小二乘法的AHP-熵权法组合权重模型确定指标权重,采用“单指标量化-多指标综合-多准则集成”综合评价方法(SMI-P)评估研究区资源-生态-经济系统的和谐发展水平,将“SMI-P”方法与耦合协调度模型相结合,综合评价研究区资源-生态-经济系统的耦合协调关系。结果表明在2008—2019年期间:15个地级市和谐发展水平整体呈现波动增长趋势,但均未达到“和谐”阶段,其中最优为郑州市(0.68),最差为濮阳市(0.51);15个地级市耦合协调关系逐渐向优质协调阶段集聚,但多数还处于中级和良好协调阶段,其中濮阳市协调发展速度较落后。
    6  基于改进模糊综合评价的河流型水源地风险评估
    王逸可,方国华,张 钰,黄显峰
    2022, 20(4):670-681.
    [摘要](48) [HTML](0) [PDF 1.26 M](407)
    摘要:
    为科学评估河流型水源地风险水平,有效保障河流型水源地安全,在识别河流型水源地保护区潜在风险源的基础上,借助压力[KG-*4]–[KG-*4]状态[KG-*4]–[KG-*4]响应模型,从水质污染、水量短缺、生态环境、管理保护等4个方面构建包含22个指标的河流型水源地风险评价指标体系,并分析确定相应指标风险度阈值,采用熵权[KG-*4]–[KG-*4]层次分析法对指标组合赋权,基于有效度原则和加权平均原则对传统的模糊评价方法加以改进,并建立改进的模糊综合评价模型进行水源地风险评估。以南京市长江子汇洲水源地为例进行研究,结果表明,长江子汇洲水源地风险度评估结果为0.216 7,处于较低风险水平,与实际情况相符合,验证了模型的适用性。
    7  苏州市再生水利用影响因素识别及潜力评估
    侯金甫,方红远,李艳明,程倩倩
    2022, 20(4):682-690.
    [摘要](132) [HTML](0) [PDF 1.16 M](352)
    摘要:
    以苏州市为研究区,对其污水处理以及再生水利用能力现状进行了分析。选取25项影响苏州市再生水利用量的指标因素,并根据2008—2020年相关统计资料,运用BP-DEMATEL(backpropagation decision-making trial and evalvation laboratory)模型识别出影响再生水利用的关键驱动因素以及关键特征因素,在此基础上构建差分GM(1,N)预测模型,评估苏州市再生水利用潜力。结果显示:污水处理投资、排水设施投资、居民家庭用水量、全年水资源总量、万元GDP用水量等5项因素为关键驱动因素,污水排放量、污水处理量、污水处理能力、城市用水人口4项因素为关键特征因素,均与苏州市再生水利用发展密切相关。GM(1,N)预测模型拟合结果精度较高,平均相对误差为0.22%,预期至2025年苏州市再生水利用潜力可达到59 630.52万m3。
    8  Variation characteristics of extreme precipitation from 1955 to 2015 in Shijiazhuang City,Hebei Province
    HAO Lin ZHOU Hui LI Yan CAO Xiaolei LIU Yu
    2022, 20(4):691-702.
    [摘要](27) [HTML](0) [PDF 1.29 M](267)
    摘要:
    In order to give guidelines for the execution of countermeasures in response to extreme precipitation events.the tempo-spatial variation characteristics of extreme precipitationare are analyzed by 11 extreme precipitation indexes during the past 60 years (1955-2015) in Shijiazhuang City.The results showed that the extreme precipitation of Shijiazhuang City generally showed a downward trend in the past 60 years,and the wet day precipitation (PRCPTOT) exhibited the most obvious downward trend.There were significant spatial differences in the trend of extreme precipitation indexes.According to the spatial superposition of the historical trend of extreme precipitation index and Hurst index,the extreme precipitation intensity indexes in most areas of Shijiazhuang city will continue to decline in the future,and the extreme precipitation intensity indexes in some central areas will continue to rise.
    9  不同气候情景下和田河上游径流变化
    尤扬,李朋朋,高云
    2022, 20(4):703-713.
    [摘要](43) [HTML](0) [PDF 1.44 M](361)
    摘要:
    位于内陆的和田绿洲,其水资源主要来自上游山区,山地径流的变化将直接影响社会经济活动。基于此,对和田河流域上游1980—2015年的降水、温度、径流的变化趋势以及降水、温度对径流的影响进行分析,构建相应的soil and water assessment tool(SWAT)模型,结合气候模式对未来6种气候变化情景下的径流进行预测。结果表明:1980—2015年和田河流域上游年均气温和年降水的变化率分别为0.31 ℃/10 a和16.5 mm/10 a,均呈显著增加趋势,年径流也呈上升趋势;以2009—2011年为基准期,若和田河上游降水量分别增加12.5%、10%和减少10%,则其径流量将分别增加8.19%、6.45%和减少6.23%;若和田上游流域温度分别增加0.3 ℃、1 ℃和2 ℃,则和田河径流量将分别增加1.96%、7.74%和12.99%;预设的6种情景径流量均呈现增加趋势,其中2021—2030年HADG_RCP8.5情景下径流量最小,为51.25亿m3/a;2031—2040年,BCC_RCP4.5情景下径流量最小,为53.06亿m3/a。所得结果可以为当地水资源调配提供理论支撑。
    10  长江经济带水环境承载力时空变化特征
    杨亚锋 ,闫佳伟,王红瑞,周利超,杨荣雪
    2022, 20(4):714-723.
    [摘要](478) [HTML](0) [PDF 1.38 M](352)
    摘要:
    聚焦自然本底和人类活动的双重影响,从水资源、生态环境和经济社会3个子系统出发构建水环境承载力评价指标体系,进而建立一种基于可变集方法的水环境承载力指数模型,探讨长江经济带水环境承载力的时空变化特征。结果表明:2009—2018年,长江经济带水环境承载力呈现逐年提升的基本发展态势,承载力指数由4.20增至6.08;上、中、下游区域的水环境承载力日趋均衡。3个子系统承载力则具有空间分异特征:上游区域的生态环境子系统相对较弱,但差距逐年缩小;中游区域的水资源子系统恶化趋势明显;下游区域的经济社会子系统常年显著占优,而水资源子系统则严重滞后。2018年,长江经济带的水环境承载力具有明显的空间分布规律,除浙江外,表现为上游优于中游、中游优于下游,但总体上呈现经济社会子系统绝对占优、生态环境子系统一般、水资源子系统相对滞后的基本特征。水资源子系统是当前长江经济带水环境承载力提升过程中需要重点关注的主要矛盾点之一。
    11  我国植被冠层降水截留研究进展
    吕爱锋 王蕾 ,曲波
    2022, 20(4):724-736.
    [摘要](435) [HTML](0) [PDF 1.29 M](422)
    摘要:
    植被冠层通过对降水的拦截可以改变降水的数量及空间分布、调节地表径流,进而影响生态系统的水分循环。冠层截留过程极易受到多种因素的影响,且不同植被的冠层截留具有差异性。在全球气候变化的背景下,降水变异性的增加、植被的物候效应及土地利用的变化深刻影响着水循环的各个环节,也会进一步对植被冠层截留造成影响。对于植被冠层截留测定方法有人工模拟法和间接观测法,冠层截留模型的研究往往以间接观测结果作为基础。当前我国研究的冠层截留模型主要分为3类:经验模型基于实测资料可揭示不同影响因素与冠层截留的关系;理论模型侧重于冠层截流内在机制,但对于研究者的数学计算能力要求较高;半经验半理论模型参数较少且具有相对明确的物理意义,因此在研究中得到广泛应用。未来我国冠层截留研究可重点关注草本植被冠层截留及变化、结合全球尺度的遥感数据进行方法改进以及冠层截留模型与全球环境变化模型耦合等方面。
    12  黑龙江省植被指数时空变化及其对气候因子的响应
    王子龙,孙昌鸿,刘莹,姜秋香,朱彤
    2022, 20(4):737-747.
    [摘要](341) [HTML](0) [PDF 1.61 M](333)
    摘要:
    为探究全球气候变暖条件[HJ1.8mm]下黑龙江省覆被变化特征,基于1982—2015年GIMMS(global inventory modeling and mapping studies) NDVI3g(normalized difference vegetation index3rd generation)数据,利用趋势分析、Hurst指数法和相关性分析法,分析黑龙江省近34年的植被指数时空变化规律和未来趋势,[JP2]同时结合省内34个气象站点数据,分析归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)与气温、降水及蒸散量的响应特征。结果表明:黑龙江省3种植被覆盖类型的NDVI均呈缓慢上升趋势,其中,林地和草地NDVI增速为0.004/10 a,农田NDVI增速为0.002/10 a;植被覆盖的整体变化先升高后降低,其中最大值出现在2014年,最小值出现在1984年;全省植被覆盖空间格局呈东高西低的分布特征,以“大兴安岭—伊春—鹤岗—佳木斯—双鸭山”为界限,西南地区植被覆盖较为丰富,而东北部地区植被覆盖较少;全省植被变化的同向特征强于反向特征,持续性区域和反持续性区域分别占总面积的97.65%和2.35%;植被覆盖变化与气温相关性高于降水,蒸散与植被指数的相关性在年均和生长季差异性较显著,气温是影响生长季植被覆盖变化的主要气候因子。研究结果可为气候变化背景下寒区土地利用/覆被变化研究提供一定的理论支撑。
    13  中国河流分区分类生态基流占比阈值确定
    刘欢,胡鹏,王建华,张璞,杨泽凡,曾庆慧
    2022, 20(4):748-756.
    [摘要](47) [HTML](0) [PDF 1.19 M](320)
    摘要:
    为解决河流生态基流保障目标制定缺乏参考标准这一问题,提出一种分区分类的河流生态基流占比(即生态基流占多年平均天然径流的百分比)阈值确定方法。同时,选择我国10个水资源一级区439个水文监测断面,通过对断面1956—2018年天然与实测流量资料的分析,综合考虑断面径流大小、年内变化是否剧烈、是否受控制性水利工程调控等,提出我国河流分区分类的生态基流占比阈值,包括上限值、下限值和推荐值。结果表明:无控制性水利工程调控时,断面生态基流占比随其集水面积增加呈上升趋势,而全国小、中、大型断面生态基流占比的分区平均推荐值在枯水期分别为4.4%、6.6%和9.2%,非枯水期分别为9.4%、11.6%和16.2%;在有控制性水利工程调控时,断面在枯水期的平均推荐值为12%,而在非枯水期为17%。成果较好反映了全国河流生态基流的时空差异,可为生态基流保障目标的分区域、分类型、分时段制定提供支撑。
    14  河湖水系连通工程与国家水网建设研究
    徐宗学 庞博 ,冷罗生
    2022, 20(4):757-764.
    [摘要](213) [HTML](0) [PDF 1.06 M](451)
    摘要:
    根据国家水安全保障的战略需求,分析与探讨国家水网的总体布局,明确河湖水系连通工作的战略需求,深入分析河湖水系连通对水资源、防洪、生态、环境、社会和经济的影响,剖析国家水网建设中需要注意的主要问题,辨析南水北调工程在国家水网建设中的功能和作用。结果表明,建设国家水网是提高我国水安全的有效措施,但河湖水系连通工程涉及经济社会方方面面,有必要站在全局的高度,从提高水资源保证率、减轻洪涝灾害、改善生态环境等诸多方面,分析河湖水系连通工程的得与失、利与弊,结合近期与远期、供水区和受水区的经济社会发展趋势,全面剖析河[JP+1]湖水系连通工程的效益与风险,建设好利国利民、功在千秋的国家水网,切实提高我国的水安全。通过多学科交叉的系统研究,全面分析河湖水系连通和国家水网建设工作中的重点和难点,为加快构建国家水网提供参考和支撑。
    15  贯流泵导叶应力应变及振动特性数值模拟
    施伟,李加旭,李松柏,孙涛,范雪梅,成立,罗灿
    2022, 20(4):765-772.
    [摘要](323) [HTML](0) [PDF 1.34 M](362)
    摘要:
    为了获取贯流泵固定导叶的应力应变和振动特性,基于单向流固耦合法,开展多流量工况下后置灯泡贯流泵固定导叶应力应变和湿模态分析。结果表明:随着流量的增加,导叶片表面最大等效应力和应变量整体趋于减小;小流量和设计流量工况下,导叶片表面的等效应力和应变分布相似;大流量工况下,等效应力沿水泵导叶根部分布,占整个吸力面达90%,较大的应变则出现在导叶片外缘的中上部,变形区域约占整个导叶的60%;导叶固有频率与流量工况关联性不大,其值随着模态振型的阶数增加而增加,共振风险分析中可以忽略流量因素的影响。研究成果对贯流泵固定导叶优化及运行稳定性的提高有一定借鉴意义。
    16  基于GRA-NARX神经网络的泵站站前水位预测模型
    刘晓伟 ,哈明虎,雷晓辉 ,张召
    2022, 20(4):773-781.
    [摘要](91) [HTML](0) [PDF 1.24 M](392)
    摘要:
    针对多种水工建筑物相互作用和影响下的泵站水位预测难题,提出基于GRA-NARX(grey relation analysis-nonlinear autoregressive model with exogenous inputs)神经网络的泵站站前水位预测模型。该模型包括灰色关联分析(GRA)和NARX神经网络两部分,利用3种训练算法和不同时间延迟分别对密云水库调蓄工程屯佃泵站站前水位进行2 h预测,并与NARX模型和GRA-BP(grey relation analysis-back propagation)模型的预测结果进行比较。研究结果表明,GRA-NARX-BR(grey relation analysis-nonlinear autoregressive model with exogenous inputs-bayesian regularization)模型用于水位预测能够比较全面地考虑影响因子,预测精度高,相关系数最高达0.986 62,均方根误差最小为0.008 6 m,预测效果比NARX模型和GRA-BP模型好,且时间延迟越长,均方根误差越小。模型也可在其他调水工程中推广使用。
    17  冻土水文地质学研究进展
    戴长雷 于淼 宋成杰 Nadezhda Pavlova 尉意茹 李梦玲
    2022, 20(4):782-801.
    [摘要](484) [HTML](0) [PDF 1.36 M](359)
    摘要:
    冻土水文地质学主要研究冻土区水分要素的时空分布和运动规律及其与冻土间的相互作用。在微观上,冻结温度、未冻水含量以及孔隙水压力等冻土层独有的水热参数决定了冻土的结构和物理力学性质,同时影响了冻土层的冻融过程。而宏观上,冻土层的存在改变了常规的地表径流和水系模式,地下水的循环系统也由于冻土层的季节性冻融发生了根本变化,形成了冻土区独特的水文地质条件。从微观和宏观两种角度系统归纳与总结国内外冻土水文地质学研究进展,并分析包括地球物理技术、水化学、冻土水文模型在内的技术方法,同时对高寒区特有的地下水溢流冰、融雪入渗和冻土保墒现象的研究成果进行总结与分析。冻土水文的发展趋势应在积累研究数据和技术方法的基础上进一步探索产汇流过程机理,并建立更完善的冻土水文物理模型,定量分析冻土与水资源之间的相互作用。
    18  基于井水位潮汐响应探讨含水层的水力特征及其变化
    赵可新,兰双双,谷洪彪,梁文宇,乔鹏
    2022, 20(4):802-813.
    [摘要](28) [HTML](0) [PDF 1.40 M](328)
    摘要:
    为了科学地认识应力荷载对地下水渗流运动规律的影响,揭示井孔-含水层系统与地震活动的响应关系,以华蓥山断裂带附近的大足井和北碚井为例,基于潮汐响应推求观测段含水层水力特征参数,探讨汶川地震对含水层水力特征及地下水流运动状态的影响,并对其变化机制进行解释。结果表明:大足井附近含水层中地下水运动以径向流为主,利用潮汐径向流模型计算出含水层水平渗透系数与以往抽水试验的结果基本一致;北碚井孔-含水层系统中地下水垂向流和径向流并存,引入越流含水层系统模型得到越流系数范围为1.5×10-8~2.5×10-8 s-1;汶川地震后,北碚和大足井水位均发生了阶降变化且含水层中地下水垂向流运动增强,分析认为原因是该区域侏罗系砂岩含水层在较大范围内存在着统一的水力联系,且局部裂隙发育,倾角较大,地震导致含水层发生膨胀变形和裂隙疏通,在重力作用下地下水顺层或沿裂隙通道流动。研究结果有助于提高对含水层受力变形与渗流相互作用的认识,进一步深化井孔-含水层系统对地震活动响应机制的研究
    19  冬小麦全生育期区域蒸散量时空变化
    栾清华 ,何帅,何立新,周炜,王利书,马静
    2022, 20(4):814-824.
    [摘要](379) [HTML](0) [PDF 1.79 M](360)
    摘要:
    为探究冬小麦不同生育期内区域蒸散发的变化规律,以邯郸永年冬小麦种植区为研究区,基于PenmanMonteith公式计算结果验证后的SEBAL(surface energy balance algorithm for land)模型,模拟计算2019年10月至2020年6月全生育期冬小麦不同生长期的区域蒸散量,结果表明:整个冬小麦生育期内区域日最大蒸散发量为0.97~13.66 mm/d,均值为0.52~8.06 mm/d;空间分布总体上呈现出西低东高的变化趋势,与研究区地形和水文地质特征造成的耕作方式的差异性较为一致;时间分布呈现出苗期至返青期在0.52~1.49 mm/d波动变化、起身期至孕穗期在3.18~4.47 mm/d波动变化、拔节期至成熟期呈现快速增加到4.47~8.06 mm/d的趋势,且与LAI(leaf area index)变化密切相关;区域蒸散发的峰值在出苗期和返青期之间存在空间转移现象。研究成果对优化区域农田灌溉制度、提高农田水分管理具有借鉴意义。
    20  基于河北省河道采砂规划的砂石供需分析
    霍惠玉 赵云云 赵名彦 李雪松 李芳然
    2022, 20(4):825-832.
    [摘要](43) [HTML](0) [PDF 1.14 M](314)
    摘要:
    基于2012—2018年河北省采砂规划报告统计分析,通过卫星遥感影像和实地勘测数据的修正,总结出河北省内不同水系采砂河道现状与开采范围、特点,估算不同地市已编制采砂规划的河流(河段)控制开采量的剩余储量。利用河北省散装水泥消耗和水泥产量,并结合砂石其他供应量,综合估算出河北省内各地市年均砂石需求量,以此进行各地市供需分析。针对砂石供需矛盾进行原因分析,并提出有序推进河砂资源替代利用、加快推行采砂统一经营模式、结合河道治理合理利用有限的砂石资源、探索推进水库淤积砂开采利用等建议,控制河砂的无序、不合理开采,以期为河北省采砂及管理提供一定参考。

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