南水北调与水利科技（中英文）
2024年第22卷第6期文章目次
2024, 22(6):1041-1050.
摘要:
过闸流量的精确计算是实现调水系统科学调度以及平稳运行的基础，同时也是调水工程数字孪生建设的重要水利专业模型之一，调度运行中虽已积累大量监测数据，但水流状态受节制闸调度指令影响，当前稳定输水状态被破坏，待调度完成后再次达到新的稳定状态，而监测设备无法识别过渡状态，虽然监测数据符合实际情况，但仍存在较大的波动性不利于参数率定，直接影响过流计算的可靠性。针对上述问题，提出一种稳定输水状态辨识方法，通过分析原始监测数据下流量系数变化值的分布规律得到其变化阈值。基于此，从监测数据中筛选出具有代表性的稳态数据集，结合量纲分析方法利用稳态数据率定参数，进行过闸流量计算。以南水北调中线工程中的金水河节制闸、淇河节制闸和七里河节制闸为例，对比分析利用原始监测数据和稳态数据率定参数后的流量误差效果。结果表明：流量平均相对误差从7.26%、3.35%和3.80%减少至6.55%、3.22%和2.19%。该研究提高了闸门水力计算精度，为进行高精度输水调度模拟预演及决策运行提供有力支撑。
过闸流量的精确计算是实现调水系统科学调度以及平稳运行的基础，同时也是调水工程数字孪生建设的重要水利专业模型之一，调度运行中虽已积累大量监测数据，但水流状态受节制闸调度指令影响，当前稳定输水状态被破坏，待调度完成后再次达到新的稳定状态，而监测设备无法识别过渡状态，虽然监测数据符合实际情况，但仍存在较大的波动性不利于参数率定，直接影响过流计算的可靠性。针对上述问题，提出一种稳定输水状态辨识方法，通过分析原始监测数据下流量系数变化值的分布规律得到其变化阈值。基于此，从监测数据中筛选出具有代表性的稳态数据集，结合量纲分析方法利用稳态数据率定参数，进行过闸流量计算。以南水北调中线工程中的金水河节制闸、淇河节制闸和七里河节制闸为例，对比分析利用原始监测数据和稳态数据率定参数后的流量误差效果。结果表明：流量平均相对误差从7.26%、3.35%和3.80%减少至6.55%、3.22%和2.19%。该研究提高了闸门水力计算精度，为进行高精度输水调度模拟预演及决策运行提供有力支撑。
2024, 22(6):1051-1062.
摘要:
针对调水工程受水区用水户使用外调水意愿不足，存在过度开采当地地下水或超量使用地表水等违规取用水行为的情况，基于社会共治理念，考虑引入社会公众监督力量，借助演化博弈理论，通过建立地方政府、用水户与社会公众的三方演化博弈模型，探讨不同情况下地方政府、用水户与社会公众的演化稳定策略以及实现系统稳定的条件，并通过系统动力学仿真分析研究模型中关键参数对三方利益主体演化策略的影响。结果表明：政府监管成本、补贴力度、处罚力度、违规取用水行为监管发现率以及社会公众监督举报成本是影响三方演化博弈的关键因素。其中，降低政府监管成本能够显著提升政府监管力度；提升政府水费补贴和惩罚力度能够促进用水户选择使用外调水，相较于政府处罚力度，用水户对于政府补贴力度更加敏感；降低监督举报成本能够提升社会公众参与监督的意愿。为此，建议政府从优化监管机制和措施、完善取用水奖惩制度与引导公众广泛参与3个方面推进调水工程受水区外调水的消纳与本地水的合规取用。
针对调水工程受水区用水户使用外调水意愿不足，存在过度开采当地地下水或超量使用地表水等违规取用水行为的情况，基于社会共治理念，考虑引入社会公众监督力量，借助演化博弈理论，通过建立地方政府、用水户与社会公众的三方演化博弈模型，探讨不同情况下地方政府、用水户与社会公众的演化稳定策略以及实现系统稳定的条件，并通过系统动力学仿真分析研究模型中关键参数对三方利益主体演化策略的影响。结果表明：政府监管成本、补贴力度、处罚力度、违规取用水行为监管发现率以及社会公众监督举报成本是影响三方演化博弈的关键因素。其中，降低政府监管成本能够显著提升政府监管力度；提升政府水费补贴和惩罚力度能够促进用水户选择使用外调水，相较于政府处罚力度，用水户对于政府补贴力度更加敏感；降低监督举报成本能够提升社会公众参与监督的意愿。为此，建议政府从优化监管机制和措施、完善取用水奖惩制度与引导公众广泛参与3个方面推进调水工程受水区外调水的消纳与本地水的合规取用。
2024, 22(6):1063-1070.
摘要:
以南水北调中线水源地南阳市6个县（市、区）为研究对象，探讨水生态与经济发展之间的适配性。从经济规模、经济结构、经济活力、经济潜力、经济响应、水生态状况、水生态压力及水生态响应8个维度出发，构建基于压力-状态-响应（pressure-state-response，PSR）模型的系统适配性评估指标体系。采用坎雷赋权法分配指标权重，测算2012—2022年南阳市6个县（市、区）的系统适配度，并深入分析其时空差异及变化趋势。发现南阳市6个县（市、区）在研究期间内系统适配度整体上升，表明该区域在水生态保护和经济发展方面取得了积极进展；6个县（市、区）间系统适配性的变化表现出较强的趋同性，这一现象与6个县（市、区）以农业为主要支柱产业的实际密切相关；随着南水北调中线一期工程通水，南阳市6个县（市、区）的系统适配度显著提高，工程通水不仅明显改善了该区域的水资源状况，还对当地的生态环境保护、农工业发展及经济结构优化产生了积极影响。揭示了南阳市6个县（市、区）在水生态保护与经济可持续发展方面的互动关系，为制定区域发展战略和水资源管理政策提供了科学依据；强调了在大型水利工程项目带动下，区域发展要综合考虑生态保护与经济发展的协调，以实现真正的可持续发展。
以南水北调中线水源地南阳市6个县（市、区）为研究对象，探讨水生态与经济发展之间的适配性。从经济规模、经济结构、经济活力、经济潜力、经济响应、水生态状况、水生态压力及水生态响应8个维度出发，构建基于压力-状态-响应（pressure-state-response，PSR）模型的系统适配性评估指标体系。采用坎雷赋权法分配指标权重，测算2012—2022年南阳市6个县（市、区）的系统适配度，并深入分析其时空差异及变化趋势。发现南阳市6个县（市、区）在研究期间内系统适配度整体上升，表明该区域在水生态保护和经济发展方面取得了积极进展；6个县（市、区）间系统适配性的变化表现出较强的趋同性，这一现象与6个县（市、区）以农业为主要支柱产业的实际密切相关；随着南水北调中线一期工程通水，南阳市6个县（市、区）的系统适配度显著提高，工程通水不仅明显改善了该区域的水资源状况，还对当地的生态环境保护、农工业发展及经济结构优化产生了积极影响。揭示了南阳市6个县（市、区）在水生态保护与经济可持续发展方面的互动关系，为制定区域发展战略和水资源管理政策提供了科学依据；强调了在大型水利工程项目带动下，区域发展要综合考虑生态保护与经济发展的协调，以实现真正的可持续发展。
2024, 22(6):1071-1079.
摘要:
为解决黄河流域下游城市水资源供需矛盾，实现水资源空间均衡利用，以聊城市为研究对象，引入外调水指标构建水资源承载力评价体系进行现状评价，通过障碍度模型分析区域空间差异形成原因，提出基于外调水调控的水资源承载力空间均衡策略，评估2035年不同来水频率下的水资源承载力。结果表明：聊城市水资源承载力空间差异明显，呈现东高西低的分布态势。水资源子系统是空间差异形成的主要原因；经济子系统中的人均GDP、社会子系统中的城镇化率、生态子系统中的生态环境用水率和地下水开采系数也是重要影响因素。从供需两端进行调控，加强节水并高效利用外调水，对2035年水资源承载力的空间差异有明显均衡优化效果。研究成果可为区域水资源优化配置提供参考。
为解决黄河流域下游城市水资源供需矛盾，实现水资源空间均衡利用，以聊城市为研究对象，引入外调水指标构建水资源承载力评价体系进行现状评价，通过障碍度模型分析区域空间差异形成原因，提出基于外调水调控的水资源承载力空间均衡策略，评估2035年不同来水频率下的水资源承载力。结果表明：聊城市水资源承载力空间差异明显，呈现东高西低的分布态势。水资源子系统是空间差异形成的主要原因；经济子系统中的人均GDP、社会子系统中的城镇化率、生态子系统中的生态环境用水率和地下水开采系数也是重要影响因素。从供需两端进行调控，加强节水并高效利用外调水，对2035年水资源承载力的空间差异有明显均衡优化效果。研究成果可为区域水资源优化配置提供参考。
2024, 22(6):1091-1099.
摘要:
为分析南水北调西线工程上下线组合调水方案和下线调水方案对洮河梯级水电站发电影响，分别针对南水北调西线工程不同调水方案、不同调水模式，研究对洮河干流梯级水电站扩机、发电等的影响。结果表明：南水北调西线工程调水可大幅增加洮河梯级水电发电效益，其中,基于下线调水方案的增加值约为上下线组合调水方案的2倍，而丰多枯少调水模式对洮河梯级水电增加效益小于均匀调水模式。
为分析南水北调西线工程上下线组合调水方案和下线调水方案对洮河梯级水电站发电影响，分别针对南水北调西线工程不同调水方案、不同调水模式，研究对洮河干流梯级水电站扩机、发电等的影响。结果表明：南水北调西线工程调水可大幅增加洮河梯级水电发电效益，其中,基于下线调水方案的增加值约为上下线组合调水方案的2倍，而丰多枯少调水模式对洮河梯级水电增加效益小于均匀调水模式。
2024, 22(6):1100-1109.
摘要:
秦岭-淮河地区受复杂地形与多变季风气候影响，降水在年际和年内波动较大，空间分布呈明显区域性。通过分析不同时间尺度降水量，年降水量丰平枯状态和相邻年份年降水量变化的增平减趋势，对秦岭-淮河地区进行降水空间聚类。结果表明：根据候降水量指标可将秦岭-淮河地区分为江淮、黄淮、秦岭以南、秦岭以北4个区，据年降水量丰平枯状态联系数指标可将该地区分为江淮、黄淮、秦岭-淮河交界附近、秦岭以北高原和秦岭以南西段4个区，据相邻年份年降水量变化增平减趋势联系数指标可将该地区分为江淮、黄淮、秦岭3个区；融合3个降水指标的区域划分结果，可将秦岭-淮河地区划分为6个区：江淮、黄淮、秦岭以南、秦岭以北西段和高原区、关中区、秦岭-淮河交界过渡区。基于线性矩法的分区一致性检验表明分区内无奇异站点。
秦岭-淮河地区受复杂地形与多变季风气候影响，降水在年际和年内波动较大，空间分布呈明显区域性。通过分析不同时间尺度降水量，年降水量丰平枯状态和相邻年份年降水量变化的增平减趋势，对秦岭-淮河地区进行降水空间聚类。结果表明：根据候降水量指标可将秦岭-淮河地区分为江淮、黄淮、秦岭以南、秦岭以北4个区，据年降水量丰平枯状态联系数指标可将该地区分为江淮、黄淮、秦岭-淮河交界附近、秦岭以北高原和秦岭以南西段4个区，据相邻年份年降水量变化增平减趋势联系数指标可将该地区分为江淮、黄淮、秦岭3个区；融合3个降水指标的区域划分结果，可将秦岭-淮河地区划分为6个区：江淮、黄淮、秦岭以南、秦岭以北西段和高原区、关中区、秦岭-淮河交界过渡区。基于线性矩法的分区一致性检验表明分区内无奇异站点。
2024, 22(6):1110-1118.
摘要:
汉江流域上游已建成投运诸多水库及引调水工程，显著改变了汉江流域径流的时空分布，导致洪水资料序列的非一致性。现将洪水系列资料延长至2023年，开展非一致性洪水频率分析，以水库系数和调水工程系数作为协变量，建立时变P-Ⅲ分布模型，定量估算丹江口水库运行期的设计洪水，并与原设计成果对比。结果表明：所选协变量符合水文客观规律，均可反映上游水利工程调蓄对丹江口坝址设计洪水的影响；丹江口水库运行期1 000 a一遇设计洪峰流量和7 d洪量较原设计成果均削减31%左右；汉江上游水库调蓄对设计洪水的影响比调水工程更加显著。由于丹江口水库运行期设计洪量显著减少，在防洪标准不变的前提下可酌情提高水库的运行水位，这不仅有利于增加发电量，还可提高水资源利用效率和水库蓄满率。
汉江流域上游已建成投运诸多水库及引调水工程，显著改变了汉江流域径流的时空分布，导致洪水资料序列的非一致性。现将洪水系列资料延长至2023年，开展非一致性洪水频率分析，以水库系数和调水工程系数作为协变量，建立时变P-Ⅲ分布模型，定量估算丹江口水库运行期的设计洪水，并与原设计成果对比。结果表明：所选协变量符合水文客观规律，均可反映上游水利工程调蓄对丹江口坝址设计洪水的影响；丹江口水库运行期1 000 a一遇设计洪峰流量和7 d洪量较原设计成果均削减31%左右；汉江上游水库调蓄对设计洪水的影响比调水工程更加显著。由于丹江口水库运行期设计洪量显著减少，在防洪标准不变的前提下可酌情提高水库的运行水位，这不仅有利于增加发电量，还可提高水资源利用效率和水库蓄满率。
2024, 22(6):1119-1128.
摘要:
在新型人水关系下，人为因素对生态基流的影响逐步加大，正确分析人为影响因素对流域生态基流保障的影响，并尽快制定流域生态基流保障程度的量化方法对流域生态保护具有重要意义。利用土壤和水评估工具（soil and water assessment tool，SWAT）模拟河流径流量，进一步计算生态基流保障指数（ecological base flow guarantee index，IEBFG），以反映生态基流保障程度，在此基础上采用随机回归影响模型（stochastic impacts by regression on population affluence and technology，STIRPAT）从人口规模、经济发展水平、技术发展水平、城镇化水平以及各行业用水水平等方面分析2008—2016年沁河流域生态基流保障指数影响因素。结果表明：沁河流域生态基流保障程度在年尺度上呈现“N”型增加趋势，2015年因干旱导致大幅下跌，在月尺度上与沁河汛期、旱期同步变化；从上游至下游，流域生态基流保障程度逐渐变好，干流流经的子流域生态基流保障程度比支流好；全流域范围内生态基流保障程度“差”与“较差”区域占比高于50%，仅2014年出现“一般”，流域生态基流保障程度亟待提升；城镇化水平对沁河流域生态基流保障程度影响最大，农业、工业、生活用水量影响程度较大且贡献率相似，技术发展水平次之，人口规模与经济发展水平对沁河流域生态基流保障程度的影响相对较小。研究结果可为沁河流域生态基流保护、流域协调发展提供基础支持，并可为其他流域的生态基流保障程度计算以及评价提供思路。
在新型人水关系下，人为因素对生态基流的影响逐步加大，正确分析人为影响因素对流域生态基流保障的影响，并尽快制定流域生态基流保障程度的量化方法对流域生态保护具有重要意义。利用土壤和水评估工具（soil and water assessment tool，SWAT）模拟河流径流量，进一步计算生态基流保障指数（ecological base flow guarantee index，IEBFG），以反映生态基流保障程度，在此基础上采用随机回归影响模型（stochastic impacts by regression on population affluence and technology，STIRPAT）从人口规模、经济发展水平、技术发展水平、城镇化水平以及各行业用水水平等方面分析2008—2016年沁河流域生态基流保障指数影响因素。结果表明：沁河流域生态基流保障程度在年尺度上呈现“N”型增加趋势，2015年因干旱导致大幅下跌，在月尺度上与沁河汛期、旱期同步变化；从上游至下游，流域生态基流保障程度逐渐变好，干流流经的子流域生态基流保障程度比支流好；全流域范围内生态基流保障程度“差”与“较差”区域占比高于50%，仅2014年出现“一般”，流域生态基流保障程度亟待提升；城镇化水平对沁河流域生态基流保障程度影响最大，农业、工业、生活用水量影响程度较大且贡献率相似，技术发展水平次之，人口规模与经济发展水平对沁河流域生态基流保障程度的影响相对较小。研究结果可为沁河流域生态基流保护、流域协调发展提供基础支持，并可为其他流域的生态基流保障程度计算以及评价提供思路。
2024, 22(6):1129-1136.
摘要:
小浪底水库运行后黄河下游水沙过程发生明显变化，为量化小浪底水库在其中发挥的作用，将研究时段划分为三门峡水库单独运行时段（简称“单库时段”）和三门峡水库、小浪底水库联合调度时段（简称“双库时段”），对比2个时段黄河下游水沙过程变化，采用趋势检验、突变点分析、数值模拟等方法，定量评估小浪底水库在水沙过程变化中发挥的作用。结果显示：与单库时段相比，双库时段黄河下游花园口、高村和利津3个断面小于预警流量的天数减少90%以上，超过2 000 m3/s的大流量及关键期高流量脉冲持续时间延长；含沙量降幅超过72%，河道被持续冲刷。其中，小浪底水库通过泄放生态流量、调水调沙等措施，发挥了减少预警天数、增加大流量及高流量脉冲持续时间、年均减少黄河下游河道泥沙淤积量1.58亿t的作用。水沙过程变化提高了生态基流保证率与栖息地稳定性，有利于淡水鱼类多样性恢复。
小浪底水库运行后黄河下游水沙过程发生明显变化，为量化小浪底水库在其中发挥的作用，将研究时段划分为三门峡水库单独运行时段（简称“单库时段”）和三门峡水库、小浪底水库联合调度时段（简称“双库时段”），对比2个时段黄河下游水沙过程变化，采用趋势检验、突变点分析、数值模拟等方法，定量评估小浪底水库在水沙过程变化中发挥的作用。结果显示：与单库时段相比，双库时段黄河下游花园口、高村和利津3个断面小于预警流量的天数减少90%以上，超过2 000 m3/s的大流量及关键期高流量脉冲持续时间延长；含沙量降幅超过72%，河道被持续冲刷。其中，小浪底水库通过泄放生态流量、调水调沙等措施，发挥了减少预警天数、增加大流量及高流量脉冲持续时间、年均减少黄河下游河道泥沙淤积量1.58亿t的作用。水沙过程变化提高了生态基流保证率与栖息地稳定性，有利于淡水鱼类多样性恢复。
2024, 22(6):1137-1147.
摘要:
基于数据驱动的机器学习方法是预测叶绿素a的一种重要的非机理方法，但是现有以神经网络模型为代表的叶绿素a预测方法较少考虑藻类生消对环境因子的时滞效应。以三峡库区叶绿素a质量浓度较高的典型支流香溪河为研究区域，采用相关性分析、主成分分析和灰色关联分析3种方法综合确定叶绿素a的主要贡献因子，利用交叉相关分析及Almon分布时滞模型筛选主要贡献因子中的时滞因子，并确定其最优滞后时间，在此基础上构建Almon-BP时滞神经网络模型进行叶绿素a趋势预测。结果表明：香溪河峡口主要时滞因子为气温、风速、太阳辐照、pH、溶解氧，最优滞后时间分别为4、2、3、7、3 d；香溪河平邑口主要时滞因子为水温、气温、风速、降雨量、太阳辐照、浊度、pH、溶解氧、三峡水位差、氧化还原电位、三峡水位，最优滞后时间分别为2、2、2、4、2、10、3、2、6、10、6 d；相比于只考虑叶绿素a主要贡献因子的BP神经网络模型（贡献因子-BP），Almon-BP时滞神经网络模型对香溪河峡口预测结果的均方误差（EMS）、均方根误差（ERMS）、平均绝对误差（EMA）、平均偏差（EMB）等误差指标分别降低44.4%、25.6%、31.3%、53.9%，对香溪河平邑口预测结果的EMS、ERMS、EMA、EMB等误差指标分别降低66.7%、42.1%、37.5%、45.8%。研究模型对叶绿素a预测具有较高的准确度，对叶绿素a早期预警具有重要意义。
基于数据驱动的机器学习方法是预测叶绿素a的一种重要的非机理方法，但是现有以神经网络模型为代表的叶绿素a预测方法较少考虑藻类生消对环境因子的时滞效应。以三峡库区叶绿素a质量浓度较高的典型支流香溪河为研究区域，采用相关性分析、主成分分析和灰色关联分析3种方法综合确定叶绿素a的主要贡献因子，利用交叉相关分析及Almon分布时滞模型筛选主要贡献因子中的时滞因子，并确定其最优滞后时间，在此基础上构建Almon-BP时滞神经网络模型进行叶绿素a趋势预测。结果表明：香溪河峡口主要时滞因子为气温、风速、太阳辐照、pH、溶解氧，最优滞后时间分别为4、2、3、7、3 d；香溪河平邑口主要时滞因子为水温、气温、风速、降雨量、太阳辐照、浊度、pH、溶解氧、三峡水位差、氧化还原电位、三峡水位，最优滞后时间分别为2、2、2、4、2、10、3、2、6、10、6 d；相比于只考虑叶绿素a主要贡献因子的BP神经网络模型（贡献因子-BP），Almon-BP时滞神经网络模型对香溪河峡口预测结果的均方误差（EMS）、均方根误差（ERMS）、平均绝对误差（EMA）、平均偏差（EMB）等误差指标分别降低44.4%、25.6%、31.3%、53.9%，对香溪河平邑口预测结果的EMS、ERMS、EMA、EMB等误差指标分别降低66.7%、42.1%、37.5%、45.8%。研究模型对叶绿素a预测具有较高的准确度，对叶绿素a早期预警具有重要意义。
2024, 22(6):1148-1159.
摘要:
为探明山地河流污染物降解系数的变化规律，采用现场水团追踪法对丹河流域NH+4-N、TN、NO-3-N、NO-2-N、COD、BOD5、TP和PO3-4-P的降解系数进行了测算，其结果分别为（0.684±0.486）、（0.518±0.411）、（0.444±0.280）、（0.628±0.350）、（0.482±0.343）、（0.491±0.430）、（0.905±0.461）、（1.226±0.612） d?1；通过阈值分析得出，当NH+4-N实测质量浓度≥0.6 mg/L，TP和PO3-4-P实测质量浓度≥0.04 mg/L时，降解系数计算误差处于合理范围；通过相关性分析得出丹河降解系数的主要影响因素为pH、ORP和DO；通过回归分析得出流速和流量与TP降解系数均呈抛物线趋势，当流速和流量分别达到0.459 m/s和2.726 m3/s时TP降解系数达到最大值。相较于平原地区，山地河流的水质降解系数偏高，降解系数对水文条件和温度变化的响应更为强烈。研究结果对丹河的水质管理具有重要意义，为理解山地河流污染物降解过程以及闸坝生态调度提供参考。
为探明山地河流污染物降解系数的变化规律，采用现场水团追踪法对丹河流域NH+4-N、TN、NO-3-N、NO-2-N、COD、BOD5、TP和PO3-4-P的降解系数进行了测算，其结果分别为（0.684±0.486）、（0.518±0.411）、（0.444±0.280）、（0.628±0.350）、（0.482±0.343）、（0.491±0.430）、（0.905±0.461）、（1.226±0.612） d?1；通过阈值分析得出，当NH+4-N实测质量浓度≥0.6 mg/L，TP和PO3-4-P实测质量浓度≥0.04 mg/L时，降解系数计算误差处于合理范围；通过相关性分析得出丹河降解系数的主要影响因素为pH、ORP和DO；通过回归分析得出流速和流量与TP降解系数均呈抛物线趋势，当流速和流量分别达到0.459 m/s和2.726 m3/s时TP降解系数达到最大值。相较于平原地区，山地河流的水质降解系数偏高，降解系数对水文条件和温度变化的响应更为强烈。研究结果对丹河的水质管理具有重要意义，为理解山地河流污染物降解过程以及闸坝生态调度提供参考。
2024, 22(6):1160-1172.
摘要:
为解决滨海水库在建成并投入使用后的水质咸化问题，选取天津市北大港水库为研究区域，采用实地取样与室内模拟试验相结合的方式，探究滨海咸化水体扩散边界层位置的水化学演变规律及成因机制。结果表明：水体蓄存过程中总溶解性固体（TDS）与溶解氧（DO）在水体中均存在扩散边界层，扩散边界层内是TDS高含量区与DO低含量区，试验初期扩散边界层内的耗氧反应与盐分释放现象最明显；扩散边界层上边界(diffusion boundary layer，DBL)与下边界（sediment water interface，SWI）的水化学成分占比呈现明显的集群性，且分层现象明显的Na+、Mg2+、SO2-4、HCO2-3的相对含量随时间的变化表现出一致性；岩盐、碳酸盐与硫酸盐类矿物的溶解作用是决定扩散边界层内水化学成分变化的主要因素，水体扩散边界层下边界处水文地球化学作用更复杂，受硫酸盐、硅酸盐溶解作用更加显著。
为解决滨海水库在建成并投入使用后的水质咸化问题，选取天津市北大港水库为研究区域，采用实地取样与室内模拟试验相结合的方式，探究滨海咸化水体扩散边界层位置的水化学演变规律及成因机制。结果表明：水体蓄存过程中总溶解性固体（TDS）与溶解氧（DO）在水体中均存在扩散边界层，扩散边界层内是TDS高含量区与DO低含量区，试验初期扩散边界层内的耗氧反应与盐分释放现象最明显；扩散边界层上边界(diffusion boundary layer，DBL)与下边界（sediment water interface，SWI）的水化学成分占比呈现明显的集群性，且分层现象明显的Na+、Mg2+、SO2-4、HCO2-3的相对含量随时间的变化表现出一致性；岩盐、碳酸盐与硫酸盐类矿物的溶解作用是决定扩散边界层内水化学成分变化的主要因素，水体扩散边界层下边界处水文地球化学作用更复杂，受硫酸盐、硅酸盐溶解作用更加显著。
2024, 22(6):1173-1180.
摘要:
压力脉动特性是影响立轴双向泵装置运行稳定性的主要因素之一，因此针对该泵装置开展原型和模型压力脉动特性相似性研究非常必要。以某立轴双向泵站为例，采用非定常三维模拟方法对模型泵装置和原型泵装置关键位置的压力脉动特性进行预测，并在模型试验装置和原型泵装置中测量相应测点和工况下的压力脉动幅值，分析原型和模型泵装置压力脉动之间的相似关系。结果表明：泵装置压力脉动幅值与外特性之间存在一定的关联性；模型泵装置试验测试脉动信号的频谱比原型泵装置丰富得多，但两者在3、6、9倍转频处均存在压力脉动峰值，在这些频率处的压力脉动表现出很好的相似性；原型和模型压力脉动数值模拟结果完全相似，主频下原型实测幅值与模型实测幅值误差在3%左右，与模拟预测值幅值的误差约为16%，均为偏安全，能够满足工程设计要求。
压力脉动特性是影响立轴双向泵装置运行稳定性的主要因素之一，因此针对该泵装置开展原型和模型压力脉动特性相似性研究非常必要。以某立轴双向泵站为例，采用非定常三维模拟方法对模型泵装置和原型泵装置关键位置的压力脉动特性进行预测，并在模型试验装置和原型泵装置中测量相应测点和工况下的压力脉动幅值，分析原型和模型泵装置压力脉动之间的相似关系。结果表明：泵装置压力脉动幅值与外特性之间存在一定的关联性；模型泵装置试验测试脉动信号的频谱比原型泵装置丰富得多，但两者在3、6、9倍转频处均存在压力脉动峰值，在这些频率处的压力脉动表现出很好的相似性；原型和模型压力脉动数值模拟结果完全相似，主频下原型实测幅值与模型实测幅值误差在3%左右，与模拟预测值幅值的误差约为16%，均为偏安全，能够满足工程设计要求。
2024, 22(6):1180-1190.
摘要:
以南水北调东线江苏-山东段受水区为例，分析碳中和背景下研究区碳储量的时空演变和影响因素。结果表明：2005—2015年研究区建设用地持续增加、林地与草地面积减少，2015—2020年水域面积呈增长趋势。与自然增长情景相比，在有南水北调水情景下2025年林地和草地的缩减得到缓解，水域面积有更大程度的增加；2015—2025年在自然增长情景下碳储量减少1 228.35万t，在有南水北调水情景下碳储量增加262.84万t。调水工程也影响了碳储量的空间分配，滨州和东营在2020年调水量较大，其碳储量增加幅度也较大；土地利用因子是影响碳储量的主导因素。根据交互因子结果分析，2005年后，解释力最强的交互因子变为“土地利用∩夜间灯光”，土地利用因子与经济社会因子的交互作用越来越明显。研究结果为土地利用规划和水碳资源联合优化配置提供科学依据，为水资源应对气候变化和实现碳中和目标提供前瞻性参考。
以南水北调东线江苏-山东段受水区为例，分析碳中和背景下研究区碳储量的时空演变和影响因素。结果表明：2005—2015年研究区建设用地持续增加、林地与草地面积减少，2015—2020年水域面积呈增长趋势。与自然增长情景相比，在有南水北调水情景下2025年林地和草地的缩减得到缓解，水域面积有更大程度的增加；2015—2025年在自然增长情景下碳储量减少1 228.35万t，在有南水北调水情景下碳储量增加262.84万t。调水工程也影响了碳储量的空间分配，滨州和东营在2020年调水量较大，其碳储量增加幅度也较大；土地利用因子是影响碳储量的主导因素。根据交互因子结果分析，2005年后，解释力最强的交互因子变为“土地利用∩夜间灯光”，土地利用因子与经济社会因子的交互作用越来越明显。研究结果为土地利用规划和水碳资源联合优化配置提供科学依据，为水资源应对气候变化和实现碳中和目标提供前瞻性参考。
2024, 22(6):1181-1188.
摘要:
采用灌浆材料对引水隧洞施工中不良地质体进行超前预处理，是突涌水等地质灾害预防和治理的有效手段，然而在高压大流量动水条件下，超前预处理灌浆材料无法满足现场需求，迫切需要提高其动水工作性能。作为常用的超前预处理灌浆材料，水泥基多从抗分散能力、力学性能和可灌性等方面进行改进，如在水泥中添加抗分散剂和矿物掺和料，研发新型水泥等；聚氨酯材料多从提高其动水留存率和材料力学性能与微观结构演变关系等方面改进；环氧灌浆材料的研究着重于提高其对低渗性岩体的浸润渗透性，近年来超吸水聚合物也引起研究者的兴趣。本文综述近年来引水隧洞施工中针对突涌水处理常用的超前灌浆材料最新研究成果，从特种水泥灌浆材料的开发、遇水发泡聚氨酯力学强度的提升、在动水条件下环氧浆液的固化等方面展望引水隧洞超前预处理灌浆材料未来的发展方向。
采用灌浆材料对引水隧洞施工中不良地质体进行超前预处理，是突涌水等地质灾害预防和治理的有效手段，然而在高压大流量动水条件下，超前预处理灌浆材料无法满足现场需求，迫切需要提高其动水工作性能。作为常用的超前预处理灌浆材料，水泥基多从抗分散能力、力学性能和可灌性等方面进行改进，如在水泥中添加抗分散剂和矿物掺和料，研发新型水泥等；聚氨酯材料多从提高其动水留存率和材料力学性能与微观结构演变关系等方面改进；环氧灌浆材料的研究着重于提高其对低渗性岩体的浸润渗透性，近年来超吸水聚合物也引起研究者的兴趣。本文综述近年来引水隧洞施工中针对突涌水处理常用的超前灌浆材料最新研究成果，从特种水泥灌浆材料的开发、遇水发泡聚氨酯力学强度的提升、在动水条件下环氧浆液的固化等方面展望引水隧洞超前预处理灌浆材料未来的发展方向。
2024, 22(6):1189-1195.
摘要:
滨海枢纽北船闸为淮河入海水道与通榆河间通航永久性建筑物，通过物理模型试验，分析在不同阀门开启时间船闸输水系统的物理指标，重点探究输水过程的水力特性、闸室内流态和输水廊道顶部的压力变化特性以及闸室的船舶停泊条件。结果表明：该船闸在运行水头不大于5.99 m 时，充水阀门双边匀速连续开启的时间为7 min，而当运行水头大于5.99 m 时，充水阀门双边匀速连续开启的时间为9 min；在各运行水位组合时，泄水阀门双边匀速连续开启的时间均为7 min。在推荐的阀门运行方式下，船闸输水水力特性、输水廊道压力特性和闸室船舶停泊条件等均满足规范和设计要求。
滨海枢纽北船闸为淮河入海水道与通榆河间通航永久性建筑物，通过物理模型试验，分析在不同阀门开启时间船闸输水系统的物理指标，重点探究输水过程的水力特性、闸室内流态和输水廊道顶部的压力变化特性以及闸室的船舶停泊条件。结果表明：该船闸在运行水头不大于5.99 m 时，充水阀门双边匀速连续开启的时间为7 min，而当运行水头大于5.99 m 时，充水阀门双边匀速连续开启的时间为9 min；在各运行水位组合时，泄水阀门双边匀速连续开启的时间均为7 min。在推荐的阀门运行方式下，船闸输水水力特性、输水廊道压力特性和闸室船舶停泊条件等均满足规范和设计要求。
2024, 22(6):1196-1204.
摘要:
移动式曝气装置通过推流螺旋和曝气扰动水体掺混，提升水面温度，阻碍渠道水流结冰，可延长寒区渠道冬季输水时间。为对移动式曝气装置在明渠水环境中的运行进行计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）模拟，基于固-流-热耦合模拟技术，对不同装置曝气参数和运行条件下的明渠水流物理场进行仿真分析，并对装置运行效果进行评价。结果表明：移动式曝气装置对渠道水流表层温度有一定提升作用，增加曝气速度，可以增强水体的温度掺混效果；曝气深度的增加能够扰动更深层的较高温水体，但考虑岸坡影响，推荐1.5 m深度的曝气参数；增大行走纵距可以提高影响水体范围，但会产生“低温断层区”，最优行走纵距为2 m；行进速度对温度提升影响趋势先减弱后增强，行进速度大于2 m/s时，速度越大，装置对渠道水流的扰流增温效果越好。
移动式曝气装置通过推流螺旋和曝气扰动水体掺混，提升水面温度，阻碍渠道水流结冰，可延长寒区渠道冬季输水时间。为对移动式曝气装置在明渠水环境中的运行进行计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）模拟，基于固-流-热耦合模拟技术，对不同装置曝气参数和运行条件下的明渠水流物理场进行仿真分析，并对装置运行效果进行评价。结果表明：移动式曝气装置对渠道水流表层温度有一定提升作用，增加曝气速度，可以增强水体的温度掺混效果；曝气深度的增加能够扰动更深层的较高温水体，但考虑岸坡影响，推荐1.5 m深度的曝气参数；增大行走纵距可以提高影响水体范围，但会产生“低温断层区”，最优行走纵距为2 m；行进速度对温度提升影响趋势先减弱后增强，行进速度大于2 m/s时，速度越大，装置对渠道水流的扰流增温效果越好。
2024, 22(6):1205-1213.
摘要:
在实际工程中，经常将桥墩设置于弯道水流影响范围之内。当桥墩上游存在偏流现象时，桥墩下游漩涡脱落产生的低流速区与偏流相互影响，导致下游流速分布呈现极不均匀状态，从而对下游边坡与相关建筑物构成危害。为改善弯道水流引起的桥墩下游水流流态紊乱，基于ANSYS Fluent 建立k-ωSST三维数值模拟与物理模型试验相结合的方法，研究不同桥墩尾部形态对下游流速分布的影响，并对下游偏流加剧的原因进行分析。结果表明：当上游来流发生偏移，偏流与桥墩尾部的低流速区之间相对流速差增大时，将导致下游水流紊乱增强；改进桥墩尾端形态可以改善下游流速分布状况，桥墩尾端长度与稳流效果在本研究范围内呈正相关关系，桥墩前端圆弧半径与稳流效果呈负相关关系。本研究成果可为弯道水流中桥墩修建等提供参考。
在实际工程中，经常将桥墩设置于弯道水流影响范围之内。当桥墩上游存在偏流现象时，桥墩下游漩涡脱落产生的低流速区与偏流相互影响，导致下游流速分布呈现极不均匀状态，从而对下游边坡与相关建筑物构成危害。为改善弯道水流引起的桥墩下游水流流态紊乱，基于ANSYS Fluent 建立k-ωSST三维数值模拟与物理模型试验相结合的方法，研究不同桥墩尾部形态对下游流速分布的影响，并对下游偏流加剧的原因进行分析。结果表明：当上游来流发生偏移，偏流与桥墩尾部的低流速区之间相对流速差增大时，将导致下游水流紊乱增强；改进桥墩尾端形态可以改善下游流速分布状况，桥墩尾端长度与稳流效果在本研究范围内呈正相关关系，桥墩前端圆弧半径与稳流效果呈负相关关系。本研究成果可为弯道水流中桥墩修建等提供参考。
2024, 22(6):1214-1223,1238.
摘要:
环北部湾广东水资源配置工程地心泵站泵组属于超大流量大功率离心泵组，泵体长期在含沙工况下运行引起的磨损危害需要分析。以该工程离心泵为研究对象，基于欧拉-拉格朗日方法对离心泵内固液两相流动进行数值模拟，采用Oka磨损模型对离心泵过流部件磨损特性进行预测。根据西江实测数据选取泥沙参数（质量浓度及粒径），开展超大流量大功率离心泵泥沙磨损特性数值模拟，研究不同扬程工况、不同泥沙参数组合对离心泵磨损特性的影响规律。结果表明：典型泥沙参数条件下，离心泵内压强分布在含沙工况与清水工况下无明显差异，低质量浓度泥沙对泵内流场无明显影响。离心泵偏离设计扬程工况运行会导致磨损面积及磨损强度增大，最低扬程工况下泵体磨损强度约是设计扬程工况的3倍。泥沙质量浓度主要影响磨损强度大小，而泥沙粒径主要影响强磨损区域分布位置，二者均是影响离心泵磨损特性的主要因素。随泥沙质量浓度增大，叶轮前盖板磨损面积增大强度增强，但强磨损区域位置无明显变化；随泥沙粒径增大，叶轮前盖板的磨损面积减小，强磨损区域位置变化显著。
环北部湾广东水资源配置工程地心泵站泵组属于超大流量大功率离心泵组，泵体长期在含沙工况下运行引起的磨损危害需要分析。以该工程离心泵为研究对象，基于欧拉-拉格朗日方法对离心泵内固液两相流动进行数值模拟，采用Oka磨损模型对离心泵过流部件磨损特性进行预测。根据西江实测数据选取泥沙参数（质量浓度及粒径），开展超大流量大功率离心泵泥沙磨损特性数值模拟，研究不同扬程工况、不同泥沙参数组合对离心泵磨损特性的影响规律。结果表明：典型泥沙参数条件下，离心泵内压强分布在含沙工况与清水工况下无明显差异，低质量浓度泥沙对泵内流场无明显影响。离心泵偏离设计扬程工况运行会导致磨损面积及磨损强度增大，最低扬程工况下泵体磨损强度约是设计扬程工况的3倍。泥沙质量浓度主要影响磨损强度大小，而泥沙粒径主要影响强磨损区域分布位置，二者均是影响离心泵磨损特性的主要因素。随泥沙质量浓度增大，叶轮前盖板磨损面积增大强度增强，但强磨损区域位置无明显变化；随泥沙粒径增大，叶轮前盖板的磨损面积减小，强磨损区域位置变化显著。
2024, 22(6):1224-1238.
摘要:
以黑龙江省松嫩平原为研究区，探究不同降水年类型下灌溉对玉米产量和水分利用效率（water use efficiency，EWU）的影响，并制定科学合理的玉米灌溉方案，以提高农业水资源的利用效率。考虑玉米不同生育期和灌水定额的影响，共拟定37种灌溉方案，并将其输入本地化的水作物模型（AquaCrop）中进行模拟分析。探究不同降水年类型下雨养和灌溉对玉米产量、水分利用效率和灌溉水利用效率（irrigation water use efficiency，EIWU）的影响，确定关键灌溉期。通过对不同降水年类型下玉米产量和EWU的对比关系进行分析，确定最优的灌溉制度。结果表明：AquaCrop模型能较好地模拟松嫩平原玉米的生长过程；在玉米关键生育期，适时适量的灌溉能确保作物获得足够的水分，减少产量损失，提高EIWU，但过度灌溉会导致两者降低；综合考虑玉米产量和EWU，在特枯水年，苗期-拔节期（20 mm）、拔节-抽雄期（60 mm）和抽雄-灌浆期（60 mm）为最优灌溉方案；在枯水年，拔节-抽雄期（60 mm）和抽雄-灌浆期（60 mm）为最优灌溉方案，平水年和丰水年降水可以满足玉米水分需求，不需要灌溉。研究可为黑龙江省松嫩平原地区制定更加合理有效的玉米灌溉制度提供相应的理论依据，从而更好地应对气候变化和水资源短缺带来的挑战，保障粮食安全。
以黑龙江省松嫩平原为研究区，探究不同降水年类型下灌溉对玉米产量和水分利用效率（water use efficiency，EWU）的影响，并制定科学合理的玉米灌溉方案，以提高农业水资源的利用效率。考虑玉米不同生育期和灌水定额的影响，共拟定37种灌溉方案，并将其输入本地化的水作物模型（AquaCrop）中进行模拟分析。探究不同降水年类型下雨养和灌溉对玉米产量、水分利用效率和灌溉水利用效率（irrigation water use efficiency，EIWU）的影响，确定关键灌溉期。通过对不同降水年类型下玉米产量和EWU的对比关系进行分析，确定最优的灌溉制度。结果表明：AquaCrop模型能较好地模拟松嫩平原玉米的生长过程；在玉米关键生育期，适时适量的灌溉能确保作物获得足够的水分，减少产量损失，提高EIWU，但过度灌溉会导致两者降低；综合考虑玉米产量和EWU，在特枯水年，苗期-拔节期（20 mm）、拔节-抽雄期（60 mm）和抽雄-灌浆期（60 mm）为最优灌溉方案；在枯水年，拔节-抽雄期（60 mm）和抽雄-灌浆期（60 mm）为最优灌溉方案，平水年和丰水年降水可以满足玉米水分需求，不需要灌溉。研究可为黑龙江省松嫩平原地区制定更加合理有效的玉米灌溉制度提供相应的理论依据，从而更好地应对气候变化和水资源短缺带来的挑战，保障粮食安全。
2024, 22(6):1239-1248.
摘要:
为探究各生育期不同水分下限条件下设施番茄生长、生物量、产量和品质变化，在宁夏贺兰县开展田间试验，设置3个关键控水期[各生育期灌水下限分别为田间持水率（θf）的60%、65%、70%，苗期统一为55%]，共7个水分处理，并利用熵权TOPSIS综合评价法优选提出设施番茄不同生育期适宜的灌溉控制指标。结果表明：T4处理（各生育期控水下限分别为θf的55%、65%、65%、70%和65%）株高日均增长量最大，为2.58 cm/d，11月中旬达到最大值230 cm；T2处理（各生育期控水下限分别为θf的55%、60%、70%、65%和65%）茎粗最大，为13.39 mm，T3处理（各生育期控水下限分别为θf的55%、70%、70%、65%和65%）茎粗日均增长量最大，为0.13 mm/d；叶面积指数在生育期内先增大后减小，其中T3处理最大，为4.43；开花坐果期和结果盛期，整株干重分别在101.74～161.01 g和147.27～203.92 g，干重最大的处理均为对照组CK，分别为161.01 g和203.92 g；从产量排序分析，结果盛期土壤水分下限较高时，产量相对较大，总体来看T1处理（各生育期控水下限分别为θf的55%、65%、60%、70%和65%）产量最高，为35.58 t/ hm2，较对照增产36.7%；结果盛期灌水下限为θf的65%～70%时，设施番茄品质较好，其中T2处理的可溶性糖含量（质量分数）最高为8.61%，T3处理番茄红素含量（质量分数）最高为4.40 mg/（100 g）。秋延迟茬口设施番茄不同生育期适宜的灌水下限为：苗期、开花坐果期、结果初期、结果盛期和结果末期分别为θf的55%、70%、60%、65%、65%，研究结论可为当地设施番茄基于测墒的智能化控制灌溉提供决策依据。
为探究各生育期不同水分下限条件下设施番茄生长、生物量、产量和品质变化，在宁夏贺兰县开展田间试验，设置3个关键控水期[各生育期灌水下限分别为田间持水率（θf）的60%、65%、70%，苗期统一为55%]，共7个水分处理，并利用熵权TOPSIS综合评价法优选提出设施番茄不同生育期适宜的灌溉控制指标。结果表明：T4处理（各生育期控水下限分别为θf的55%、65%、65%、70%和65%）株高日均增长量最大，为2.58 cm/d，11月中旬达到最大值230 cm；T2处理（各生育期控水下限分别为θf的55%、60%、70%、65%和65%）茎粗最大，为13.39 mm，T3处理（各生育期控水下限分别为θf的55%、70%、70%、65%和65%）茎粗日均增长量最大，为0.13 mm/d；叶面积指数在生育期内先增大后减小，其中T3处理最大，为4.43；开花坐果期和结果盛期，整株干重分别在101.74～161.01 g和147.27～203.92 g，干重最大的处理均为对照组CK，分别为161.01 g和203.92 g；从产量排序分析，结果盛期土壤水分下限较高时，产量相对较大，总体来看T1处理（各生育期控水下限分别为θf的55%、65%、60%、70%和65%）产量最高，为35.58 t/ hm2，较对照增产36.7%；结果盛期灌水下限为θf的65%～70%时，设施番茄品质较好，其中T2处理的可溶性糖含量（质量分数）最高为8.61%，T3处理番茄红素含量（质量分数）最高为4.40 mg/（100 g）。秋延迟茬口设施番茄不同生育期适宜的灌水下限为：苗期、开花坐果期、结果初期、结果盛期和结果末期分别为θf的55%、70%、60%、65%、65%，研究结论可为当地设施番茄基于测墒的智能化控制灌溉提供决策依据。
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