南水北调与水利科技（中英文）
2022年第20卷第3期文章目次
2022, 20(3):417-428.
摘要:
为识别和量化导致用水量变化的主要影响因素及其驱动作用，准确把握用水变化趋势，将全国总用水量分为生活、工业和农业用水量，通过构建多层次对数均值迪氏指数（logarithmic mean Divisia index，LMDI）分解模型，在生活、工业及农业用水量变化的驱动因素分解的基础上，对全国总用水量驱动效应进行测度，并进一步量化研究用水驱动效应在时间和空间尺度上的分异特征。结果表明：2020年用水总量几乎与20年前持平，但各驱动要素的相对作用发生了显著变化，与此同时，用水量变化驱动效应存在较强的空间分异性，并且在“十三五”时期表现出了新的变化态势。结果可为我国水资源的高效利用和水资源管理政策的科学制定提供技术支撑与决策依据。
为识别和量化导致用水量变化的主要影响因素及其驱动作用，准确把握用水变化趋势，将全国总用水量分为生活、工业和农业用水量，通过构建多层次对数均值迪氏指数（logarithmic mean Divisia index，LMDI）分解模型，在生活、工业及农业用水量变化的驱动因素分解的基础上，对全国总用水量驱动效应进行测度，并进一步量化研究用水驱动效应在时间和空间尺度上的分异特征。结果表明：2020年用水总量几乎与20年前持平，但各驱动要素的相对作用发生了显著变化，与此同时，用水量变化驱动效应存在较强的空间分异性，并且在“十三五”时期表现出了新的变化态势。结果可为我国水资源的高效利用和水资源管理政策的科学制定提供技术支撑与决策依据。
2022, 20(3):429-439.
摘要:
为提高年径流预测精度，引入黏菌算法（slime mould algorithm，SMA）和变分模态分解算法（variational mode decomposition，VMD），提出一种基于卷积神经网络（convolutional neural network，CNN）和门控循环单元（gated recurrent unit，GRU）神经网络的组合预测模型（VMD-SMA-CNN-GRU）。利用VMD对径流数据进行分解；采用SMA优化CNN-GRU模型参数，构建模型对每个分量进行预测；各分量结果相加得到最终结果。以兰西水文站为例，将所建模型与CEEMDAN (complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise)-CNN-GRU、VMD-CNN-LSTM（long short-term memory）、VMD-LSTM、VMD-GRU、VMD-PSO (particle swarm optimization)CNN-GRU、SMA-CNN-GRU和CNN-GRU预测模型进行对比分析。结果表明：SMA优化的VMD-CNN-GRU模型预测精度不仅高于上述7种模型，而且避免了人工试算确定CNN-GRU模型参数效率低的不足，为年径流预测提供了一种新方法。
为提高年径流预测精度，引入黏菌算法（slime mould algorithm，SMA）和变分模态分解算法（variational mode decomposition，VMD），提出一种基于卷积神经网络（convolutional neural network，CNN）和门控循环单元（gated recurrent unit，GRU）神经网络的组合预测模型（VMD-SMA-CNN-GRU）。利用VMD对径流数据进行分解；采用SMA优化CNN-GRU模型参数，构建模型对每个分量进行预测；各分量结果相加得到最终结果。以兰西水文站为例，将所建模型与CEEMDAN (complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise)-CNN-GRU、VMD-CNN-LSTM（long short-term memory）、VMD-LSTM、VMD-GRU、VMD-PSO (particle swarm optimization)CNN-GRU、SMA-CNN-GRU和CNN-GRU预测模型进行对比分析。结果表明：SMA优化的VMD-CNN-GRU模型预测精度不仅高于上述7种模型，而且避免了人工试算确定CNN-GRU模型参数效率低的不足，为年径流预测提供了一种新方法。
2022, 20(3):440-450.
摘要:
为定量化描述南水北调来水对京津冀地区用水竞争力的影响，提出基于驱动增长率、刚性需水量、用水效益和用水紧缺程度等4项评价指标的用水竞争力指数模型，分析南水北调不同来水情景下京津冀地区的用水竞争力变化。结果表明：在南水北调来水与本地水联合供水情况下，京津冀地区3个行业的用水紧缺程度得到不同程度的缓解，行业刚性需水量均可得到满足，其中，生活用水紧缺程度降幅最大，工业次之，农业最小；与基准情景S0相比，各受水区在不同情景下的农业、工业和生活用水竞争力指数（water competitiveness index,WCI)平均减小17.3%，缓解了该区域的行业用水竞争压力；在不同来水情景下，京津冀地区用水竞争力指数呈现显著下降趋势，各情景下WCI值平均减小16.1%，区域用水竞争力分布呈现从环渤海湾区和河北南部地区双中心向河北南部单中心转变的特点。
为定量化描述南水北调来水对京津冀地区用水竞争力的影响，提出基于驱动增长率、刚性需水量、用水效益和用水紧缺程度等4项评价指标的用水竞争力指数模型，分析南水北调不同来水情景下京津冀地区的用水竞争力变化。结果表明：在南水北调来水与本地水联合供水情况下，京津冀地区3个行业的用水紧缺程度得到不同程度的缓解，行业刚性需水量均可得到满足，其中，生活用水紧缺程度降幅最大，工业次之，农业最小；与基准情景S0相比，各受水区在不同情景下的农业、工业和生活用水竞争力指数（water competitiveness index,WCI)平均减小17.3%，缓解了该区域的行业用水竞争压力；在不同来水情景下，京津冀地区用水竞争力指数呈现显著下降趋势，各情景下WCI值平均减小16.1%，区域用水竞争力分布呈现从环渤海湾区和河北南部地区双中心向河北南部单中心转变的特点。
2022, 20(3):451-458.
摘要:
通过对比同一时段内龙羊峡水库入库径流与出库径流的水文变化指标（indicators of hydrologic alteration，IHA）、流量过程变异程度等指标变化，结合突变检验，量化水库调度对径流过程的影响，采用显著性检验识别水库[JP+1]蓄补水与来水、耗水等因素的关系。结果显示，1986—2016年龙羊峡水库调度导致径流过程显著变化：年均流量表现为极值比和变异系数减小；月均流量表现为6—10月减小、11月—次年5月增大；日流量表现为径流过程坦化，但小范围波动加剧。水库出库断面流量过程变异程度在初次蓄水年份发生突变，蓄水后流量过程变异程度是蓄水前的43倍。水库年补水量与黄河天然径流量呈显著负相关关系，与黄河流域地表水耗水量占天然径流量的比例呈显著正相关关系。[JP2]黄河流域地表水耗水量占天然径流量的比例超过64%时龙羊峡水库以补水为主，反之以蓄水为主。
通过对比同一时段内龙羊峡水库入库径流与出库径流的水文变化指标（indicators of hydrologic alteration，IHA）、流量过程变异程度等指标变化，结合突变检验，量化水库调度对径流过程的影响，采用显著性检验识别水库[JP+1]蓄补水与来水、耗水等因素的关系。结果显示，1986—2016年龙羊峡水库调度导致径流过程显著变化：年均流量表现为极值比和变异系数减小；月均流量表现为6—10月减小、11月—次年5月增大；日流量表现为径流过程坦化，但小范围波动加剧。水库出库断面流量过程变异程度在初次蓄水年份发生突变，蓄水后流量过程变异程度是蓄水前的43倍。水库年补水量与黄河天然径流量呈显著负相关关系，与黄河流域地表水耗水量占天然径流量的比例呈显著正相关关系。[JP2]黄河流域地表水耗水量占天然径流量的比例超过64%时龙羊峡水库以补水为主，反之以蓄水为主。
2022, 20(3):459-467.
摘要:
通过巴音河流域1961—2019年逐月降水量和径流量数据计算标准化降水指数和标准化径流指数，进而对巴音河流域气象和水文干旱的演变以及突变进行分析，并探析流域水文干旱对气象干旱的响应。结果表明，1961—2019年巴音河流域气象干旱与水文干旱呈减缓态势，流域降水增多，有变湿趋势，气象干旱湿润化表现尤为显著。巴音河流域水文干旱对气象干旱的响应表现出时滞性，在1、3、6、12个月的时间尺度下，12个月的气象干旱指标与水文干旱指标相关性最强，水文干旱滞后于气象干旱1～2个月；水文干旱对气象干旱的季节性响应在春、夏、秋、冬分别滞后5、6、9、8个月，在春夏的滞后时间短于秋冬的滞后时间。
通过巴音河流域1961—2019年逐月降水量和径流量数据计算标准化降水指数和标准化径流指数，进而对巴音河流域气象和水文干旱的演变以及突变进行分析，并探析流域水文干旱对气象干旱的响应。结果表明，1961—2019年巴音河流域气象干旱与水文干旱呈减缓态势，流域降水增多，有变湿趋势，气象干旱湿润化表现尤为显著。巴音河流域水文干旱对气象干旱的响应表现出时滞性，在1、3、6、12个月的时间尺度下，12个月的气象干旱指标与水文干旱指标相关性最强，水文干旱滞后于气象干旱1～2个月；水文干旱对气象干旱的季节性响应在春、夏、秋、冬分别滞后5、6、9、8个月，在春夏的滞后时间短于秋冬的滞后时间。
2022, 20(3):468-477.
摘要:
针对月径流随机模拟序列检验指标偏少、检验结果未能全面反映径流过程复杂变化的问题，在传统检验指标的基础上，引入集中度、不均匀系数和样本熵等指标，提出截口复杂性指标体系，基于该指标体系对径流序列截口特性、复杂变化特性进行分析，通过灰色关联分析法对月径流模拟序列进行综合评价和优选，并与传统指标优选的结果进行对比及合理性分析。以淮河流域干支流3个研究站点资料为例建立季节性自回归模型，对随机生成的多组月径流模拟序列进行应用研究，结果表明：与传统评价方法相比，截口-复杂性指标体系优选出的模拟序列在保证年内分配多样性的同时，能够减少年内分配不合理的情况，较好地反映径流序列的复杂特性，为识别更为准确、可靠的月径流随机模拟序列提供了一种新途径。
针对月径流随机模拟序列检验指标偏少、检验结果未能全面反映径流过程复杂变化的问题，在传统检验指标的基础上，引入集中度、不均匀系数和样本熵等指标，提出截口复杂性指标体系，基于该指标体系对径流序列截口特性、复杂变化特性进行分析，通过灰色关联分析法对月径流模拟序列进行综合评价和优选，并与传统指标优选的结果进行对比及合理性分析。以淮河流域干支流3个研究站点资料为例建立季节性自回归模型，对随机生成的多组月径流模拟序列进行应用研究，结果表明：与传统评价方法相比，截口-复杂性指标体系优选出的模拟序列在保证年内分配多样性的同时，能够减少年内分配不合理的情况，较好地反映径流序列的复杂特性，为识别更为准确、可靠的月径流随机模拟序列提供了一种新途径。
2022, 20(3):478-486.
摘要:
针对未知的污染场地，为了准确估计污染物运移模型的参数，提出一种基于多重数据同化集合平滑器(ensemble smoother with multiple data assimilation,ES-MDA)算法的地下水模型参数反演方法，通过融合由高密度电阻率（electrical resistance tomography，ERT）法采集的ERT观测数据，实现对污染源源强和渗透系数场的联合反演。以此为基础设计3组数值算例，比较不同类型观测数据对反演精度的影响。研究结果表明：融合ERT数据的ES-MDA算法对模型参数的反演精度更高，并且将ERT数据和传统的质量浓度与水头观测数据相结合，能进一步优化反演结果。
针对未知的污染场地，为了准确估计污染物运移模型的参数，提出一种基于多重数据同化集合平滑器(ensemble smoother with multiple data assimilation,ES-MDA)算法的地下水模型参数反演方法，通过融合由高密度电阻率（electrical resistance tomography，ERT）法采集的ERT观测数据，实现对污染源源强和渗透系数场的联合反演。以此为基础设计3组数值算例，比较不同类型观测数据对反演精度的影响。研究结果表明：融合ERT数据的ES-MDA算法对模型参数的反演精度更高，并且将ERT数据和传统的质量浓度与水头观测数据相结合，能进一步优化反演结果。
JIAO Zhen
,
,
,
,
MIAO Zhijia
,
,
,
,
LI Qing
,
,
[HJmm]AN Heluan
,
,
MENG Xiangyuan
,
,
SONG Cunyi
2022, 20(3):487-497,551.
摘要:
Metal-based compounds are promising adsorbents for phosphate.A novel dual metal-organic framework as an effective adsorbent for phosphate was synthesized by a solvothermal method.The structure analysis revealed that the as-prepared adsorbent (denoted as MIL-101(Fe/Zr)) possessed a porous polyhedral structure with a large specific surface area of 479.1 m2/g and a pore width of 3.4 nm.The X-ray diffraction pattern and Fourier transform infrared spectra suggested that the MIL-101(Fe/Zr) shared a similar structure with MIL-101(Fe),implying successful incorporation of Zr atoms as a second metal into the MIL-101(Fe) structure.Kinetic adsorption of PO43—by MIL-101(Fe/Zr) conformed to the pseudo-second-order model and intraparticle diffusion model,while adsorption isotherm fitted the Freundlich model well (R2=0.978 5).It is suggested that such an adsorption belonged to multiply-layer adsorption.The adsorption capacity of MIL-101(Fe/Zr) was to be 66.00 mg/g.MIL-101(Fe/Zr) performed well at a wide range of pH 2.0~10.0 and high ionic strength (0~40 mg/L NaCl).A structural analysis indicated that the complexation interaction was mainly responsible for PO43—adsorption.These findings can inspire preparation of other dual metal MOFs adsorbent for phosphate removal and recovery from water.
Metal-based compounds are promising adsorbents for phosphate.A novel dual metal-organic framework as an effective adsorbent for phosphate was synthesized by a solvothermal method.The structure analysis revealed that the as-prepared adsorbent (denoted as MIL-101(Fe/Zr)) possessed a porous polyhedral structure with a large specific surface area of 479.1 m2/g and a pore width of 3.4 nm.The X-ray diffraction pattern and Fourier transform infrared spectra suggested that the MIL-101(Fe/Zr) shared a similar structure with MIL-101(Fe),implying successful incorporation of Zr atoms as a second metal into the MIL-101(Fe) structure.Kinetic adsorption of PO43—by MIL-101(Fe/Zr) conformed to the pseudo-second-order model and intraparticle diffusion model,while adsorption isotherm fitted the Freundlich model well (R2=0.978 5).It is suggested that such an adsorption belonged to multiply-layer adsorption.The adsorption capacity of MIL-101(Fe/Zr) was to be 66.00 mg/g.MIL-101(Fe/Zr) performed well at a wide range of pH 2.0~10.0 and high ionic strength (0~40 mg/L NaCl).A structural analysis indicated that the complexation interaction was mainly responsible for PO43—adsorption.These findings can inspire preparation of other dual metal MOFs adsorbent for phosphate removal and recovery from water.
2022, 20(3):498-505.
摘要:
根据汉江流域水生态文明特征，以行政单元为评价分区，建立汉江流域水生态文明评价指标体系，包括自然和社会2个系统,山区、平原和水域3种流域地貌单元,水安全、水生态、水环境、水节约、水监管和水文化6类人水关系子系统以及25项指标。引入基于AHP法和熵值法的融合权重，采用模糊综合评价法和灰色关联分析，评价2017年汉江流域水生态文明建设水平。结果表明汉江流域水生态文明建设具有较强的社会属性，二者关联度达0.844，因而呈中下游相对领先、上游略有滞后的空间格局，其中水安全、水环境和水节约是影响水生态文明建设的要因。评价结果可为汉江生态经济带建设发展规划提供参考与依据。
根据汉江流域水生态文明特征，以行政单元为评价分区，建立汉江流域水生态文明评价指标体系，包括自然和社会2个系统,山区、平原和水域3种流域地貌单元,水安全、水生态、水环境、水节约、水监管和水文化6类人水关系子系统以及25项指标。引入基于AHP法和熵值法的融合权重，采用模糊综合评价法和灰色关联分析，评价2017年汉江流域水生态文明建设水平。结果表明汉江流域水生态文明建设具有较强的社会属性，二者关联度达0.844，因而呈中下游相对领先、上游略有滞后的空间格局，其中水安全、水环境和水节约是影响水生态文明建设的要因。评价结果可为汉江生态经济带建设发展规划提供参考与依据。
2022, 20(3):506-515.
摘要:
为弥补传统整数阶导数对流-弥散方程在潜流带溶质运移模拟时难以描述介质非均质性引起的溶质运移的不足，在潜流带溶质运移模型中引入时空分数阶导数项，分别从一维和二维角度出发对分数阶导数方法在潜流带溶质运移模拟中的适用性进行讨论。研究发现：时间分数阶阶数α体现溶质运移过程的滞时效应，使穿透曲线具有明显的拖尾特征；空间分数阶阶数β刻画介质非均质性引起的溶质超扩散现象。参数敏感性分析结果表明：引入分数阶方法相较于传统对流-弥散方程使得方程对流速和弥散系数改变的敏感性增强，解决了传统整数阶方法无法准确描述潜流带中介质强非均质性的缺陷。野外示踪试验进一步证明：由于潜流带中介质非均质性强且存在多维流的特点，传统二维整数阶对流扩散方程对溶质运移过程刻画存在不足；一维分数阶导数模型在模拟潜流带溶质运移时，能够更准确计算溶质浓度峰现时间，描述穿透曲线拖尾现象；二维分数阶导数模型受到不同方向参数设置的影响，在没有纵深方向介质差异导致的水流、介质参数差异的前提下，模拟水平面内溶质扩散过程更具适用性。
为弥补传统整数阶导数对流-弥散方程在潜流带溶质运移模拟时难以描述介质非均质性引起的溶质运移的不足，在潜流带溶质运移模型中引入时空分数阶导数项，分别从一维和二维角度出发对分数阶导数方法在潜流带溶质运移模拟中的适用性进行讨论。研究发现：时间分数阶阶数α体现溶质运移过程的滞时效应，使穿透曲线具有明显的拖尾特征；空间分数阶阶数β刻画介质非均质性引起的溶质超扩散现象。参数敏感性分析结果表明：引入分数阶方法相较于传统对流-弥散方程使得方程对流速和弥散系数改变的敏感性增强，解决了传统整数阶方法无法准确描述潜流带中介质强非均质性的缺陷。野外示踪试验进一步证明：由于潜流带中介质非均质性强且存在多维流的特点，传统二维整数阶对流扩散方程对溶质运移过程刻画存在不足；一维分数阶导数模型在模拟潜流带溶质运移时，能够更准确计算溶质浓度峰现时间，描述穿透曲线拖尾现象；二维分数阶导数模型受到不同方向参数设置的影响，在没有纵深方向介质差异导致的水流、介质参数差异的前提下，模拟水平面内溶质扩散过程更具适用性。
2022, 20(3):516-524.
摘要:
针对干旱地区污染水体修复及资源化利用的关键问题，以新疆阿拉尔纳污坑塘生态修复及景观提升项目为例，探索不同水生态修复技术在干旱地区高盐水体水环境修复中的应用效果。通过前期调研、方法研究和技术论证，提出“控源截污、水质提升、活水循环、生态修复”的技术路线，阿拉尔氧化塘内废水采用“改性沸石原位修复+微生物降解+水生植被种植+曝气增氧”的协同技术体系改善水质，实现水生态系统的恢复和水体自净能力的提升。工程全面实施后，氧化塘内水体总磷、氨氮、化学需氧量、色度和总氮的去除率分别达80.73%、58.55%、62.63%、87.06%和68.61%，水体黑臭现象消失，生态效益显著，对我国西北干旱地区的水环境修复和水资源利用具有较强的示范作用。
针对干旱地区污染水体修复及资源化利用的关键问题，以新疆阿拉尔纳污坑塘生态修复及景观提升项目为例，探索不同水生态修复技术在干旱地区高盐水体水环境修复中的应用效果。通过前期调研、方法研究和技术论证，提出“控源截污、水质提升、活水循环、生态修复”的技术路线，阿拉尔氧化塘内废水采用“改性沸石原位修复+微生物降解+水生植被种植+曝气增氧”的协同技术体系改善水质，实现水生态系统的恢复和水体自净能力的提升。工程全面实施后，氧化塘内水体总磷、氨氮、化学需氧量、色度和总氮的去除率分别达80.73%、58.55%、62.63%、87.06%和68.61%，水体黑臭现象消失，生态效益显著，对我国西北干旱地区的水环境修复和水资源利用具有较强的示范作用。
2022, 20(3):525-535.
摘要:
以内蒙古乌拉盖地区地下水为研究对象，综合利用水化学计量分析、多元统计分析、空间统计分析及氧化还原分析等，开展区域地下水水化学特征及成因研究。结果表明：研究区地下水水化学特征存在显著的空间变异性；水岩作用是控制水化学演化的主要因素，蒸发浓缩及离子交换作用次之；硅酸岩风化是主控的水岩作用，碳酸盐岩溶解次之，蒸发岩影响较为微弱，这与区域地质背景相匹配；部分地下水存在硝酸盐污染，空间分析表明区域分散的农牧业及生活污水排放成为地下水硝酸盐污染的重要来源，氧化还原分析表明区域存在潜在的反硝化趋势。研究结果可为干旱及半干旱区地下水资源可持续开发利用提供科学依据。
以内蒙古乌拉盖地区地下水为研究对象，综合利用水化学计量分析、多元统计分析、空间统计分析及氧化还原分析等，开展区域地下水水化学特征及成因研究。结果表明：研究区地下水水化学特征存在显著的空间变异性；水岩作用是控制水化学演化的主要因素，蒸发浓缩及离子交换作用次之；硅酸岩风化是主控的水岩作用，碳酸盐岩溶解次之，蒸发岩影响较为微弱，这与区域地质背景相匹配；部分地下水存在硝酸盐污染，空间分析表明区域分散的农牧业及生活污水排放成为地下水硝酸盐污染的重要来源，氧化还原分析表明区域存在潜在的反硝化趋势。研究结果可为干旱及半干旱区地下水资源可持续开发利用提供科学依据。
2022, 20(3):536-543.
摘要:
以盘溪梯级水电站的大洋水库为例，采用改进的Tennant法、年内展布法、Q90法、改进的频率法以及NGPRP（northern great plains resource program）法计算大洋水库应下泄的最小生态流量。选取95%保证率为保护目标，通过进一步的合理性分析，分析5种方法在95%保证率下的满足程度，从而提出年内展布法和改进的频率法是最适合该地区的最小生态流量计算方法。在满足95%保证率的情况下，选取年内展布法和改进的频率法的内包线得到大洋水库应下泄的最小生态流量过程，并以此思路推求出盘溪梯级一级电站至四级电站区间最小生态流量过程。
以盘溪梯级水电站的大洋水库为例，采用改进的Tennant法、年内展布法、Q90法、改进的频率法以及NGPRP（northern great plains resource program）法计算大洋水库应下泄的最小生态流量。选取95%保证率为保护目标，通过进一步的合理性分析，分析5种方法在95%保证率下的满足程度，从而提出年内展布法和改进的频率法是最适合该地区的最小生态流量计算方法。在满足95%保证率的情况下，选取年内展布法和改进的频率法的内包线得到大洋水库应下泄的最小生态流量过程，并以此思路推求出盘溪梯级一级电站至四级电站区间最小生态流量过程。
2022, 20(3):544-551.
摘要:
针对水库重金属污染及其生态效应问题，分析海河流域北部4座典型水库沉积物中6种重金属(As、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn)的分布情况，并评价污染物类型的相关性。采用地累积指数法、潜在生态风险指数法和物种敏感性分布法分析4个水库沉积物中重金属的生态风险。结果表明：沙河水库、密云水库和于桥水库的重金属沉积物生态风险等级为优，官厅水库重金属沉积物生态风险等级为良。不同重金属对5%的底栖生物物种的危害质量分数(HC5)不同，由高到低依次为As(0.210 mg/kg)>Ni(0.071 mg/kg)>Cr(0.052 mg/kg)>Zn(0.050 mg/kg)>Cu(0.006 mg/kg)>Pb(0.005 mg/kg)。研究成果有助于了解水库沉积物中重金属的生态风险，为水库生态管理提供依据。
针对水库重金属污染及其生态效应问题，分析海河流域北部4座典型水库沉积物中6种重金属(As、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn)的分布情况，并评价污染物类型的相关性。采用地累积指数法、潜在生态风险指数法和物种敏感性分布法分析4个水库沉积物中重金属的生态风险。结果表明：沙河水库、密云水库和于桥水库的重金属沉积物生态风险等级为优，官厅水库重金属沉积物生态风险等级为良。不同重金属对5%的底栖生物物种的危害质量分数(HC5)不同，由高到低依次为As(0.210 mg/kg)>Ni(0.071 mg/kg)>Cr(0.052 mg/kg)>Zn(0.050 mg/kg)>Cu(0.006 mg/kg)>Pb(0.005 mg/kg)。研究成果有助于了解水库沉积物中重金属的生态风险，为水库生态管理提供依据。
2022, 20(3):552-562.
摘要:
从广义与狭义角度阐释海绵城市理念的内涵，梳理常见低影响开发（low impact development，LID）措施的功能特征，系统归纳LID措施优化布局研究中使用的模型工具、优化算法以及规划目标。最后，以济南市黄台桥流域为例，运用NSGA-II算法，以LID措施的成本、雨洪要素控制率为目标进行LID优化布局，结果表明：居住区和公共设施区的透水铺装对径流总量削减效果最显著；居住区、公共设施区和园林区的透水铺装及公共设施区的绿色屋顶组合对洪峰延迟时间效果最显著；公共设施区的透水铺装和绿色屋顶组合对洪峰流量削减效果最显著。研究结果可为我国城市防洪减灾、海绵城市建设提供参考。
从广义与狭义角度阐释海绵城市理念的内涵，梳理常见低影响开发（low impact development，LID）措施的功能特征，系统归纳LID措施优化布局研究中使用的模型工具、优化算法以及规划目标。最后，以济南市黄台桥流域为例，运用NSGA-II算法，以LID措施的成本、雨洪要素控制率为目标进行LID优化布局，结果表明：居住区和公共设施区的透水铺装对径流总量削减效果最显著；居住区、公共设施区和园林区的透水铺装及公共设施区的绿色屋顶组合对洪峰延迟时间效果最显著；公共设施区的透水铺装和绿色屋顶组合对洪峰流量削减效果最显著。研究结果可为我国城市防洪减灾、海绵城市建设提供参考。
2022, 20(3):563-572.
摘要:
基于高精度数字高程模型（digital elevation model，DEM）数据，采用直接提取法和改进的断面构造法获得河道断面数据，将上述2种方法提取的河道断面数据作为水动力学模拟软件HECRAS(hydrologic engineering center′s river analysis system)的主要输入，开展一维和一二维耦合水动力学数值模拟，使用实测的河道断面数据进行结果对比分析，评估不同河道断面快速获取方法的效果。将研究方法在美国佛罗里达州迈阿密河下游河段进行应用，选取2004、2014和2017年3场典型洪水，分析2种不同断面形态下洪水演进模拟结果的差异。结果表明，直接提取高精度DEM所得的河道断面数据在准确性上仍有欠缺，采用断面构造法修正后的河道断面数据模拟出的洪水水位与观测水位的均方根误差(RMSE)小于0.1 m，与实测结果十分接近，在缺少河道断面资料的地区可替代实测断面，获得可信度较好的模拟结果。
基于高精度数字高程模型（digital elevation model，DEM）数据，采用直接提取法和改进的断面构造法获得河道断面数据，将上述2种方法提取的河道断面数据作为水动力学模拟软件HECRAS(hydrologic engineering center′s river analysis system)的主要输入，开展一维和一二维耦合水动力学数值模拟，使用实测的河道断面数据进行结果对比分析，评估不同河道断面快速获取方法的效果。将研究方法在美国佛罗里达州迈阿密河下游河段进行应用，选取2004、2014和2017年3场典型洪水，分析2种不同断面形态下洪水演进模拟结果的差异。结果表明，直接提取高精度DEM所得的河道断面数据在准确性上仍有欠缺，采用断面构造法修正后的河道断面数据模拟出的洪水水位与观测水位的均方根误差(RMSE)小于0.1 m，与实测结果十分接近，在缺少河道断面资料的地区可替代实测断面，获得可信度较好的模拟结果。
2022, 20(3):573-580,599.
摘要:
以北京副中心北运河生态带、城北、河西和两河片区为研究区，选取典型强降水过程，基于新一代中尺度天气研究和预报模式（weather research and forecasting model,WRF），通过对物理参数化方案的优选，构建适用于北京副中心的数值天气模型。通过区域大气模式可以实现定量降水模拟与预报，为缺乏降水资料地区的相关研究提供数据支撑。研究结果表明：不同参数化方案的模拟结果差异较大，积云参数化方案对研究区强降水模拟效果的影响最大；当云微物理过程取WRF Single-Moment 5-class方案，积云对流过程取Grell-Freitas方案，行星边界层过程取Yonsei University方案，长、短波辐射过程取newer version of the Rapid Radiative Transfer Model方案，表层取Revised MM5 Monin-Obukhov方案，陆地表面取Noah land surface model方案，城市表面取Urban canopy model方案时，模拟结果最优。
以北京副中心北运河生态带、城北、河西和两河片区为研究区，选取典型强降水过程，基于新一代中尺度天气研究和预报模式（weather research and forecasting model,WRF），通过对物理参数化方案的优选，构建适用于北京副中心的数值天气模型。通过区域大气模式可以实现定量降水模拟与预报，为缺乏降水资料地区的相关研究提供数据支撑。研究结果表明：不同参数化方案的模拟结果差异较大，积云参数化方案对研究区强降水模拟效果的影响最大；当云微物理过程取WRF Single-Moment 5-class方案，积云对流过程取Grell-Freitas方案，行星边界层过程取Yonsei University方案，长、短波辐射过程取newer version of the Rapid Radiative Transfer Model方案，表层取Revised MM5 Monin-Obukhov方案，陆地表面取Noah land surface model方案，城市表面取Urban canopy model方案时，模拟结果最优。
2022, 20(3):581-589.
摘要:
通过引入单一安全系数，基于极限平衡法，推导土工袋修复体两种滑动模式的抗滑稳定性计算公式。通过土工袋摩擦试验，研究不同袋内材料、土工袋排列方式、竖向压重以及运行环境（水上或水下）等条件下的土工袋袋体层间和袋土之间的摩擦特性，试验结果表明：袋装膨胀土土工袋堆叠为交错排列的过程中形成的咬合作用和嵌固作用将土工袋袋体无缝排列的层间摩擦因数0.714提升至0.920；土工袋浸泡于水下进行摩擦试验，水的润滑作用会导致土工袋袋体层间以及土工袋袋土之间的摩擦因数从0.920降低至0.901。采用土工袋抗滑稳定公式与摩擦试验得出的摩擦因数，对南水北调中线工程中土工袋修复膨胀土边坡案例的两种滑动形式进行抗滑稳定性分析，得出土工袋修复体最小安全系数为1.25，论证了土工袋修复膨胀土边坡的效果。
通过引入单一安全系数，基于极限平衡法，推导土工袋修复体两种滑动模式的抗滑稳定性计算公式。通过土工袋摩擦试验，研究不同袋内材料、土工袋排列方式、竖向压重以及运行环境（水上或水下）等条件下的土工袋袋体层间和袋土之间的摩擦特性，试验结果表明：袋装膨胀土土工袋堆叠为交错排列的过程中形成的咬合作用和嵌固作用将土工袋袋体无缝排列的层间摩擦因数0.714提升至0.920；土工袋浸泡于水下进行摩擦试验，水的润滑作用会导致土工袋袋体层间以及土工袋袋土之间的摩擦因数从0.920降低至0.901。采用土工袋抗滑稳定公式与摩擦试验得出的摩擦因数，对南水北调中线工程中土工袋修复膨胀土边坡案例的两种滑动形式进行抗滑稳定性分析，得出土工袋修复体最小安全系数为1.25，论证了土工袋修复膨胀土边坡的效果。
2022, 20(3):590-599.
摘要:
为保障工程建筑物的合理设计、输水渠道的科学调控及调水系统的安全运行，需对弧形闸门过闸流量进行精确计算。以南水北调中线工程干渠59座节制闸为研究对象，建立基于量纲分析法和长短期记忆神经网络两种不同的弧形闸门流量计算模型，选取2018—2019年2 h时间尺度的原始观测数据作为模型输入，对比分析两种模型闸门流量计算的平均绝对误差、平均相对误差、均方根误差及纳什效率系数。结果表明：对于工程整体而言，长短期记忆神经网络方法的误差结果略优于量纲分析法，两者流量平均相对误差分别为2%~2.5%和3%~4%。另外，量纲分析法受水位波动影响较大，更适用于中线工程中下游（中、小流量）的闸门过流计算；长短期记忆神经网络方法受水位波动的影响相对略小，更适用于中线工程中上游（大、中流量）的闸门过流计算。该研究为南水北调中线工程闸门水力计算及调度运行提供了科学依据。
为保障工程建筑物的合理设计、输水渠道的科学调控及调水系统的安全运行，需对弧形闸门过闸流量进行精确计算。以南水北调中线工程干渠59座节制闸为研究对象，建立基于量纲分析法和长短期记忆神经网络两种不同的弧形闸门流量计算模型，选取2018—2019年2 h时间尺度的原始观测数据作为模型输入，对比分析两种模型闸门流量计算的平均绝对误差、平均相对误差、均方根误差及纳什效率系数。结果表明：对于工程整体而言，长短期记忆神经网络方法的误差结果略优于量纲分析法，两者流量平均相对误差分别为2%~2.5%和3%~4%。另外，量纲分析法受水位波动影响较大，更适用于中线工程中下游（中、小流量）的闸门过流计算；长短期记忆神经网络方法受水位波动的影响相对略小，更适用于中线工程中上游（大、中流量）的闸门过流计算。该研究为南水北调中线工程闸门水力计算及调度运行提供了科学依据。
2022, 20(3):600-609.
摘要:
为研究已建大型引调水工程运行期输水损失变化,以南水北调中线一期工程为对象，利用水量平衡原理计算得到6个典型渠段2018—2021年不同时间尺度下的输水损失变化过程，并与输水损失经验公式计算结果进行对比。结果表明：不同计算时空尺度下的渠段输水漏损流量结果差异较大，但沿程输水损失率差异较小；入渠流量规模是影响渠段输水漏损流量的主要因素，蒸发量、降雨和冰期冻融等也是造成中线总干渠输水损失时空变化的重要因素，因此仅考虑渠底渗漏损失不能有效反映中线总干渠输水损失变化过程。
为研究已建大型引调水工程运行期输水损失变化,以南水北调中线一期工程为对象，利用水量平衡原理计算得到6个典型渠段2018—2021年不同时间尺度下的输水损失变化过程，并与输水损失经验公式计算结果进行对比。结果表明：不同计算时空尺度下的渠段输水漏损流量结果差异较大，但沿程输水损失率差异较小；入渠流量规模是影响渠段输水漏损流量的主要因素，蒸发量、降雨和冰期冻融等也是造成中线总干渠输水损失时空变化的重要因素，因此仅考虑渠底渗漏损失不能有效反映中线总干渠输水损失变化过程。
2022, 20(3):610-618.
摘要:
为研究不同工况下某南水北调泵站后置灯泡贯流泵叶轮导叶压力脉动规律，通过计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD)对偏流量、偏水位工况叶轮导叶区压力脉动进行计算与分析，结果表明：叶轮导叶区压力脉动时域图周期性明显，叶轮叶片个数对压力脉动主次频有一定影响，叶轮导叶区主次频均为整倍数叶频，叶轮导叶区压力脉动幅值整体从轮缘到轮毂呈减小趋势，叶轮区的压力脉动幅值明显大于导叶区。非设计水位工况下叶轮导叶区压力脉动幅值略大于设计工况，主次频未发生明显变化；非设计流量工况中小流量工况与大流量工况压力脉动幅值均大于设计工况，各个监测点的小流量工况压力脉动幅值为设计工况的2~3倍，且在此工况下低频脉动明显。可见非设计工况运行对机组压力脉动幅值的影响较大，长期在非设计工况下运行严重影响机组运行效率，泵站运行应尽量避免非设计工况运行的情况。研究结论可为泵站日常运维和研究异常水力振动提参考。
为研究不同工况下某南水北调泵站后置灯泡贯流泵叶轮导叶压力脉动规律，通过计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD)对偏流量、偏水位工况叶轮导叶区压力脉动进行计算与分析，结果表明：叶轮导叶区压力脉动时域图周期性明显，叶轮叶片个数对压力脉动主次频有一定影响，叶轮导叶区主次频均为整倍数叶频，叶轮导叶区压力脉动幅值整体从轮缘到轮毂呈减小趋势，叶轮区的压力脉动幅值明显大于导叶区。非设计水位工况下叶轮导叶区压力脉动幅值略大于设计工况，主次频未发生明显变化；非设计流量工况中小流量工况与大流量工况压力脉动幅值均大于设计工况，各个监测点的小流量工况压力脉动幅值为设计工况的2~3倍，且在此工况下低频脉动明显。可见非设计工况运行对机组压力脉动幅值的影响较大，长期在非设计工况下运行严重影响机组运行效率，泵站运行应尽量避免非设计工况运行的情况。研究结论可为泵站日常运维和研究异常水力振动提参考。
2022, 20(3):619-624.
摘要:
由于运行中管道实际摩阻因数与设计采用值的不一致会影响供水系统的运行质量和安全，为得到准确的摩阻因数以反馈设计，以及对运行中的供水系统进行系统诊断和优化调度，提出一种基于混合粒子群优化算法（hybrid particle swarm optimization,HPSO）和管网水力计算模型的管段摩阻因数智能反分析方法，该方法以监测点处的水压监测值与水力计算模拟水压值的二乘误差最小为目标，通过HPSO的强大全局寻优能力计算不同管段的摩阻因数。对室内试验管网模型的反演结果表明：采用正常工况下反演得到的摩阻因数模拟水压监测点处水压与实际测量值之间误差最大为2.87%；在爆管工况下，水压模拟值与实际测量值最大相对误差为2.63%，说明通过该方法进行摩阻因数的反演具有较强的稳定性。
由于运行中管道实际摩阻因数与设计采用值的不一致会影响供水系统的运行质量和安全，为得到准确的摩阻因数以反馈设计，以及对运行中的供水系统进行系统诊断和优化调度，提出一种基于混合粒子群优化算法（hybrid particle swarm optimization,HPSO）和管网水力计算模型的管段摩阻因数智能反分析方法，该方法以监测点处的水压监测值与水力计算模拟水压值的二乘误差最小为目标，通过HPSO的强大全局寻优能力计算不同管段的摩阻因数。对室内试验管网模型的反演结果表明：采用正常工况下反演得到的摩阻因数模拟水压监测点处水压与实际测量值之间误差最大为2.87%；在爆管工况下，水压模拟值与实际测量值最大相对误差为2.63%，说明通过该方法进行摩阻因数的反演具有较强的稳定性。
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