水资源治理是我国国家治理的关键议题之一。爱尔兰水资源调查管理工作很有特色,对我国水资源治理具重要借鉴意义。分别从水资源管理模式、相关立法、水资源保护教育、公众参与机制、水资源调查评价内容及机制、水资源重大战略计划等维度,系统调研了爱尔兰在水资源调查和管理方面的体制机制和具体措施。结果发现,爱尔兰水资源调查管理在数据信息化、可视化和数据共享、战略规划设计部署、监测网络构建、法律法规制定、水资源管理监督、公众教育及参与机制建设等方面具有丰富经验。结合我国当前水资源管理存在的问题,提出了包括:继续提升水资源调查和评价工作数据信息管理和共享水平,重视制定、布局、完善适用于不同远景的水资源调查中长期战略规划,加强水资源调查及评价工作执行监督和成果评价机制建设,加强水资源保护教育宣传、鼓励公众参与水资源调查和管理的全过程等具体建议,以期为我国水资源调查管理提供参考。
植被覆盖变化通过影响径流的形成与演变,进而影响区域水文循环过程。以归一化植被指数(NDVI)为植被覆盖表征指标,分析1998-2018年山东省植被覆盖时空变化规律,及其与径流的变化关系,采用Copula函数构建 NDVI与径流的二维联合分布。研究结果表明:1998-2018年,在时间与空间上,山东省NDVI均呈增大趋势,径流深与NDVI呈正相关。在NDVI与降水量的共同影响下,2011年前后,山东省径流深减少30%。通过拟合优度检验,采用Gumbel Copula函数构建径流深与NDVI的二维联合分布。随着径流深与NDVI的增大,两者的联合概率值及重现期增大,由等值线图可以确定不同径流深与NDVI组合的联合概率值及重现期。研究结果对水资源的可持续开发利用及发展规划的制定具有一定指导意义。
针对径流序列具有较强的非平稳性和非线性特征,为提高预测精度,提出一种月径流组合预测模型LMD-QPSO-CRJ。选用局部均值分解法(Local Mean Decomposition,LMD)对径流数据分解降噪,并对第一个高频分量用变模态分解法(Variational Mode Decomposition,VMD)进行二次分解,采用量子粒子群优化算法(QPSO)对确定性循环跳跃网络(Cycle Reservoir with Regular Jumps,CRJ)进行参数优化,最终建立LMD-QPSO-CRJ模型。将该模型应用于汾河上游汾河水库站和上静游站的月径流预测,并与单一QPSO-CRJ模型及CEEMD-QPSO-CRJ模型进行对比分析。结果表明,验证期LMD-QPSO-CRJ模型的MAE值和RMSE值与单一QPSO-CRJ模型相比分别减少32%~40%和23%~31%,与CEEMD-QPSO-CRJ模型相比分别减少11%~26%和11%~18%,LMD-QPSO-CRJ模型的NSE值最接近于1。因此,LMD-QPSO-CRJ模型具有较好的预测精度,可以用于指导实际的生产建设。
为定量分析陕西省水资源利用与经济增长之间的关系,基于水资源生态足迹理论分析二者之间的脱钩关系并对其脱钩状态进行预测。结果表明:2005-2018年陕西省水量资源生态足迹与经济增长均处于脱钩状态,但并未实现完全脱钩;水质生态足迹与经济增长由扩张性负脱钩和弱脱钩向强脱钩发展;综合视角下陕西省处于水量型弱脱钩状态。通过预测发现陕西省水量资源生态足迹与经济增长的脱钩关系向良性发展,而水质生态足迹与经济增长的脱钩强度在降低,综合视角下水资源利用与经济增长的脱钩矛盾由水量型转化为水质型,因此陕西省必须加大污水治理力度。根据研究结果,本文为陕西省水资源利用与经济增长的脱钩发展提出了相关建议。
积雪信息的时空分辨率和准确性在一定程度上决定了融雪径流预报的精度。为了更清晰刻画积雪的时空变化过程,减少目前可用的MODIS雪盖产品因时间分辨率较低导致的融雪径流预报误差,在基于MODIS信息反演雪深的基础上,用时空分布的雪深信息作为SRM模型的输入,构建了基于雪深信息的融雪径流模型,并在A流域进行了成功应用。A流域MODIS反演雪深2019、2020年的准确率超过85%,2016-2020年径流模拟的Nash系数均在0.85以上。积雪和融雪径流模拟结果表明,MODIS反演雪深有助于准确刻画积雪的时间、空间分布,采用基于雪深的SRM模型可更精细地反映积雪的时间变化过程,促进融雪径流预报精度的提升。
基于湄公河干流5个水文站1960-2018年逐日流量资料,采用Mann-Kendall检验和滑动t检验法,从年、丰枯水期和极端日多个尺度分析径流变化特征及演变趋势。结果表明:①湄公河干流的年径流沿程递增,各站年径流的年际幅度相对较小,除穆达汉站上升外其余各站呈波动式下降趋势,多在20世纪90年代中期发生突变。②径流年内分配极不均匀,有明显丰枯之分,丰水期径流量占年径流量的80%左右,其多年变化除穆达汉站呈上升趋势外,其余四站呈下降趋势;各站枯水期径流多年变化均呈上升趋势,但年际变化差异较大。③极端最大径流除穆达汉站呈不显著上升趋势外,其余各站均呈现显著下降趋势,清盛站和琅勃拉邦站的年际变化较为剧烈,且清盛站容易发生极端洪水事件;各站极端最小径流的多年变化过程普遍呈现上升趋势,上丁站和穆达汉站的年际变化相对较为剧烈,各站均不容易发生极端枯水事件。
水资源可利用量是指导区域水资源合理开发利用的重要指标,平原河网地区河网稠密、水系罗布且调蓄水源复杂,提供针对该地区特点的水资源可利用量计算方法非常必要。以盐城市为例,建立了平原河网概化水库计算模型,并设立12种情景(不同工程取水能力;不同保证率)分析水资源可利用量变化规律。结果表明:①盐城市现状工程能力下,50%、75%、90%、95%保证率下地表水资源可利用量分别为60.6、55.1、53.0、52.1 亿m3。②盐城市地表水资源可利用量呈现随来水减少而减少的特点,并一定程度上受制于工程的调控能力。计算结果表明盐城市可通过完善供水网络等措施缓解缺水问题。
对拟建的库木巴克引水枢纽工程在河道不同地形及洪水工况下开展实体模型试验研究。试验结果表明:建闸前后试验河段均表现为沿程冲刷,冲刷强度上段大下段小。自然条件下闸前断面冲刷呈深“V”型河槽,建闸后根据枢纽调度方式的不同,当流量小于800 m3/s时,闸前断面冲刷为“W”型河槽,断面最低点位于导流墙附近冲刷坑,较冲沙闸底板高程偏低0.91 m;当流量大于800 m3/s时,闸前断面均匀冲刷,河槽相对平整,断面最低点位于泄洪闸附近,较泄洪闸底板高程偏低1.11 m。建闸后试验河段壅水影响范围最大为3 660 m,受壅水及枢纽抬高运行水位影响,长期高水位及侵蚀作用,导致滩岸稳定性降低。
以三峡水库为核心的梯级水库群联合调度运用显著改变水沙过程,长江中下游河道出现了响应性冲淤调整。借助长系列水沙、地形资料,分析了三峡水库蓄水前后武汉河段中下段演变特点,明确了长江中游典型河道冲淤调整对水库调蓄影响下流量过程变化的响应规律,结果表明:三峡水库蓄水运用以来,武汉河段中下段冲刷主要集中在中枯水河槽,近年来右汊枯水期分流比增大,天兴洲洲体大小、平面位置及洲顶高程相对稳定。与无水库调蓄情况相比,现行调度方式下洪峰流量大幅削减,中水流量持续时间延长,武汉河段中下段中枯水主流所倾向汊道即天兴洲右汊分流比略高,江心天兴洲滩体面积略大。研究成果可为三峡水库优化调度运行、长江中下游河道治理提供参考。
汉江流域是我国南水北调中线工程的水源地,研究陕西汉江流域土壤侵蚀对我国南水北调工程有着重要意义,研究结果还可为当地政府水土保持工程提供理论依据。本研究运用RUSLE模型和GIS相结合的方法,利用流域及其附近区域8个气象站点2000-2015年逐日降水量数据、90 m分辨率DEM数据、250 m分辨率MODIS NDVI数据和土壤类型图,计算陕西省境内汉江流域的土壤侵蚀模数,并从时间和空间两个维度对土壤侵蚀分异特征进行分析。研究结果表明:①在时间上,研究区年平均土壤侵蚀模数在2000-2015年变化波动较大,其中2000-2011年波动上升,在于2011-2015年波动下降;在空间上,土壤侵蚀模数高值主要分布在流域的北部和东南部的高山丘陵地带,低值分布在流域的中部平原和盆地地区;②研究区土壤侵蚀主要为微度侵蚀、轻度侵蚀和中度侵蚀,其中微度侵蚀和轻度侵蚀呈下降趋势,其他强度的土壤侵蚀呈较弱的上升趋势;③流域内西北部样区土壤侵蚀以微度侵蚀和中度侵蚀为主,东北部样区以极强烈侵蚀和剧烈侵蚀为主,东南部样区以微度侵蚀和中度侵蚀为主,此外,镇巴、紫阳、岚皋、旬阳、白河和镇坪的土壤侵蚀模数较高,需得到相关部门的重视,改善其土壤侵蚀状况;有针对性地退耕还林还草,建立生态保护区,定点实施水利工程,保持水土依然是未来减少土壤侵蚀的有效措施。
堤防工程是防洪减灾的有效手段,考虑到堤防工程建设中可能带来的水土流失等生态问题,进行生态健康评价对于生态修复目标确定有重要意义。建立了基于平均联系数的和三角模糊数的堤防干扰区生态健康评价模型,将基于离散值的联系数和基于连续值的联系数耦合得到平均联系数,在优化后的联系数表达式中引入三角模糊数定量表示差异度系数,以描述相邻等级之间的模糊性。将该模型运用于黑龙江干流堤防的典型标段,结果表明:第5标段的生态健康状况最差,第1标段在堤防建设前后生态健康等级变化最大,而影响堤防生态健康的主要因子为有效土层厚度和植被覆盖率。该模型对类似水利工程建设干扰区的生态健康评价和生态修复指导具有推广应用价值。
为更合理地适应我国季节性河流的径流分布特征,对原有的年内展布法进行改进。在计算河流的生态需水量之前,先对天然径流资料进行三性审查,并依据丰平枯的划分标准划分计算时段,以各时段90%保证率下的多年平均月径流量与该时段多年平均月径流量的比值计算各时段同期均值比,最后结合各月多年平均流量计算生态需水量。以松花江干流上游段的下岱吉断面为例,运用改进后的年内展布法计算该断面的生态需水量,将其计算结果与原年内展布法、最小月平均流量法、流量历时曲线法以及90%保证率法作对比,并用Tennant评价标准评价其计算结果。对比分析后发现,改进的年内展布法计算得出的生态需水量较好地反映了河流径流年内分布特征,符合河流丰平枯的变化规律,且在枯水期能更好满足河道内水生生物的生存需求,整体上更利于河流的生境。
东庄水库上游围堰有效填筑时间为3个月。由于地形地质条件限制,当地材料围堰布置困难,围堰型式在碾压混凝土和胶结砂砾料中进行比选,胶结骨料考虑了人工骨料和洞挖石渣料两种方案。胶结人工骨料围堰由于断面较大,人工骨料单价较高,投资与碾压混凝土围堰基本相当;采用洞挖石渣料作为骨料可减少破碎筛分工序及弃渣处理费用,大大降低工程投资。经七组级配试验表明,大于300 mm粒径含量为1.9%~15.3%,大于200 mm粒径含量为5.2%~28.3%,使洞挖石渣料作为胶结骨料成为可能。经八组配合比试验验证,试件28天抗压强度均在11 MPa以上,远超设计强度4 MPa,可通过降低胶凝材料用量、调整水灰比进一步优化配合比设计。采用洞挖石渣料替代砂砾料或人工骨料修建胶凝材料围堰工程满足设计要求,具有减少弃渣、利于环保、构造简单、施工便捷、安全经济的优势,可降低投资达40%左右。
库岸边坡在长期库水涨落循环作用下容易发生变形,进而可能引起大坝的开裂甚至破坏,因此边坡变形对拱坝安全有重要影响。锦屏一级水电站经历了六次库水涨落循环,依据监测资料,对边坡变形进行流变反演计算,并通过正向计算预测了边坡的长期变形情况,研究了在上游正常蓄水位1 880 m和死水位1 800 m两种水位条件下,及不同边坡变形情况下拱坝的变形和应力分布情况。结果表明,2012年蓄水后至2020年7月,拱坝整体变形较小,右岸1 800 m高程以上坝肩拉应力区明显减小,拱坝受力状态有局部改善;2020年7月至边坡长期变形收敛阶段,拱肩槽边坡变形较小,左拱端下游侧横河向变形增量小于1.2 mm,拱坝拉应力量值和分布范围改变不明显。因此,水库蓄水后至边坡长期变形收敛阶段,拱坝应力应变量值处于合理区间,锦屏一级高拱坝应力应变总体处于弹性工作的安全运行状态。
白鹤滩水电站坝区地质条件复杂,发育有多条横穿上下游的层间错动带及断层,左岸及河床P2 β 3地层内存在裂隙发育柱状节理玄武岩,地下水埋藏分布复杂,坝区渗流状态复杂。2020年5月中旬,17号、18号坝段基础排水廊道排水孔施工完成后产生涌水,最大涌水量达410 L/min。现场取样进行水化学分析,并追踪涌水量变化情况,参照近期水文气象资料,结合前期工程及水文地质资料,对涌水来源及涌水渗漏通道进行了综合分析,确认左岸山体深部裂隙水为涌水主要来源,P2 β 3地层内第一、二类柱状节理玄武岩与C2、C3、C3-1等结构面为主要渗漏通道,据此为大坝蓄水过程及正常运行阶段坝区渗流状态监测布置提供建议。
获得作物需水信息是农业灌溉管理与水资源优化配置的基础。为探索利用公共天气预报信息进行作物需水预测,研究尝试以PM公式和HS公式为基础,将天气预报信息进行定量转化后预测参考作物需水量,以期解决典型地区参考作物需水量预报难题。通过以武汉市为典型研究区,收集了武汉站2020年3月16日至2020年4月15日的每日对未来七天的天气预报数据,使用天气预报数据与PM公式和HS公式得出的预报值与使用历史监测数据和PM公式采用实测数据得出的标准值进行对比并对本文使用的方法进行了验证。结果表明,不同预报期内,预报值与标准值有一致的变化趋势,两种方法在1~2 d预报期的MAE平均值分别为0.69和0.675 mm/d;RMSE平均值分别为0.91和0.905 mm/d,基本满足需水量精度要求,而随着预报期的增加准确性在降低;两种方法的对比显示,HS法的相关系数总是相对较高且预报后期比PM法稳定,PM主要误差是由实际日照时数导致。当实际日照时数预报精度较差时推荐使用HS法,此方法具有良好的物理基础并且数据容易获取。
目前提灌泵站普遍存在泵组工作流量大于管网系统所需,水泵长时间工作在偏工况的问题,变频控制系统改造过于昂贵,而切割叶轮外径使离心泵扬程下降严重不利于多泵并联。针对黄河提灌用泵普遍采用钢板成型叶片组焊叶轮,焊接前切割叶片,平移叶轮前盖板,改变离心泵水力性能的方法变得方便可行。以中比转速单级双吸离心泵为研究对象,轴向平移叶轮前盖板改变其叶轮流道的形状,并进行三维数值模拟,分析离心泵外特性随着前盖板移动而变化的趋势,并通过研究内流场分析其性能的变化机理。研究结果表明:随着前后盖板间距减小,离心泵扬程降低,H~Q曲线向下移动且变得陡峭。轴向平移叶轮前盖板使离心泵η~Q曲线整体向小流量工况移动,最高效率大小与高效区宽度近似保持不变。通过对离心泵内流场变化的研究结合理论分析,得出了离心泵扬程与效率随前盖板移动而变化的机理。轴向平移叶轮前盖板减小离心泵流量的同时维持较高的扬程与效率,具有一定的工程价值。
为探明河北低平原区玉米一熟种植模式下的适宜播期,以郑单958为供试品种,设置5月5日、5月20日、6月5日和6月20日共4个播期处理,研究了仅灌溉出苗水条件下不同播期处理对玉米株高、叶面积指数、净光合速率、灌浆特性、产量和水分利用效率的影响。结果表明:吐丝期玉米株高和叶面积指数随着播期推迟呈现先增大后减小的趋势,6月5日处理最大,5月5日处理最小。授粉后30 d,6月5日、5月20日处理的净光合速率较高,5月5日、6月20日处理的净光合速率较低。Logistic曲线能较好地实现玉米籽粒灌浆过程模拟,6月5日处理平均灌浆速率最大,最大灌浆速率和速增期持续时间较高,促使其百粒重最大,穗粒数较多,产量显著高于其他处理。处理间玉米耗水量差异不大,水分利用效率随播期延迟先增大后减小,6月5日处理的水分利用效率最高。河北低平原区玉米适期播种(6月5日)有利于植株生长、产量形成和水分利用效率的提高。