南水北调与水利科技（中英文）
2023年第5期文章目次
2023(5):833-842.
摘要:
以塔里木河流域为例，对天然绿洲和人工绿洲面积进行遥感解译，设置灌溉面积扩张（现实）和维持不变（理想）两种实例，对比分析 1990—2020 年平原绿洲耗水平衡和用水效率，从灌溉面积扩张视角对灌溉效率悖论成因 进行探讨。结果表明：现实实例下，36 亿m3净节水量被用于扩大灌溉面积，人工和天然绿洲耗水比从 4∶6 转变 为 6∶4，产生了严重的灌溉效率悖论；理想实例下，人工和天然绿洲耗水比维持在 4∶6，产生真实节水量 24 亿m3， 可避免灌溉效率悖论的产生。灌溉效率悖论的产生是连续丰水年出现、节水技术推广、种植结构调整和灌溉面 积扩张等因素综合作用的结果，30 年来灌溉面积扩张对塔里木河流域灌溉效率悖论的产生起主导作用。
以塔里木河流域为例，对天然绿洲和人工绿洲面积进行遥感解译，设置灌溉面积扩张（现实）和维持不变（理想）两种实例，对比分析 1990—2020 年平原绿洲耗水平衡和用水效率，从灌溉面积扩张视角对灌溉效率悖论成因 进行探讨。结果表明：现实实例下，36 亿m3净节水量被用于扩大灌溉面积，人工和天然绿洲耗水比从 4∶6 转变 为 6∶4，产生了严重的灌溉效率悖论；理想实例下，人工和天然绿洲耗水比维持在 4∶6，产生真实节水量 24 亿m3， 可避免灌溉效率悖论的产生。灌溉效率悖论的产生是连续丰水年出现、节水技术推广、种植结构调整和灌溉面 积扩张等因素综合作用的结果，30 年来灌溉面积扩张对塔里木河流域灌溉效率悖论的产生起主导作用。
2023(5):843-861,950.
摘要:
以潮白河流域 12 个站点为研究对象，选取 12 个站点的未来 12?h 不同预见期的预报降水数据，构建基于支 持 向 量机 (support?vector?machine,SVM)模型、随机森林 (random?forest,RF)模型和多层感知机(multilayer perceptron，MLP) 模型的不同预见期预报降雨校正模型，模型输入为站点对应网格及其周边 8 个网格的降雨预报 数据，模型参数采用贝叶斯优化技术进行估计。利用均方根误差和确定性系数评估各模型对不同预见期预报降 水的校正效果。结果表明：未经校正的原始预报在不同预见期的预报精度均较差；各个误差校正模型在率定期与 验证期对不同预见期降雨均具有较好的校正效果；经 SVM、RF 和 MLP 模型校正后，均方根误差的平均值在率定 期分别降低了：54.2%、50.0% 和 20.8%，在验证期分别降低 42.9%、33.3% 和 14.3%；确定性系数的平均值在率定期 与验证期也均有显著提高；3 个误差校正模型中，SVM 模型表现最优，RF 模型次之。研究成果可为其他流域数值 降雨预报数据校正提供参考。
以潮白河流域 12 个站点为研究对象，选取 12 个站点的未来 12?h 不同预见期的预报降水数据，构建基于支 持 向 量机 (support?vector?machine,SVM)模型、随机森林 (random?forest,RF)模型和多层感知机(multilayer perceptron，MLP) 模型的不同预见期预报降雨校正模型，模型输入为站点对应网格及其周边 8 个网格的降雨预报 数据，模型参数采用贝叶斯优化技术进行估计。利用均方根误差和确定性系数评估各模型对不同预见期预报降 水的校正效果。结果表明：未经校正的原始预报在不同预见期的预报精度均较差；各个误差校正模型在率定期与 验证期对不同预见期降雨均具有较好的校正效果；经 SVM、RF 和 MLP 模型校正后，均方根误差的平均值在率定 期分别降低了：54.2%、50.0% 和 20.8%，在验证期分别降低 42.9%、33.3% 和 14.3%；确定性系数的平均值在率定期 与验证期也均有显著提高；3 个误差校正模型中，SVM 模型表现最优，RF 模型次之。研究成果可为其他流域数值 降雨预报数据校正提供参考。
2023(5):862-872.
摘要:
水源涵养能力是生态系统服务功能的重要体现，为探究变化环境下的流域水源涵养状况，支撑流域生态保 护和经济发展，构建沁河流域 SWAT（soil?and?water?assessment?tool）模型，基于元胞自动机马尔科夫（celluar automata-Markov，CA-Markov）模型预测未来 2030 年土地利用状况，结合第六次国际耦合模式比较计划 (coupled model?intercomparison?project?phase?6，CMIP6)?气象数据，模拟流域未来降水、蒸发和径流，依据水量平衡原理，分 析历史和未来年份流域水源涵养能力的时空变化特征。时间维度上：2010—2016 年沁河流域水源涵养能力呈波 动上升趋势，多年平均水源涵养量为 49?mm，多年平均水源涵养率为 8%；2024—2030 年水源涵养能力呈波动下降 趋势，多年平均水源涵养量为 51?mm，多年平均水源涵养率为 10%。空间维度上：2010、2015 和 2025 年流域水源 涵养能力呈现从上游到下游递增的趋势，2030 年则呈现从上游到下游递减的趋势。整体来看，流域多年平均水源 涵养量不足 100?mm，且各年份均有子流域的水源涵养量出现负值，流域水源涵养能力较差。研究结果可为流域 水资源管理、协同保护和发展以及改善人水关系提供科学参考和数据支撑。
水源涵养能力是生态系统服务功能的重要体现，为探究变化环境下的流域水源涵养状况，支撑流域生态保 护和经济发展，构建沁河流域 SWAT（soil?and?water?assessment?tool）模型，基于元胞自动机马尔科夫（celluar automata-Markov，CA-Markov）模型预测未来 2030 年土地利用状况，结合第六次国际耦合模式比较计划 (coupled model?intercomparison?project?phase?6，CMIP6)?气象数据，模拟流域未来降水、蒸发和径流，依据水量平衡原理，分 析历史和未来年份流域水源涵养能力的时空变化特征。时间维度上：2010—2016 年沁河流域水源涵养能力呈波 动上升趋势，多年平均水源涵养量为 49?mm，多年平均水源涵养率为 8%；2024—2030 年水源涵养能力呈波动下降 趋势，多年平均水源涵养量为 51?mm，多年平均水源涵养率为 10%。空间维度上：2010、2015 和 2025 年流域水源 涵养能力呈现从上游到下游递增的趋势，2030 年则呈现从上游到下游递减的趋势。整体来看，流域多年平均水源 涵养量不足 100?mm，且各年份均有子流域的水源涵养量出现负值，流域水源涵养能力较差。研究结果可为流域 水资源管理、协同保护和发展以及改善人水关系提供科学参考和数据支撑。
2023(5):873-885.
摘要:
为对河北省水资源保障度进行客观、有效的评价，确保水资源自然循环系统在不受人们破坏或者威胁的情 况下能满足国家或区域各方面发展需求的自然保障作用，基于驱动力-压力-状态-影响-响应（driving-pressure-state- impact-response，DPSIR）模型初步构建水资源保障度评价体系，通过收集河北省相关数据，对初选评价指标相关性 分析和筛选，确定水资源保障度评价体系，引入变异系数法和秩和比法组合赋权的 TOPSIS（technique?for?order preference?by?similarity?to?an?ideal?solution）模型，对河北省 2001—2020 年的水资源保障度状况开展综合评价，并对 评价结果进行障碍因子诊断。结果表明：河北省在 2001—2020 年水资源保障度的相对贴近度从 0.217 增加到 0.745，呈现波动式增长趋势，水资源保障度整体趋向于较高状态，这说明河北省水资源保障度状况正在逐步改善， 与响应子系统中的跨流域供水占比提高密切相关；大部分年份主要障碍因子为跨流域供水占比、工业废水化学需 氧量、人均 GDP、生活废水化学需氧量和万元 GDP 用水量等 5 个指标。DPSIR-博弈论组合赋权 TOPSIS 模型对 水资源保障度演进评价具有较好的客观性和适用性，对该地区经济社会和生态环境的发展具有重要意义。
为对河北省水资源保障度进行客观、有效的评价，确保水资源自然循环系统在不受人们破坏或者威胁的情 况下能满足国家或区域各方面发展需求的自然保障作用，基于驱动力-压力-状态-影响-响应（driving-pressure-state- impact-response，DPSIR）模型初步构建水资源保障度评价体系，通过收集河北省相关数据，对初选评价指标相关性 分析和筛选，确定水资源保障度评价体系，引入变异系数法和秩和比法组合赋权的 TOPSIS（technique?for?order preference?by?similarity?to?an?ideal?solution）模型，对河北省 2001—2020 年的水资源保障度状况开展综合评价，并对 评价结果进行障碍因子诊断。结果表明：河北省在 2001—2020 年水资源保障度的相对贴近度从 0.217 增加到 0.745，呈现波动式增长趋势，水资源保障度整体趋向于较高状态，这说明河北省水资源保障度状况正在逐步改善， 与响应子系统中的跨流域供水占比提高密切相关；大部分年份主要障碍因子为跨流域供水占比、工业废水化学需 氧量、人均 GDP、生活废水化学需氧量和万元 GDP 用水量等 5 个指标。DPSIR-博弈论组合赋权 TOPSIS 模型对 水资源保障度演进评价具有较好的客观性和适用性，对该地区经济社会和生态环境的发展具有重要意义。
2023(5):886-894.
摘要:
超前洪水预估精度不高一直困扰防洪决策，为解决这一技术难题，提出一种基于暴雨洪水知识的相似性分 析方法，进行洪水预报预测。该方法从历史典型暴雨洪水知识中提取多要素特征指标，基于欧氏距离进行当前与 历史暴雨洪水的特征指标相似性判别，根据判别出的最相似洪水，经“峰-量”联合修正消除非一致性后，实时外推 预估未来洪水过程，构成一套完整的“多要素特征指标提取-历史暴雨洪水相似性判别-实时洪水修正外推预估” 技术。在沂河蒙阴站的应用结果表明，基于“降雨-径流”关系，对判别出的最相似洪水进行修正，显著提高了外推 预估洪水精度，洪峰流量相对误差δQm 的范围降至 10% 附近，峰现时间绝对误差ΔT的范围降至±2h 以内，径流深 相对误差δR的范围降至±20% 以内，且随着时间推移，精度水平不断提高。该套技术方法能够挖掘隐含在历史暴 雨洪水数据中的相似性，超前预估当前洪水变化过程，为洪水预报提供一种新的技术参考。
超前洪水预估精度不高一直困扰防洪决策，为解决这一技术难题，提出一种基于暴雨洪水知识的相似性分 析方法，进行洪水预报预测。该方法从历史典型暴雨洪水知识中提取多要素特征指标，基于欧氏距离进行当前与 历史暴雨洪水的特征指标相似性判别，根据判别出的最相似洪水，经“峰-量”联合修正消除非一致性后，实时外推 预估未来洪水过程，构成一套完整的“多要素特征指标提取-历史暴雨洪水相似性判别-实时洪水修正外推预估” 技术。在沂河蒙阴站的应用结果表明，基于“降雨-径流”关系，对判别出的最相似洪水进行修正，显著提高了外推 预估洪水精度，洪峰流量相对误差δQm 的范围降至 10% 附近，峰现时间绝对误差ΔT的范围降至±2h 以内，径流深 相对误差δR的范围降至±20% 以内，且随着时间推移，精度水平不断提高。该套技术方法能够挖掘隐含在历史暴 雨洪水数据中的相似性，超前预估当前洪水变化过程，为洪水预报提供一种新的技术参考。
2023(5):895-906.
摘要:
针对现有的水工程调度研究缺乏考虑温室气体管控目标，构建面向温室气体管控的水工程多目标优化调度 模型。采用第二代非支配排序遗传算法（Nondominated?Sorting?Genetic?Algorithm-II，NSGA-Ⅱ）高效求解调度模型， 推求考虑温室气体管控、水华防控与发电调度目标的 Pareto 前沿解集，解析调度目标之间的协同与竞争关系，以 汉江中下游 2017—2021 年枯水期的水华事件为实例开展相关研究。结果表明：温室气体管控目标同水华防控、 发电调度目标均呈现竞争关系；相比常规调度方案，优化调度方案可增加发电量 0.3 亿 kW·h（增幅 4.5%）、可减少 温室气体净排放 CO2当量 1.56?Gg（减幅 1.2%），协调方案的三目标效益均更优；协调方案可有效提升水工程综合 效益。研究成果可为实现碳减排与河流水环境水生态保障调控提供技术支撑。
针对现有的水工程调度研究缺乏考虑温室气体管控目标，构建面向温室气体管控的水工程多目标优化调度 模型。采用第二代非支配排序遗传算法（Nondominated?Sorting?Genetic?Algorithm-II，NSGA-Ⅱ）高效求解调度模型， 推求考虑温室气体管控、水华防控与发电调度目标的 Pareto 前沿解集，解析调度目标之间的协同与竞争关系，以 汉江中下游 2017—2021 年枯水期的水华事件为实例开展相关研究。结果表明：温室气体管控目标同水华防控、 发电调度目标均呈现竞争关系；相比常规调度方案，优化调度方案可增加发电量 0.3 亿 kW·h（增幅 4.5%）、可减少 温室气体净排放 CO2当量 1.56?Gg（减幅 1.2%），协调方案的三目标效益均更优；协调方案可有效提升水工程综合 效益。研究成果可为实现碳减排与河流水环境水生态保障调控提供技术支撑。
2023(5):907-916.
摘要:
以内蒙古高原浑善达克沙地内骏马湖水下地形测绘数据为基础，构建湖泊结构特征曲线；基于遥感数据提 取 1991—2021 年骏马湖面积，反演出 30 年来其水位与容积的演化特征；建立其水量平衡方程，定量分析降水、蒸 发和地下水补给量等水量平衡要素的变化趋势及相互作用模式，识别出不同阶段湖泊萎缩的主控因素。计算结 果显示：骏马湖容量由 1991 年的 1?450 万m3波动下降至 2021 年的 380 万m3，年均变化率为?34 万m3/a，降水量、 蒸发量和地下水补给量均呈现减少趋势，年均变化率分别为?10 万、?7 万和?5 万m3/a。2006 年前，湖泊呈微弱的 负均衡状态；2006 年后，地下水补给量显著减少，导致湖泊水量负均衡加剧、萎缩速率加快。结果表明：2006 年前， 气候暖干化是导致湖泊萎缩的主要因素；2006 年至今，流域地下水资源大量开采导致湖泊水量失衡，人类活动成 为湖泊萎缩的主控因子。降低地下水资源开发利用量，提高水资源利用效率，可有效减缓浑善达克沙地湖泊群的 萎缩退化进度。
以内蒙古高原浑善达克沙地内骏马湖水下地形测绘数据为基础，构建湖泊结构特征曲线；基于遥感数据提 取 1991—2021 年骏马湖面积，反演出 30 年来其水位与容积的演化特征；建立其水量平衡方程，定量分析降水、蒸 发和地下水补给量等水量平衡要素的变化趋势及相互作用模式，识别出不同阶段湖泊萎缩的主控因素。计算结 果显示：骏马湖容量由 1991 年的 1?450 万m3波动下降至 2021 年的 380 万m3，年均变化率为?34 万m3/a，降水量、 蒸发量和地下水补给量均呈现减少趋势，年均变化率分别为?10 万、?7 万和?5 万m3/a。2006 年前，湖泊呈微弱的 负均衡状态；2006 年后，地下水补给量显著减少，导致湖泊水量负均衡加剧、萎缩速率加快。结果表明：2006 年前， 气候暖干化是导致湖泊萎缩的主要因素；2006 年至今，流域地下水资源大量开采导致湖泊水量失衡，人类活动成 为湖泊萎缩的主控因子。降低地下水资源开发利用量，提高水资源利用效率，可有效减缓浑善达克沙地湖泊群的 萎缩退化进度。
2023(5):917-929.
摘要:
为减少以调水和蓄水工程为主体的区域水网建设对生态环境的影响，以大通河为研究对象，筛选 9 种水文 学方法计算青石嘴、天堂、享堂 3 个关键控制断面 12 种不同的生态流量过程，基于过去 60 年径流时空分布以及 水-能源-生态（water-energy-ecosystem，WEE）纽带模型，开展生态调度计算分析。结果显示：大通河干流河道内生 态流量过程沿程增加，青石嘴、天堂、享堂 3 个断面年生态需水总量分别为 1.62 亿~14.54 亿m3、2.46 亿~22.04 亿m3和 2.88 亿~25.46 亿m3，且均以 Q90_Q50方法为最大，Tennant（10%）方法为最小；在不同生态需水约束下，引大济 湟工程调水规模介于 2.25 亿~8.81 亿m3，占流域多年平均径流量的 7.8%~30.5%；生态需水保障率整体表现为非汛 期高于汛期，上游高于下游。兼顾生态环境保护与经济社会发展双重目标，为合理确定调水规模提供技术支撑。
为减少以调水和蓄水工程为主体的区域水网建设对生态环境的影响，以大通河为研究对象，筛选 9 种水文 学方法计算青石嘴、天堂、享堂 3 个关键控制断面 12 种不同的生态流量过程，基于过去 60 年径流时空分布以及 水-能源-生态（water-energy-ecosystem，WEE）纽带模型，开展生态调度计算分析。结果显示：大通河干流河道内生 态流量过程沿程增加，青石嘴、天堂、享堂 3 个断面年生态需水总量分别为 1.62 亿~14.54 亿m3、2.46 亿~22.04 亿m3和 2.88 亿~25.46 亿m3，且均以 Q90_Q50方法为最大，Tennant（10%）方法为最小；在不同生态需水约束下，引大济 湟工程调水规模介于 2.25 亿~8.81 亿m3，占流域多年平均径流量的 7.8%~30.5%；生态需水保障率整体表现为非汛 期高于汛期，上游高于下游。兼顾生态环境保护与经济社会发展双重目标，为合理确定调水规模提供技术支撑。
2023(5):930-939.
摘要:
为探讨低影响开发（low?impact?development，LID）设施对缓解城市洪涝灾害以及削减污染负荷的效果，选取 绿色屋顶、雨水花园、透水铺装和雨水罐 4 种 LID 设施，通过构建暴雨洪水管理模型（storm?water?management model，SWMM），并根据实际地形和管网走向将研究区汇水面分为不同分区，分析 LID 设施组合在 7 种布设方案 下对径流控制和雨水污染负荷减排的影响。结果表明：对于 7 种布设方案，LID 设施组合均能有效削减径流量和 雨水污染负荷，且分区布设时，LID 设施组合在上中游分区对径流量的控制效果较好；在相同设计降雨重现期下， 各布设方案的削减效果依次为全区>上中游分区>中下游分区>上下游分区>下游分区>中游分区>上游分区；LID 设施组合布设在下游分区时的径流量削减率较布设在上游分区提升 5.19%～6.82%，布设在上中游分区较布设在 上下游分区提升 1.87%～3.62%，较布设在下游分区提升 16.48%~18.97%；LID 设施组合全区布设较布设在下游分区 提升 29.60%～31.17%，较布设在上中游分区提升 12.20%～13.12%。因此，在海绵城市规划建设之前建议全区按需 布设 LID 设施，在进行老旧小区改造时可着重考虑将 LID 设施布设在上中游分区。
为探讨低影响开发（low?impact?development，LID）设施对缓解城市洪涝灾害以及削减污染负荷的效果，选取 绿色屋顶、雨水花园、透水铺装和雨水罐 4 种 LID 设施，通过构建暴雨洪水管理模型（storm?water?management model，SWMM），并根据实际地形和管网走向将研究区汇水面分为不同分区，分析 LID 设施组合在 7 种布设方案 下对径流控制和雨水污染负荷减排的影响。结果表明：对于 7 种布设方案，LID 设施组合均能有效削减径流量和 雨水污染负荷，且分区布设时，LID 设施组合在上中游分区对径流量的控制效果较好；在相同设计降雨重现期下， 各布设方案的削减效果依次为全区>上中游分区>中下游分区>上下游分区>下游分区>中游分区>上游分区；LID 设施组合布设在下游分区时的径流量削减率较布设在上游分区提升 5.19%～6.82%，布设在上中游分区较布设在 上下游分区提升 1.87%～3.62%，较布设在下游分区提升 16.48%~18.97%；LID 设施组合全区布设较布设在下游分区 提升 29.60%～31.17%，较布设在上中游分区提升 12.20%～13.12%。因此，在海绵城市规划建设之前建议全区按需 布设 LID 设施，在进行老旧小区改造时可着重考虑将 LID 设施布设在上中游分区。
2023(5):940-950.
摘要:
为解决因水库数据采集设备能力有限、水文数据不全导致预测水库水位时预测精度较低的问题，以四岭水 库每小时水位监测数据为例，提出基于嵌入式-门控循环单元（Embedding-gated?recurrent?unit，Embedding-GRU）的 水库水位预测模型，即利用 Embedding 方法将单维降雨量数据升维至多维数据，扩大降雨的气候特征，结合 GRU 算法进行水库水位预测。将该模型与传统深度学习算法长短期记忆（long?short-term?memory，LSTM）、门控循环单 元（gated?recurrent?unit，GRU）、双向门控循环单元（bidirectional?recurrent?neural?network，BiGRU）这 3 种模型对比， 结果显示：Embedding-GRU 模型的预测效果均优于其他传统模型，平均绝对误差 EMA和均方根误差 ERMS分别平均 下降 19.6% 和 7.7%，并且在预测次日水库水位的应用场景中决定系数 R2能够达到 0.98937。结果表明：该模型耦 合多种算法，扩大单变量的气候特征，具有较高预测精度和泛化能力。相较传统模型，基于 Embedding-GRU 的水 库水位预测模型能够对缺少温度、气压、风速、蒸发量等监测数据的水库进行可靠度较高的预测，适用水库范围 更广，为水库日常运维、除险加固提供参考。
为解决因水库数据采集设备能力有限、水文数据不全导致预测水库水位时预测精度较低的问题，以四岭水 库每小时水位监测数据为例，提出基于嵌入式-门控循环单元（Embedding-gated?recurrent?unit，Embedding-GRU）的 水库水位预测模型，即利用 Embedding 方法将单维降雨量数据升维至多维数据，扩大降雨的气候特征，结合 GRU 算法进行水库水位预测。将该模型与传统深度学习算法长短期记忆（long?short-term?memory，LSTM）、门控循环单 元（gated?recurrent?unit，GRU）、双向门控循环单元（bidirectional?recurrent?neural?network，BiGRU）这 3 种模型对比， 结果显示：Embedding-GRU 模型的预测效果均优于其他传统模型，平均绝对误差 EMA和均方根误差 ERMS分别平均 下降 19.6% 和 7.7%，并且在预测次日水库水位的应用场景中决定系数 R2能够达到 0.98937。结果表明：该模型耦 合多种算法，扩大单变量的气候特征，具有较高预测精度和泛化能力。相较传统模型，基于 Embedding-GRU 的水 库水位预测模型能够对缺少温度、气压、风速、蒸发量等监测数据的水库进行可靠度较高的预测，适用水库范围 更广，为水库日常运维、除险加固提供参考。
2023(5):951-961.
摘要:
为探究自然因素和人类活动对水域景观格局演变产生的影响，以水域空间演变为主线，通过空间计算、景观 指数分析和统计分析等，对梁子湖流域 2000—2020 年水域转移状况、空间自相关特征、景观格局变化以及驱动 因子进行研究。结果表明：2000—2020 年梁子湖流域水域面积减少约 21%，减少面积中约 95% 转为耕地，建筑用 地面积增长超 4 倍，约 90% 来自耕地的转入；近 10 年水域空间聚集面积减少约 23%，水域分布关联性正在减弱； 水域景观特征在流域上下游差异显著，上游水域面积和形状基本稳定，聚集性和连通性均优于下游，下游水域面 积萎缩近一半，阻隔作用明显，岸线趋于规整；降水、气温、GDP、人口以及耕地和建筑用地面积比例解释了水域 景观变化的 54.7%，城镇化进程和农业生产活动是主要影响因子，其中人口增长和耕地开发对水域面积萎缩贡献 更大，GDP 增长和城镇化进程对水域边界复杂度和连通性的影响更明显。研究结果可为梁子湖流域水域景观保 护修复提供参考。
为探究自然因素和人类活动对水域景观格局演变产生的影响，以水域空间演变为主线，通过空间计算、景观 指数分析和统计分析等，对梁子湖流域 2000—2020 年水域转移状况、空间自相关特征、景观格局变化以及驱动 因子进行研究。结果表明：2000—2020 年梁子湖流域水域面积减少约 21%，减少面积中约 95% 转为耕地，建筑用 地面积增长超 4 倍，约 90% 来自耕地的转入；近 10 年水域空间聚集面积减少约 23%，水域分布关联性正在减弱； 水域景观特征在流域上下游差异显著，上游水域面积和形状基本稳定，聚集性和连通性均优于下游，下游水域面 积萎缩近一半，阻隔作用明显，岸线趋于规整；降水、气温、GDP、人口以及耕地和建筑用地面积比例解释了水域 景观变化的 54.7%，城镇化进程和农业生产活动是主要影响因子，其中人口增长和耕地开发对水域面积萎缩贡献 更大，GDP 增长和城镇化进程对水域边界复杂度和连通性的影响更明显。研究结果可为梁子湖流域水域景观保 护修复提供参考。
2023(5):962-971.
摘要:
从植被类型、植被物候、气候因子时滞效应等方面研究 2001 年以来河北山区归一化植被指数（normalized difference?vegetation?index，NDVI）演变规律，并将气候因子时滞效应引入多元线性回归方法中，识别气候因子和人 类活动对河北山区 NDVI 演变的贡献。结果表明：2001—2022 年河北山区 NDVI 呈持续增长趋势，平均增速为 0.0037/a，其中乔木林、灌木林和草地 3 种植被类型增速分别为 0.0035/a、0.0040/a 和 0.0038/a；受气候变化影响， 河北山区植被生长季变长，生长季开始时间平均提前 9d，而生长季结束时间仅提前 1d；降水对植被 NDVI 的影响 主要发生在当月，而气温和潜在蒸散发对植被 NDVI 的影响存在 1 个月的滞后性，考虑气候因子的时滞效应后，气 候变化和人类活动对河北山区 NDVI 演变的贡献分别为 39% 和 61%，与不考虑气候因子时滞效应对比，多元线性 回归的决定系数由 0.80 提高到 0.87。人工水保措施是河北山区植被 NDVI 增长的主导因素，对快速改善山区生 态环境至关重要，同时 2001 年以来降水、气温等气候因素也有利于植被恢复，对植被条件较好的区域，应以自然 恢复为主，实现自然条件下的生态平衡。研究结果对优化山区水土保持工作方案，提高植被修复措施效果具有重要意义。
从植被类型、植被物候、气候因子时滞效应等方面研究 2001 年以来河北山区归一化植被指数（normalized difference?vegetation?index，NDVI）演变规律，并将气候因子时滞效应引入多元线性回归方法中，识别气候因子和人 类活动对河北山区 NDVI 演变的贡献。结果表明：2001—2022 年河北山区 NDVI 呈持续增长趋势，平均增速为 0.0037/a，其中乔木林、灌木林和草地 3 种植被类型增速分别为 0.0035/a、0.0040/a 和 0.0038/a；受气候变化影响， 河北山区植被生长季变长，生长季开始时间平均提前 9d，而生长季结束时间仅提前 1d；降水对植被 NDVI 的影响 主要发生在当月，而气温和潜在蒸散发对植被 NDVI 的影响存在 1 个月的滞后性，考虑气候因子的时滞效应后，气 候变化和人类活动对河北山区 NDVI 演变的贡献分别为 39% 和 61%，与不考虑气候因子时滞效应对比，多元线性 回归的决定系数由 0.80 提高到 0.87。人工水保措施是河北山区植被 NDVI 增长的主导因素，对快速改善山区生 态环境至关重要，同时 2001 年以来降水、气温等气候因素也有利于植被恢复，对植被条件较好的区域，应以自然 恢复为主，实现自然条件下的生态平衡。研究结果对优化山区水土保持工作方案，提高植被修复措施效果具有重要意义。
2023(5):972-984.
摘要:
天津北大港水库水质存在咸化问题，水质咸化可能会导致微生物群落组成和多样性发生显著变化。为探究 水质咸化条件下水库微生物群落组成的空间分布特征，于 2021 年 12 月在北大港水库采集表层、中层和底层的水 样，利用高通量测序技术，对北大港水库不同深度及上下游的微生物群落组成及多样性进行分析，并探究溶解性 总固体与微生物群落的关系。结果表明：北大港水库的溶解性总固体（total?dissolved?solids,TDS）质量浓度在表层、 中层和底层存在差异，下游高于上游。微生物的主要优势菌门为变形菌门、拟杆菌门和放线菌门，变形菌门的相 对丰度均超过 50%。优势菌属是 Clade_III 未定属（相对丰度 1.10％～72.72％）和黄杆菌属（Flavobacterium相对丰 度 0.32％～20.09％），Clade_III 未定属的相对丰度上游高于下游，黄杆菌属的相对丰度表层高于中层和底层。上 游水体表层的微生物群落组成与中层、底层的微生物群落组成存在显著差异，下游在不同深度微生物群落组成差 异不显著，中层和底层的微生物群落组成存在相似性。Chao1 和 Shannon 指数表现出表层<中层<底层，下游略高 于上游，微生物 Alpha 多样性指数随 TDS 质量浓度的增大而减小。在科水平上，Clade_Ⅲ能够耐受较高的盐度，但 当 TDS 质量浓度>3?000?mg/L 时其丰度降低。
天津北大港水库水质存在咸化问题，水质咸化可能会导致微生物群落组成和多样性发生显著变化。为探究 水质咸化条件下水库微生物群落组成的空间分布特征，于 2021 年 12 月在北大港水库采集表层、中层和底层的水 样，利用高通量测序技术，对北大港水库不同深度及上下游的微生物群落组成及多样性进行分析，并探究溶解性 总固体与微生物群落的关系。结果表明：北大港水库的溶解性总固体（total?dissolved?solids,TDS）质量浓度在表层、 中层和底层存在差异，下游高于上游。微生物的主要优势菌门为变形菌门、拟杆菌门和放线菌门，变形菌门的相 对丰度均超过 50%。优势菌属是 Clade_III 未定属（相对丰度 1.10％～72.72％）和黄杆菌属（Flavobacterium相对丰 度 0.32％～20.09％），Clade_III 未定属的相对丰度上游高于下游，黄杆菌属的相对丰度表层高于中层和底层。上 游水体表层的微生物群落组成与中层、底层的微生物群落组成存在显著差异，下游在不同深度微生物群落组成差 异不显著，中层和底层的微生物群落组成存在相似性。Chao1 和 Shannon 指数表现出表层<中层<底层，下游略高 于上游，微生物 Alpha 多样性指数随 TDS 质量浓度的增大而减小。在科水平上，Clade_Ⅲ能够耐受较高的盐度，但 当 TDS 质量浓度>3?000?mg/L 时其丰度降低。
2023(5):985-995.
摘要:
以海河流域为研究区域，通过 InVEST 模型对 1990—2020 年碳储量状况进行分阶段定量反演，并结合 Markov-PLUS 模型从数量与空间角度进行未来模拟，最终明确流域碳储量发展趋势及关键驱动因素。结果表明：1990— 2020 年海河流域碳储量共减少 1.30 亿t，耕地碳储量损失最大；碳储量高值主要集中在西部与北部山地地区，低值 分布于东南部平原地区。人口密度在各阶段解释力占比均超过 20%，且呈现增加趋势；年均降水对碳储量空间分 异影响最小，最低占 0.21%。各因子相互作用对碳储量空间分异解释力显著提高，人口密度与其他因子交互作用 对碳储量变化的解释力最强。Markov-PLUS-InVEST 预测结果显示，在城市快速发展情景下，2030 年碳储量与 2020 年基本持平，但生态保护情景增加 0.88 亿t。相关结论可为海河流域进行土地类型间的生态调控及未来规划 发展提供理论支撑。
以海河流域为研究区域，通过 InVEST 模型对 1990—2020 年碳储量状况进行分阶段定量反演，并结合 Markov-PLUS 模型从数量与空间角度进行未来模拟，最终明确流域碳储量发展趋势及关键驱动因素。结果表明：1990— 2020 年海河流域碳储量共减少 1.30 亿t，耕地碳储量损失最大；碳储量高值主要集中在西部与北部山地地区，低值 分布于东南部平原地区。人口密度在各阶段解释力占比均超过 20%，且呈现增加趋势；年均降水对碳储量空间分 异影响最小，最低占 0.21%。各因子相互作用对碳储量空间分异解释力显著提高，人口密度与其他因子交互作用 对碳储量变化的解释力最强。Markov-PLUS-InVEST 预测结果显示，在城市快速发展情景下，2030 年碳储量与 2020 年基本持平，但生态保护情景增加 0.88 亿t。相关结论可为海河流域进行土地类型间的生态调控及未来规划 发展提供理论支撑。
2023(5):996-1005.
摘要:
干旱遭遇会严重影响跨流域调水工程的效益发挥，为科学评估引江济淮工程水源区和受水区的干旱遭遇风 险，采用标准化降水蒸散指数（standardized?precipitation?evapotranspiration?index，SPEI）和 Copula 理论构建水源区和 受水区干旱指数的联合分布，分析历史和未来两个区域干旱演变规律以及干旱遭遇风险变化。结果表明： 1960—2020 年水源区和受水区发生干旱的频率分别为 27.32% 和 29.78%；未来情景下两个区域干旱发生频率均 有明显增加，尤其高排放情景下特旱发生频率增加超过 10%；非汛期水源区和受水区同时发生干旱的概率比汛期 高 5.49%；未来汛期和全年干旱遭遇频率预计有明显增加，非汛期干旱遭遇频率略有降低；在中高排放情景下 （SSP2-4.5 和 SSP5-8.5），远期干旱遭遇频率相对更高。干旱遭遇风险增加对跨流域调水工程效益发挥带来了巨大 挑战，因此迫切需要制定适应性策略，为调水工程正常运行管理和水资源可持续利用提供保障。
干旱遭遇会严重影响跨流域调水工程的效益发挥，为科学评估引江济淮工程水源区和受水区的干旱遭遇风 险，采用标准化降水蒸散指数（standardized?precipitation?evapotranspiration?index，SPEI）和 Copula 理论构建水源区和 受水区干旱指数的联合分布，分析历史和未来两个区域干旱演变规律以及干旱遭遇风险变化。结果表明： 1960—2020 年水源区和受水区发生干旱的频率分别为 27.32% 和 29.78%；未来情景下两个区域干旱发生频率均 有明显增加，尤其高排放情景下特旱发生频率增加超过 10%；非汛期水源区和受水区同时发生干旱的概率比汛期 高 5.49%；未来汛期和全年干旱遭遇频率预计有明显增加，非汛期干旱遭遇频率略有降低；在中高排放情景下 （SSP2-4.5 和 SSP5-8.5），远期干旱遭遇频率相对更高。干旱遭遇风险增加对跨流域调水工程效益发挥带来了巨大 挑战，因此迫切需要制定适应性策略，为调水工程正常运行管理和水资源可持续利用提供保障。
2023(5):1006-1012.
摘要:
围绕引江济淮工程膨胀土地段河渠边坡水泥改性土换填层易碱化板结、植物难以生长和局部弱膨胀土渠坡 的简化处理等工程实际问题，以生态优先、技术创新为原则，采用现场试验、室内单元体测试和数值分析等手段， 开展系统的研究工作。研发一种改善水泥改性土种植效果的生态基材，提出一种新型膨胀土双层护坡结构，并研 究提出根据实际土层膨胀特性和含水状态进行弱膨胀土边坡的处理原则。现场中试和运用效果表明：研发的生 态基材能适应水泥改性土的种植需要，使边坡实现良好的绿化效果，双层护坡结构较好地实现了膨胀土边坡防止 降雨入渗和水分蒸发的双重防护要求；同时，还可利用砂土层的压重效果，抑制土层的膨胀变形。研究成果为引 江济淮的工程设计和后期运行管理提供了技术支撑，同时，也为膨胀土地段渠坡生态处治探寻了新的方向。
围绕引江济淮工程膨胀土地段河渠边坡水泥改性土换填层易碱化板结、植物难以生长和局部弱膨胀土渠坡 的简化处理等工程实际问题，以生态优先、技术创新为原则，采用现场试验、室内单元体测试和数值分析等手段， 开展系统的研究工作。研发一种改善水泥改性土种植效果的生态基材，提出一种新型膨胀土双层护坡结构，并研 究提出根据实际土层膨胀特性和含水状态进行弱膨胀土边坡的处理原则。现场中试和运用效果表明：研发的生 态基材能适应水泥改性土的种植需要，使边坡实现良好的绿化效果，双层护坡结构较好地实现了膨胀土边坡防止 降雨入渗和水分蒸发的双重防护要求；同时，还可利用砂土层的压重效果，抑制土层的膨胀变形。研究成果为引 江济淮的工程设计和后期运行管理提供了技术支撑，同时，也为膨胀土地段渠坡生态处治探寻了新的方向。
2023(5):1013-1020.
摘要:
构建南水北调中线干渠局部一维非恒定渐变流模型，以“刁河闸—湍河闸”渠池为例，测试闸门调控方式和 渠道运行条件对闸前壅水峰值水位、达到峰值水位所用时间、水力振荡频率、水力振荡幅度等水力响应特性的影 响。研究表明：水力振荡上升过程快，下降过程慢，波幅随时间呈对数函数衰减；闸前壅水峰值水位随闸门关闭速 度、闸门关闭幅度、输水流量、运行水位、渠道糙率的减小而近似线性地减小；达到峰值水位所用时间对输水流量、 运行水位和糙率变化不敏感，随闸门关闭幅度和输水流量的增加而近似线性减小；水力振荡频率对闸门关闭所用 时间、闸门关闭幅度、输水流量和糙率变化不敏感；水力振荡幅度对运行水位、糙率变化不敏感，随输水流量的增 大而快速衰减。
构建南水北调中线干渠局部一维非恒定渐变流模型，以“刁河闸—湍河闸”渠池为例，测试闸门调控方式和 渠道运行条件对闸前壅水峰值水位、达到峰值水位所用时间、水力振荡频率、水力振荡幅度等水力响应特性的影 响。研究表明：水力振荡上升过程快，下降过程慢，波幅随时间呈对数函数衰减；闸前壅水峰值水位随闸门关闭速 度、闸门关闭幅度、输水流量、运行水位、渠道糙率的减小而近似线性地减小；达到峰值水位所用时间对输水流量、 运行水位和糙率变化不敏感，随闸门关闭幅度和输水流量的增加而近似线性减小；水力振荡频率对闸门关闭所用 时间、闸门关闭幅度、输水流量和糙率变化不敏感；水力振荡幅度对运行水位、糙率变化不敏感，随输水流量的增 大而快速衰减。
2023(5):1021-1029.
摘要:
保水堰是一种新型溢流堰结构形式，为提升保水堰在大型调水工程中的输水能力，利用实测数据进行模型 验证，在确保模拟保水堰堰内水流流态规律准确性的前提下，探究工程中保水堰体型参数对输水系统过流能力的 影响。研究揭示了堰井段环状旋涡区的产生与发展机理，并对 11 种降低堰高方案进行数值计算，分析堰井段流 速矢量分布和环状旋涡区范围及能量耗散的变化，发现使输水系统过流能力增加的最佳堰高区间为 [1.0P1≥P≥ 0.7P1]（P 为保水堰堰高；P1为堰前堰高）。当堰高在此区间内，通过降低 P 使堰前流速矢量仰角和堰后环状旋涡 区变小，能量耗散显著降低，降低 0.1P1，流量平均增加 2.1%。考虑到工程改造成本和过流能力提升效果，故在本 研究提出最佳堰高区间内修改保水堰的结构，为输水系统过流能力提升提供参考。
保水堰是一种新型溢流堰结构形式，为提升保水堰在大型调水工程中的输水能力，利用实测数据进行模型 验证，在确保模拟保水堰堰内水流流态规律准确性的前提下，探究工程中保水堰体型参数对输水系统过流能力的 影响。研究揭示了堰井段环状旋涡区的产生与发展机理，并对 11 种降低堰高方案进行数值计算，分析堰井段流 速矢量分布和环状旋涡区范围及能量耗散的变化，发现使输水系统过流能力增加的最佳堰高区间为 [1.0P1≥P≥ 0.7P1]（P 为保水堰堰高；P1为堰前堰高）。当堰高在此区间内，通过降低 P 使堰前流速矢量仰角和堰后环状旋涡 区变小，能量耗散显著降低，降低 0.1P1，流量平均增加 2.1%。考虑到工程改造成本和过流能力提升效果，故在本 研究提出最佳堰高区间内修改保水堰的结构，为输水系统过流能力提升提供参考。
2023(5):1030-1039.
摘要:
传统坝体地震易损性评估所采用的非线性数值模拟手段的计算量很大，为兼顾大坝地震易损性评估的高效 性与准确性，提出基于增量动力分析（incremental?dynamic?analysis,IDA）与多层感知机（multilayer?perceptron,MLP） 的混凝土坝地震易损性评估方法。以我国西北地区某混凝土重力坝为例，建立三维坝体-库水-地基有限元模型并 开展多组地震响应计算。利用等步长调幅处理所选地震动记录，并采用三向地震进行幅值输入；选取峰值 [地 面] 加速度（peak?ground?acceleration,PGA）为地震动强度指标，坝顶顺河向位移为大坝损伤指标，初步进行混凝土 坝易损性分析。提取各地震动特性参数作为输入，坝顶顺河向位移为输出，训练并测试 MLP 模型；扩充地震动以 获取各地震动特性参数，利用 MLP 模型进行坝顶顺河向位移的快速预测，实现有限元结果的扩充，进行混凝土坝 易损性分析，并绘制易损性曲线。结果表明，将 MLP 模型引入分析可有效扩充数据量，利用 IDA-MLP 耦合方法 建立的大坝地震易损性曲线符合实际规律，验证了采用 MLP 模型预测混凝土坝损伤指标进而扩充数据的可行性， 在保证精度的情况下大幅提高计算效率，为同类型水工建筑物的抗震安全评价和防震减灾提供科学依据。
传统坝体地震易损性评估所采用的非线性数值模拟手段的计算量很大，为兼顾大坝地震易损性评估的高效 性与准确性，提出基于增量动力分析（incremental?dynamic?analysis,IDA）与多层感知机（multilayer?perceptron,MLP） 的混凝土坝地震易损性评估方法。以我国西北地区某混凝土重力坝为例，建立三维坝体-库水-地基有限元模型并 开展多组地震响应计算。利用等步长调幅处理所选地震动记录，并采用三向地震进行幅值输入；选取峰值 [地 面] 加速度（peak?ground?acceleration,PGA）为地震动强度指标，坝顶顺河向位移为大坝损伤指标，初步进行混凝土 坝易损性分析。提取各地震动特性参数作为输入，坝顶顺河向位移为输出，训练并测试 MLP 模型；扩充地震动以 获取各地震动特性参数，利用 MLP 模型进行坝顶顺河向位移的快速预测，实现有限元结果的扩充，进行混凝土坝 易损性分析，并绘制易损性曲线。结果表明，将 MLP 模型引入分析可有效扩充数据量，利用 IDA-MLP 耦合方法 建立的大坝地震易损性曲线符合实际规律，验证了采用 MLP 模型预测混凝土坝损伤指标进而扩充数据的可行性， 在保证精度的情况下大幅提高计算效率，为同类型水工建筑物的抗震安全评价和防震减灾提供科学依据。
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