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2022年  第33卷  第6期

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论著
关于国家水安全学的设立及学科体系构建的探讨
王浩, 左其亭, 蒋云钟
2022, 33(6): 859-867. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.06.001
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摘要:
国家安全是国家生存与发展的基本前提, 是维护国家利益的最根本保障。水安全是国家安全的重要组成部分, 既要保障国家经济社会可持续发展, 又要支撑国家粮食安全、能源安全以及生态安全等。水安全历来是治国安邦的大事, 研究国家水安全问题具有重要意义。本文在分析国家安全需求及水安全研究成果的基础上, 提出在"国家安全学"一级学科框架下设立"国家水安全学"二级学科(或分支学科)的思路, 界定国家水安全学的概念和学科定位; 提出国家水安全学的学科体系框架, 包括研究对象、理论体系、方法论及应用实践; 最后, 考虑学科发展需求, 对国家水安全学的未来发展进行了展望, 可为进一步完善和发展国家水安全学提供借鉴。
黄河源区雨季降水与汛期径流量重建及其千年尺度下的演变特征
王文卓, 张建云, 陈峰, 贾本有, 吴淑君, 王国庆
2022, 33(6): 868-880. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.06.002
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摘要:
黄河源区年内降水集中, 洪水风险大, 重建源区雨季降水和汛期径流量对于提高径流预报预测精度及防洪防灾具有重要科学意义和应用价值。本文利用黄河源区及周边筛选的16个树轮年表, 采用嵌套主成分层次贝叶斯回归模型, 估算参数后验分布替代固定值以考虑不确定性, 重建了黄河源区过去1 160 a的雨季降水; 提出了基于年径流的分类占比回归模型, 以考虑汛期径流量与年径流量的一致性, 将黄河源区汛期径流量展延至公元159年。结果表明: ①嵌套主成分层次贝叶斯回归模型的误差缩减值(ER)和有效系数(EC)评价指标值均显著高于0, 分类占比回归模型的ER和EC值最高分别达0.90和0.88, 重建结果可靠性较高; ②即使在千年尺度下, 1979—1985年亦是较为不寻常的汛期高径流量时期。
城市下垫面空间格局对社区尺度内涝过程的影响模拟
刘家宏, 石虹远, 梅超, 王浩, 宋天旭, 栾清华
2022, 33(6): 881-893. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.06.003
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摘要:
为研究城市下垫面空间格局对社区尺度内涝过程的影响, 构建社区尺度下的8种不同城市下垫面空间格局, 并建立相应的城市内涝数值模型, 模拟6种不同重现期(2 a, 5 a, 10 a, 20 a, 50 a, 100 a)设计降雨条件下内涝过程; 基于不同下垫面和降雨情景下的内涝数值模拟结果, 分别从内涝淹没特征值、时空变化过程、水动力特性等方面开展分析。结果表明: ①城市下垫面空间格局对社区尺度内涝淹没特征值、淹没时空变化过程和内涝积水流速分布均有一定影响; ②设计降雨重现期为2 a、5 a、50 a和100 a时, 不同城市下垫面空间格局间的积水总量峰值、积水面积峰值、区域最大积水深差别显著, 重现期为10 a和20 a时, 无明显差别; ③内涝积水较大流速分布主要集中在道路交汇处, 在本研究构建的情景中, 最大流速的差值占比为31.9%;④在8种不同城市下垫面空间格局中, 环形放射型格局在应对内涝方面更具弹性。本研究可为城市下垫面空间管控和城市内涝形成机理研究提供科学参考。
长三角地区典型海绵设施水文效益试验研究
虞美秀, 付婷, 张建云, 王国庆, 董吴欣
2022, 33(6): 894-903. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.06.004
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摘要:
开展不同海绵设施在中国长三角气候模式下的水文效益研究, 对增强城市应对内涝能力从而提高城市对变化环境的适应性具有重要科学意义。选择国家首批海绵试点城市镇江海绵基地4种典型海绵设施作为研究案例, 采用径流系数、削减率、削峰率及洪峰流量等指标, 评估场次降雨与海绵设施出流相关性, 分析海绵设施在不同降水量级和降雨雨型下的水文性能, 以及运行时间对海绵设施水文效益的影响。结果表明: ①透水铺装类海绵设施的降雨—径流关系呈单一式; 而绿植类则表现为分段式, 即在场次降水量超过一定临界暴雨量之后关系线发生转折, 其中平均径流系数增加了8.4~38.5倍, 平均削峰率和削减率分别减少了50.4%和44.6%。②暴雨条件下不同海绵设施的产流能力和洪峰流量最大, 对径流总量消减能力及洪峰流量削减能力最弱, 且从暴雨到大雨变化规律比大雨到中雨变化规律更显著。③海绵设施的水文性能受到降雨雨型、平均降雨强度和最大单位降雨强度等因子多重复合影响。除雨水花园外, 其他海绵设施的径流系数对上述影响因子变化最为敏感, 洪峰流量次之, 削减率第3, 削峰率的敏感性显著低于前面三者。④车行透水砖运行1 a后, 其产流能力与洪峰流量分别显著增加1.7~2.1倍和1.9~2.5倍; 径流控制能力显著减弱, 其中消减能力降低了16%。
融合气象要素时空特征的深度学习水文模型
李步, 田富强, 李钰坤, 倪广恒
2022, 33(6): 904-913. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.06.005
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摘要:
针对现有深度学习水文模型未能充分刻画气象要素空间特征的问题, 本文基于主成分分析(PCA)方法提取气象要素空间特征, 利用长短时记忆神经网络(LSTM)学习长时序过程规律, 构建融合气象要素时空特性的深度学习水文模型PCA-LSTM。以黄河源区为研究区域, 利用LSTM模型和物理水文模型THREW作为比对模型, 基于高斯噪音法系统评估PCA-LSTM模型的适用性和鲁棒性。结果显示: PCA-LSTM模型径流模拟纳什效率系数为0.92, 高于比对模型LSTM和THREW, 表明模型具有较高的精度。研究结果可为流域高精度水文模拟提供参考。
基于双层滑动的水库旱限水位确定算法
严子奇, 周祖昊, 韦瑞深, 严登华, 王坤
2022, 33(6): 914-923. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.06.006
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摘要:
旱限水位是水库抗旱预警的重要指标, 可作为水库开展抗旱调度的重要依据, 开展不同类型水库旱限水位确定算法研究, 对水库旱限水位的推广及提升干旱主动防御能力有重要意义。本文探讨了水库旱限水位的概念内涵, 认为水库旱限水位是在干旱缺水条件下水库供水系统达到临界平衡的水位阈值。通过引入调度期、保证期等双层控制期, 提出了适用于多年调节、年调节、季调节水库的旱限水位双层滑动算法, 并且形成了旱限水位控制下的水库抗旱调度策略。通过对张峰水库与和川水库进行案例分析, 验证了双层滑动算法对于多年调节水库和季调节水库的可行性与合理性, 结果表明, 通过设定旱限水位, 可以在干旱前期预留水量, 有效缓解干旱年份的严重缺水情况, 各个行业的缺水率和严重缺水时段均有显著减少。本研究为水旱灾害防御部门制定水库旱限水位、指导水库抗旱调度提供了一套通用算法, 能够为干旱防御决策提供科学依据和技术支撑。
三峡库区洪峰的来水组成及传播特征
赵汗青, 任实, 袁赛瑜, 米博宇, 张成潇, 吕超楠
2022, 33(6): 924-933. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.06.007
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摘要:
三峡库区的洪峰流量受入库支流洪水及水库运行方式的影响并表现出显著的空间变异性, 开展基于来水组成的入库洪峰及其在库区传播特征的研究, 有助于进一步认识河道型水库的水动力机理并支撑三峡水库优化调度实践。利用水文统计学及河流动力学理论, 分析三峡水库2011—2020年实测的逐日流量数据, 结果表明: ①提出的阈值方法, 能够有效统计任一场次洪水对应库区各站的洪峰流量; ②当入库洪峰流量大于40000 m3/s时, 各支流洪水峰现时刻的异步特性对入库洪峰流量的影响相对较小; ③清溪场、万县的洪峰流量主要取决于入库洪峰流量, 庙河、黄陵庙的洪峰流量还取决于三峡水库的调度运行并随入库洪峰流量呈分段变化的趋势; ④针对不同类型的洪峰, 建立了清溪场、万县洪峰流量的计算公式。
基于自组织映射神经网络的水库洪水过程分类
林康聆, 周研来, 陈华, 郭生练, 王俊
2022, 33(6): 934-943. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.06.008
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摘要:
针对传统洪水分类方法中洪水特征提取时存在信息损失和主观性强的问题, 本文基于洪水全过程构建自组织映射神经网络(Self-Organizing Map, SOM), 综合考虑代表性和拓扑性等评价指标以优选网络规模, 实现洪水全过程的拓扑逻辑关系挖掘及分类。以三峡水库洪水过程为研究对象, 研究结果表明: ① 2×3维SOM覆盖率达到56.7%, 与3×3维SOM相比, 仅有约2%的覆盖率差距, 具有良好代表性; 2×3维SOM输出层仅有1处翻转, 拓扑结构比3×3维SOM更优, 更适合三峡水库洪水过程分类。② 2×3维SOM将洪水过程划分为6类, 其神经元拓扑结构可有效刻画各分类的差异与联系, 说明SOM可基于可视化拓扑逻辑关系实现高维洪水数据的可靠客观分类。③与传统方法的历史典型洪水分类结果相比, SOM能提供可靠且丰富的分类信息。
考虑动态汇流路径的时变分布式单位线
易彬, 陈璐
2022, 33(6): 944-954. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.06.009
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摘要:
针对现有分布式单位线汇流理论未考虑土壤含水量变化引起的时变汇流路径问题, 提出动态汇流路径新概念, 推求同时考虑降雨强度和土壤含水量时空分布的坡面流速计算公式, 引入地形指数刻画流域蓄水能力空间分布, 从而获得栅格尺度流域流速分布场, 进一步建立不同蓄满状态下流域动态汇流路径集合, 最终实现考虑动态汇流路径的时变分布式单位线推求。以龙虎圩和东石流域为实例, 通过SCS模型计算产流量, 采用本文所提方法进行汇流计算, 引入涵盖低流量误差、高流量误差及洪量误差的多目标优化方法率定参数, 2个典型流域28场洪水预报结果表明, 洪峰流量相对误差在±15%内, 峰现时间误差在±6 h之间, 纳什效率系数平均值超过0.8, 与现有方法相比, 所提方法能更加准确地反映汇流时间分布场, 提高了洪水预报精度。
宁夏中部干旱带露水形成机制及其对表层土壤水分的影响
马波, 田军仓, 何进宇, 王智
2022, 33(6): 955-966. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.06.010
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摘要:
露水的形成及其对土壤水分的影响是进一步量化水循环和生态水文过程的重要依据。为探明露水发生规律, 在宁夏中部干旱带连续3 a观测了每30 min气象资料和表层土壤水分, 用叶片湿度传感器测算了露水量。结果表明: 该区年露水量可达56.41 mm, 75%发生在6—10月, 最大月露水量和日露水量分别为13.40 mm和0.80 mm, 主要发生在03:00—08:00;露水发生的气温、相对湿度和风速范围分别为0~24.4℃、50%~100%和0.16~1.74 m/s, 风向为30°~60°(东北风)和270°~330°(西南偏西风); 气温和露点差与相对湿度之间呈极显著线性逆相关, 气温和露点差小于3 ℃且相对湿度大于80%时极易产生露水; 日露水量为0.6 mm、0.7 mm和0.8 mm时表层5 cm土壤贮水量可分别提高0.10 mm、0.20 mm和0.25 mm。该地区年均降露量是降雨量的13.5%, 露水年均发生频率为126 d(35%), 是当地水循环和生态系统不可忽略的水源。
环渤海区域滩涂资源开发承载力时空演变特征
陆彦, 杨元媛, 陆永军, 侯庆志
2022, 33(6): 967-977. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.06.011
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摘要:
有效识别和评估各滩涂区域资源开发承载力时空变化的差异, 有利于滩涂资源的科学规划, 对实现沿海滩涂资源的高效利用与保护具有重要意义。本文针对渤海半封闭海湾滩涂特征的空间差异性, 基于"驱动力-状态-影响"模型, 构建了滩涂资源开发承载力评估体系, 对研究区域7个评价单元在4个代表年份的资源承载力进行了评估, 阐明了海湾滩涂资源开发承载力时空演变特征。结果表明: 围填工程减弱了渤海湾滩涂资源开发承载能力, 工程大规模建设期间(2003—2012年)各评价单元承载力均呈下降趋势, 2012年后随着国家围填海管控措施的实施, 滩涂承载力有回升态势; 在空间上滩涂资源承载力表现为湾顶的降幅高于海湾南部区域, 滩涂开发前后天津港附近区域承载力较弱, 黄骅港以南滩涂养殖区承载力较强。
阶梯-深潭结构对沟道稳定性的作用机制
黄科翰, 徐梦珍, 张晨笛, 王兆印
2022, 33(6): 978-988. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.06.012
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摘要:
阶梯-深潭结构是山区河流中典型的高效消能结构, 以消耗水能、增加阻力的方式提升沟道稳定性。通过水槽试验模拟沟道冲刷, 探究阶梯-深潭结构稳定沟道的机制及效果, 为山区河流消能减灾和稳定河床提供科学和技术参考。结果表明: 阶梯-深潭结构能有效消耗水流能量、抑制泥沙输移和提升水流阻力, 从而有效控制河床下切和边坡破坏; 在阶梯-深潭结构的作用下, 沟道的Darcy-Weisbach系数约增加为无结构条件下的4倍, 时均输沙率降低20%~66%, 但随着流量的增大, 阶梯-深潭稳定沟道的效果降低; 阶梯高度与长度比(0.1)相同时, 结构提升沟道稳定性的效果接近。阶梯-深潭结构自身的稳定是其稳定沟道的关键条件, 实际应用过程中需防止结构发生逐级破坏。
一维-三维耦合的明渠瞬变流模拟方法与应用
吴家阳, 李安强, 程永光
2022, 33(6): 989-999. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.06.013
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摘要:
为精细化模拟明渠中水电站瞬变过程引发的涌浪, 克服以往低维模型无法细致刻画涌浪的横向和垂向运动、以及高维模型计算效率偏低等问题, 基于水位预测矫正法, 提出了一维-三维耦合的明渠瞬变流模拟方法。通过潮汐波浪运动、局部溃坝波和顺直明渠瞬变流算例验证了方法的有效性和准确性, 模拟结果与渐进理论解、商用软件模拟结果等吻合较好。将该方法应用在实际工程中, 计算了葛洲坝水利枢纽瞬变过程中库区的涌浪过程, 分析了瞬变过程的最大、最小涌浪波高和涌浪的衰减规律, 结果与频谱分析结果吻合较好, 说明了本方法能准确模拟实际的明渠瞬变流过程。
横流环境下振荡射流初始稀释规律
徐振山, 黄振超, 李蒙, 陈永平, 张长宽
2022, 33(6): 1000-1008. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.06.014
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摘要:
横流环境下振荡射流的运动和稀释特性研究对于提高排放工程稀释能力非常重要。利用三维大涡数学模型研究了横流环境下振荡射流的初始稀释规律, 探讨了各参数对射流稀释效果的影响; 通过引入射流特征速度与特征长度并进行量纲分析, 得到了横流环境下振荡射流的断面最小稀释度和可视范围面积经验公式, 并将其与波流环境下非振荡射流的稀释规律进行对比。研究表明: 横流环境下振荡射流下游断面浓度极大值出现在反向对称漩涡(CVP)结构位置或"污染物云团"位置; 振幅-射流速度比越大, 最小稀释度越大, 断面可视范围面积越大; 随着斯特劳哈尔数的减小, 断面可视范围面积增加, 最小稀释度变化不明显; 横流环境下振荡射流和波流环境下非振荡射流的初始稀释经验公式结构一致, 射流振荡性产生的初始稀释促进作用与波浪效果类似。
述评
基于连通性恢复的潜流带生态修复研究进展
王龙飞, 王子怡, 李轶
2022, 33(6): 1009-1020. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.06.015
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摘要:
潜流带是流域生态修复的关键区域之一, 潜流带修复的根本目标是恢复水系间的能量流通、物质传递和信息流动, 即恢复潜流带的连通性。对于潜流带连通性恢复而言, 应统筹考虑水文连通性、生态连通性和功能连通性等多层次的内容。潜流带生态修复相关研究主要基于流体动力学、地质学和生态学等基础理论, 剖析潜流驱动的生物地球化学耦合机制, 研发可促进潜流交换和恢复生物多样性的生态修复技术, 实现潜流带水文条件的改善与生物物种的恢复, 进而达到潜流带生态系统结构和功能综合性修复的目的。本文从潜流带水文连通性、生态连通性和功能连通性等多层次出发, 从潜流带流体动力学性能、介质性能、生物群落组成、食物网结构及环境生态功能等方面, 综述基于生态修复目标的潜流带连通性恢复理论与技术进展, 以实现潜流带生态系统整体稳定性的提升。在未来潜流带生态修复理论与应用研究中, 需发挥多学科交叉的优势, 耦合多组学方法对潜流带生态过程进行微观探索, 系统探究时间和空间尺度上潜流带生态修复过程的演替规律, 进一步构建多因素作用下的潜流带生态修复框架体系。
书评
海纳百川  泽被神州——喜读《中国水图》
刘国纬
2022, 33(6): 1021-1022. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.06.016
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