南水北调与水利科技（中英文）
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录用日期: 2021-08-04
摘要:
径流变化归因分析对流域水资源管理与可持续利用具有重要参考价值。利用1964-2015年汉江流域气温、降雨和径流等资料，采用线性倾向估计与滑动平均法分析白河和沙洋站水文气象要素的变化趋势，通过Mann-Kendall检验和Pettitt检验确定2个站径流序列的突变年份，基于Budyko水热耦合平衡理论，计算径流量对各影响因子的弹性系数，并采用互补关系法进行归因分析。结果表明：（1）白河与沙洋站年径流量均呈现下降趋势，变化速率分别为-1.653亿m3/a和-2.702亿m3/a，并在1991年发生突变；（2）白河与沙洋站变化期（1992-2015年）降雨、潜在蒸散发和下垫面的弹性系数分别为1.79、-0.79、-0.64和2.07、-1.07、-0.71，表明2个站的径流量均对降雨最为敏感，对下垫面最不敏感；（3）下垫面变化是汉江流域径流量减少的主要因素，其对白河、沙洋站径流量变化的贡献量分别为74.67%、76.37%；（4）变化期的NDVI较基准期整体增加，植被变化是导致汉江流域径流量整体下降的重要原因。
径流变化归因分析对流域水资源管理与可持续利用具有重要参考价值。利用1964-2015年汉江流域气温、降雨和径流等资料，采用线性倾向估计与滑动平均法分析白河和沙洋站水文气象要素的变化趋势，通过Mann-Kendall检验和Pettitt检验确定2个站径流序列的突变年份，基于Budyko水热耦合平衡理论，计算径流量对各影响因子的弹性系数，并采用互补关系法进行归因分析。结果表明：（1）白河与沙洋站年径流量均呈现下降趋势，变化速率分别为-1.653亿m3/a和-2.702亿m3/a，并在1991年发生突变；（2）白河与沙洋站变化期（1992-2015年）降雨、潜在蒸散发和下垫面的弹性系数分别为1.79、-0.79、-0.64和2.07、-1.07、-0.71，表明2个站的径流量均对降雨最为敏感，对下垫面最不敏感；（3）下垫面变化是汉江流域径流量减少的主要因素，其对白河、沙洋站径流量变化的贡献量分别为74.67%、76.37%；（4）变化期的NDVI较基准期整体增加，植被变化是导致汉江流域径流量整体下降的重要原因。
录用日期: 2021-07-02
摘要:
应用统计学和GIS方法对济南市区1997—2016年地下水水位实测数据进行分析,研究济南市区地下水位动态演变特征及其成因。结果表明：近20年(a)来市区地下水位下降趋势得到明显遏制,目前地下水位呈稳健上升趋势,市区平均水位上升2.527 m,多年平均上升速率为0.133 m/a,水位上升速率空间变化特征表现为由东北向西南区域衰减,其中历下区党家庄镇区域水位上升速率最高达到0.667 m/a,长清区张夏镇区域下降速率最低为0.115 m/a。地下水位年内变化呈季节性波动,其中历下区位于地下水补给区对补给或开采的响应程度表现最为敏感,而位于地下水排泄区的天桥区响应程度最为缓慢。在济南市2003年采取大规模节水保泉措施之后,地下水开采量减少约3亿m3/a,市区地下水蓄变量由2003年以前的负均衡(-2.7亿m3/a)转变至2003年以后的正均衡状态(0.8亿m3/a)。研究成果可为制定节水保泉方案措施提供科学依据。
应用统计学和GIS方法对济南市区1997—2016年地下水水位实测数据进行分析,研究济南市区地下水位动态演变特征及其成因。结果表明：近20年(a)来市区地下水位下降趋势得到明显遏制,目前地下水位呈稳健上升趋势,市区平均水位上升2.527 m,多年平均上升速率为0.133 m/a,水位上升速率空间变化特征表现为由东北向西南区域衰减,其中历下区党家庄镇区域水位上升速率最高达到0.667 m/a,长清区张夏镇区域下降速率最低为0.115 m/a。地下水位年内变化呈季节性波动,其中历下区位于地下水补给区对补给或开采的响应程度表现最为敏感,而位于地下水排泄区的天桥区响应程度最为缓慢。在济南市2003年采取大规模节水保泉措施之后,地下水开采量减少约3亿m3/a,市区地下水蓄变量由2003年以前的负均衡(-2.7亿m3/a)转变至2003年以后的正均衡状态(0.8亿m3/a)。研究成果可为制定节水保泉方案措施提供科学依据。
录用日期: 2021-06-15
摘要:
地下水资源对京津冀地区生产发展至关重要，厘清地下水储量变化的时空演变规律对于该区域的水安全保障和可持续发展具有重要意义。本文首先基于2003-2019年GRACE陆地水储量变化数据和全球陆地水文模型（GLDAS）数据反演了京津冀地下水储量变化，进而运用时空分析方法对地下水等效水高变化进行了时空演变特征分析。结果表明：空间变化上，整个京津冀地下水等效水高变化速率约为-51.77mm/a，其中北京变化速率最低，约为-38.15mm/a；天津市变化速率最高，约为-62.85mm/a；河北省变化速率与区域平均变化水平相当，约为-52.42mm/a。基于Sen+M-K法分析得出西部、西南部和中部地区地下水等效水高下降趋势最明显，东北部下降趋势最小。时间变化上，地下水等效水高变化具有一定的季节性规律，夏季变化速率最大，约为-75.99mm/a；冬季变化速率最小，约为-37.24mm/a；春秋两季的变化速率大致相同，分别为-52.34mm/a和-48.21mm/a。影响因素分析中，人类活动是引起京津冀地区地下水等效水高变化的主要因素。本文的研究能为科学掌握京津冀地下水储量时空变化规律提供数据支撑。
地下水资源对京津冀地区生产发展至关重要，厘清地下水储量变化的时空演变规律对于该区域的水安全保障和可持续发展具有重要意义。本文首先基于2003-2019年GRACE陆地水储量变化数据和全球陆地水文模型（GLDAS）数据反演了京津冀地下水储量变化，进而运用时空分析方法对地下水等效水高变化进行了时空演变特征分析。结果表明：空间变化上，整个京津冀地下水等效水高变化速率约为-51.77mm/a，其中北京变化速率最低，约为-38.15mm/a；天津市变化速率最高，约为-62.85mm/a；河北省变化速率与区域平均变化水平相当，约为-52.42mm/a。基于Sen+M-K法分析得出西部、西南部和中部地区地下水等效水高下降趋势最明显，东北部下降趋势最小。时间变化上，地下水等效水高变化具有一定的季节性规律，夏季变化速率最大，约为-75.99mm/a；冬季变化速率最小，约为-37.24mm/a；春秋两季的变化速率大致相同，分别为-52.34mm/a和-48.21mm/a。影响因素分析中，人类活动是引起京津冀地区地下水等效水高变化的主要因素。本文的研究能为科学掌握京津冀地下水储量时空变化规律提供数据支撑。
录用日期: 2021-04-06
摘要:
摘要： 背景：大汶河气候变化和预测，对了解该流域未来水资源的变化、指导水资源的合理利用具有重要的意义。 方法：根据大汶河流域1966-2017年六个气象站点的日气温和降水数据，采用线性趋势、Mann-Kendall检验、小波分析等方法分析了该地区的气温和降水时空变化趋势。此外，基于CanESM2模式下的RCP2.6，RCP4.5和RCP8.5三种排放情景，采用降尺度模型（SDSM）对大汶河流域的未来气候变化进行了比较分析。 结果：（1）在1966-2017年间，大汶河流域气温呈上升趋势，趋势率为0.0323mm/a，且1994年和1996年为气温突变点，主要振荡周期为28年。流域年降水量呈上升趋势，趋势率为0.9541mm/a，分别在1989年、2011年、2015年发生突变，主要振荡周期为22年。（2）气温历史和未来的空间分布皆以中北部为中心向周边上升，而降水的历史和未来的空间分布则恰恰相反。（3）在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三种情景下，月平均最高气温分别上升0.42℃、0.50℃、0.74℃，月平均最低气温分别上升0.47℃、0.58℃、0.94℃，月均降水量分别上升3.63mm、4.39mm和3.91mm。另外，三种情况下的升温趋势均表现为近期＜中期＜远期。月最高气温在6月、10月和11月的升幅最大；月最低气温在6月和11月的升幅最大；降水在7月和8月的升幅最大。（4）在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景中，未来最高气温将分别增加0.01°C/10a、0.06°C/10a和0.15°C/10a；未来最低气温将分别增加0.03°C / 10a、0.06°C/10a和0.17°C/10a。未来降水量将分别增加3.37mm/10a、0.53 mm/10a和-2.07 mm / 10a。未来年最高气温在三种情景下升温表现为近期＜中期＜远期；未来年月最低气温在RCP2.6情景下升温幅度不明显，在RCP4.5和RCP8.5情景下的升温幅度表现为近期＜中期＜远期；未来降水量在三种情景下的三个时期的增长幅度均不明显，波动范围都比较大。 结论：（1）大汶河流域向着暖湿化趋势方向发展，年均气温和年均降水皆有所升高。1966-2017年，大汶河流域气温呈显著上升趋势（p<0.01）。（2）不同情景下的未来最高气温、未来最低气温和未来降雨量的空间分布与历史数据相比无明显差异。（3）未来三种情景下，大汶河流域月最高气温、月最低气温和月降水量总体呈上升趋势。未来月最高气温和月最低气温随着时间尺度的增大而升高。6月和11月为升幅最高的月份；而未来月降水量在7月和8月的升幅最高。（4）大汶河流域未来年最高气温和最低气温随着排放量和时间尺度的增加而升高。未来年均降水量趋势没有明显变化，没有明显的增减趋势。但是，在所有情况下，未来降水的波动范围都比较大，这表现了未来降水量在未来仍有很明显的不确定性。
摘要： 背景：大汶河气候变化和预测，对了解该流域未来水资源的变化、指导水资源的合理利用具有重要的意义。 方法：根据大汶河流域1966-2017年六个气象站点的日气温和降水数据，采用线性趋势、Mann-Kendall检验、小波分析等方法分析了该地区的气温和降水时空变化趋势。此外，基于CanESM2模式下的RCP2.6，RCP4.5和RCP8.5三种排放情景，采用降尺度模型（SDSM）对大汶河流域的未来气候变化进行了比较分析。 结果：（1）在1966-2017年间，大汶河流域气温呈上升趋势，趋势率为0.0323mm/a，且1994年和1996年为气温突变点，主要振荡周期为28年。流域年降水量呈上升趋势，趋势率为0.9541mm/a，分别在1989年、2011年、2015年发生突变，主要振荡周期为22年。（2）气温历史和未来的空间分布皆以中北部为中心向周边上升，而降水的历史和未来的空间分布则恰恰相反。（3）在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三种情景下，月平均最高气温分别上升0.42℃、0.50℃、0.74℃，月平均最低气温分别上升0.47℃、0.58℃、0.94℃，月均降水量分别上升3.63mm、4.39mm和3.91mm。另外，三种情况下的升温趋势均表现为近期＜中期＜远期。月最高气温在6月、10月和11月的升幅最大；月最低气温在6月和11月的升幅最大；降水在7月和8月的升幅最大。（4）在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景中，未来最高气温将分别增加0.01°C/10a、0.06°C/10a和0.15°C/10a；未来最低气温将分别增加0.03°C / 10a、0.06°C/10a和0.17°C/10a。未来降水量将分别增加3.37mm/10a、0.53 mm/10a和-2.07 mm / 10a。未来年最高气温在三种情景下升温表现为近期＜中期＜远期；未来年月最低气温在RCP2.6情景下升温幅度不明显，在RCP4.5和RCP8.5情景下的升温幅度表现为近期＜中期＜远期；未来降水量在三种情景下的三个时期的增长幅度均不明显，波动范围都比较大。 结论：（1）大汶河流域向着暖湿化趋势方向发展，年均气温和年均降水皆有所升高。1966-2017年，大汶河流域气温呈显著上升趋势（p<0.01）。（2）不同情景下的未来最高气温、未来最低气温和未来降雨量的空间分布与历史数据相比无明显差异。（3）未来三种情景下，大汶河流域月最高气温、月最低气温和月降水量总体呈上升趋势。未来月最高气温和月最低气温随着时间尺度的增大而升高。6月和11月为升幅最高的月份；而未来月降水量在7月和8月的升幅最高。（4）大汶河流域未来年最高气温和最低气温随着排放量和时间尺度的增加而升高。未来年均降水量趋势没有明显变化，没有明显的增减趋势。但是，在所有情况下，未来降水的波动范围都比较大，这表现了未来降水量在未来仍有很明显的不确定性。
录用日期: 2021-04-01
摘要:
泉域边界位置及边界性质的准确确定是建立正确的水文地质概念模型的重要前提,是泉域地下水资源量计算结果可靠性的根本保证。本文针对当前趵突泉泉域的边界争议,利用数值模型对断裂—分水岭边界性质进行研究,并采用水量均衡法和数值法两种方法,对两种边界条件下的水均衡进行计算,结果表明：在对断裂—分水岭边界确定的趵突泉泉域进行数值模拟时,需要充分考虑地表水与地下水之间密切的水力联系以及两者之间的转化关系,对降水入渗补给量进行合理折算,提高水均衡计算的准确性。两种边界条件下,趵突泉泉域水均衡情况差异较小。水量均衡法结果表明断裂边界泉域与断裂—分水岭边界泉域的均衡差分别为3626.0万m3/a和3061.4万m3/a；而利用数值法,均衡差分别为4467.1万m3/a和3699.6万m3/a。本研究结果可以推进趵突泉泉域边界条件的研究,为趵突泉泉域建立正确的水文地质概念模型提供了科学依据。
泉域边界位置及边界性质的准确确定是建立正确的水文地质概念模型的重要前提,是泉域地下水资源量计算结果可靠性的根本保证。本文针对当前趵突泉泉域的边界争议,利用数值模型对断裂—分水岭边界性质进行研究,并采用水量均衡法和数值法两种方法,对两种边界条件下的水均衡进行计算,结果表明：在对断裂—分水岭边界确定的趵突泉泉域进行数值模拟时,需要充分考虑地表水与地下水之间密切的水力联系以及两者之间的转化关系,对降水入渗补给量进行合理折算,提高水均衡计算的准确性。两种边界条件下,趵突泉泉域水均衡情况差异较小。水量均衡法结果表明断裂边界泉域与断裂—分水岭边界泉域的均衡差分别为3626.0万m3/a和3061.4万m3/a；而利用数值法,均衡差分别为4467.1万m3/a和3699.6万m3/a。本研究结果可以推进趵突泉泉域边界条件的研究,为趵突泉泉域建立正确的水文地质概念模型提供了科学依据。
录用日期: 2021-03-29
摘要:
低调节性能水库库容小，水库水位对出库过程变化敏感，调洪演算中水库水位频繁触及控制水位的上下边界，造成出库流量过程产生剧烈波动，影响最优解的可操作性。基于水库实时防洪调度的操作流程，以最大化实时调洪库容为准则，提出了腾库预泄段、过渡维持段、削峰蓄洪段、安全消落段、期末消落段五阶段划分原则；以最大削峰准则为目标，构建了各分段优化出库过程的确定方法，形成了低调节性能水库防洪优化调度改进分段试算法。以富春江水库为对象，开展了改进分段试算法模拟调度，并与原分段试算法进行对比。实例结果表明，改进分段试算法与原分段试算法相比优势明显：①克服了原方法调洪计算中频繁突破库容、泄流能力上下限的问题，算法稳定性能良好；②减少了闸门操作频次，增强了优化调度方案的可操作性；③削峰效果更加显著，同等条件下削峰率提升13.3%。
低调节性能水库库容小，水库水位对出库过程变化敏感，调洪演算中水库水位频繁触及控制水位的上下边界，造成出库流量过程产生剧烈波动，影响最优解的可操作性。基于水库实时防洪调度的操作流程，以最大化实时调洪库容为准则，提出了腾库预泄段、过渡维持段、削峰蓄洪段、安全消落段、期末消落段五阶段划分原则；以最大削峰准则为目标，构建了各分段优化出库过程的确定方法，形成了低调节性能水库防洪优化调度改进分段试算法。以富春江水库为对象，开展了改进分段试算法模拟调度，并与原分段试算法进行对比。实例结果表明，改进分段试算法与原分段试算法相比优势明显：①克服了原方法调洪计算中频繁突破库容、泄流能力上下限的问题，算法稳定性能良好；②减少了闸门操作频次，增强了优化调度方案的可操作性；③削峰效果更加显著，同等条件下削峰率提升13.3%。
录用日期: 2021-03-10
摘要:
为研究某大型竖井贯流泵的稳定性,通过ANSYS Workbench软件对流道进行全数值模拟,以研究水泵的压力脉动分布规律和轴系模态分析。在转轮进口和转轮出口截面分别设置监测点,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,而压力脉动幅值有随着扬程增大而增大的趋势。转轮出口幅值比进口低,转轮有稳定水流的作用。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水头的增大而明显增大。部分动能传递给了水体,轴系在水体中固有频率下降,但是下降较小,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但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。
为研究某大型竖井贯流泵的稳定性,通过ANSYS Workbench软件对流道进行全数值模拟,以研究水泵的压力脉动分布规律和轴系模态分析。在转轮进口和转轮出口截面分别设置监测点,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,而压力脉动幅值有随着扬程增大而增大的趋势。转轮出口幅值比进口低,转轮有稳定水流的作用。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水头的增大而明显增大。部分动能传递给了水体,轴系在水体中固有频率下降,但是下降较小,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但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。
录用日期: 2021-03-03
摘要:
本文基于黄河流域1979-2018年的ERA-Interim再分析气象与水文数据，以及CMIP5中10个气候模式下3种典型浓度路径（RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5）的全球气候变化数据，采用离散的数据处理方法，建立了黄河流域贝叶斯网络模型，推断了黄河流域近40余年来气候要素对径流的影响概率，预测了黄河流域未来径流量。结果表明:1979-2018年黄河天然径流量呈减小趋势，基于贝叶斯网络分区间概率预测预报的径流量也呈减小趋势；黄河流域的不同区间（高、中、低）径流量对气候的敏感程度不同，但径流始终与降水相关性最高；在RCP2.6情景下，黄河流域未来20年、60年的径流量为585.50亿m3，588.57亿m3；在RCP4.5情景下，其值为585.42亿m3，587.53亿m3；在RCP8.5情景下，其值为593.50亿m3，585.11亿m3。
本文基于黄河流域1979-2018年的ERA-Interim再分析气象与水文数据，以及CMIP5中10个气候模式下3种典型浓度路径（RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5）的全球气候变化数据，采用离散的数据处理方法，建立了黄河流域贝叶斯网络模型，推断了黄河流域近40余年来气候要素对径流的影响概率，预测了黄河流域未来径流量。结果表明:1979-2018年黄河天然径流量呈减小趋势，基于贝叶斯网络分区间概率预测预报的径流量也呈减小趋势；黄河流域的不同区间（高、中、低）径流量对气候的敏感程度不同，但径流始终与降水相关性最高；在RCP2.6情景下，黄河流域未来20年、60年的径流量为585.50亿m3，588.57亿m3；在RCP4.5情景下，其值为585.42亿m3，587.53亿m3；在RCP8.5情景下，其值为593.50亿m3，585.11亿m3。
录用日期: 2021-03-02
摘要:
青藏高原海拔差异大、地面探空站点稀少且分布不均，导致水汽探测时空分辨率低，而高精度和高时空分辨率的水汽探测资料是提高区域降水预报精准度的前提。地基全球定位系统（ground-based global positioning system, GPS）水汽探测是对探空的有效补充，本文利用青藏高原5个典型GPS和探空站点数据，基于姚宜斌模型分析GPS探测大气可降水量（precipitable water vapor, PWV）的精度及影响因素。结果表明：5个GPS站与临近探空站的探测精度相当，均方根误差在2~3 mm，反演结果可以用于分析代表区域的PWV；基于GPS反演PWV，零时刻探测精度优于十二时的值，冬季的探测精度优于夏季，可能受到地面温度和大气可降水量的影响。未来可以结合探空和GPS资料进行水汽反演，为青藏高原水汽条件和降水预报提供数据支撑。
青藏高原海拔差异大、地面探空站点稀少且分布不均，导致水汽探测时空分辨率低，而高精度和高时空分辨率的水汽探测资料是提高区域降水预报精准度的前提。地基全球定位系统（ground-based global positioning system, GPS）水汽探测是对探空的有效补充，本文利用青藏高原5个典型GPS和探空站点数据，基于姚宜斌模型分析GPS探测大气可降水量（precipitable water vapor, PWV）的精度及影响因素。结果表明：5个GPS站与临近探空站的探测精度相当，均方根误差在2~3 mm，反演结果可以用于分析代表区域的PWV；基于GPS反演PWV，零时刻探测精度优于十二时的值，冬季的探测精度优于夏季，可能受到地面温度和大气可降水量的影响。未来可以结合探空和GPS资料进行水汽反演，为青藏高原水汽条件和降水预报提供数据支撑。
录用日期: 2021-03-01
摘要:
在分析区域水文地质条件基础上，构建了地下水流系统数值模拟模型。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。以泉水恢复出流为目标进行了玉泉山泉恢复方案研究。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。分别提出了以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0.8×108 m3/a，同时地下水压采至现状的71%，玉泉山泉水有望在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。
在分析区域水文地质条件基础上，构建了地下水流系统数值模拟模型。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。以泉水恢复出流为目标进行了玉泉山泉恢复方案研究。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。分别提出了以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0.8×108 m3/a，同时地下水压采至现状的71%，玉泉山泉水有望在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。
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