地下水可开采量通常作为区域地下水合理开发利用阈值上限,是制定地下水治理和保护管控指标的首要依据。围绕把水资源作为最大的刚性约束,以水而定、量水而行,以维持山丘区地下水排泄结构稳定为目标,提出了以天然基径比为参照的山丘区地下水可开采量计算方法—基径比关系曲线法;以保证河道内生态环境需水量为目标,提出了以水资源开发利用程度为控制指标的山丘区地下水可开采量计算方法—地表水可利用量控制法。以赤峰市山丘区地下水可开采量计算为例,结果表明:赤峰市山丘区地下水可开采量为4.07 亿m3,计算结果较为合理,计算结果与方法可推动赤峰市山丘区地下水实现合理开发利用与保护,维护区域生态安全,为我国北方山丘区地下水可开采量评价提供研究参考。
尽可能获取人类活动影响之前或影响相对较小时期的化学组分含量可作为一个地区的环境背景值。在综合分析银川地区水文地质条件基础上,将研究区划分为4个水环境单元,应用数理统计方法,对1987-1989年潜水水质资料进行分析,以平均值、标准差、变异系数和含量范围等给出各单元潜水10个项目的环境背景值,分析了潜水环境背景值的空间分布规律及区域变异特征。结果表明:潜水环境背景值在河湖积平原区最高,河漫滩和冲洪积平原区次之,山前洪积倾斜平原区最低。潜水环境背景值的空间变化特征反映了地下水流的水文地球化学作用从溶滤→溶滤、浓缩平衡→浓缩的分带特征,服从自山前补给区向河岸排泄区水化学组分由亏缺转向富集的演化规律,在东部河漫滩地带黄河补给冲淡作用明显。
针对茅洲河流域生态环境受到严重破坏和退化的问题,根据茅洲河河流的生境破坏和退化的特点,以改善茅洲河流域现状为目标,在河流生态修复研究和已有成功的工程实践的基础上,选取水文、水质、地貌结构、生物4个一级指标,并筛选12个二级指标,构建河流分类和标准体系,进行系统聚类,分析具有相同特征的河段,针对不同特征类别提出不同的生态修复模式,给出综合性的修复建议。结果显示:将所研究的河流分为5类,根据实际需要和分类结果特征,将所研究河流分为水文-水质-地貌-生物修复模式,流速-水质-地貌-生物修复模式,水文-水质-生物修复模式和流速-水质-蜿蜒度-生物修复模式共4种生态修复模式,占比依次为42%、24%、8%和26%。针对不同的生态修复模式,提出了以恢复近自然的水文水力状态,创建河流自我修复能力的修复建议。
当温度分层型水库发生突发污染事故时,掌握水体的水动力和水温分布特性对判断污染事件的发展和指导决策具有重要意义。MIKE3软件可用于水库水动力和水温的三维数值模拟,为探讨该模型水平向网格剖分和垂向坐标系选取对温差异重流模拟的影响,基于物理模型实验结果,分别建立了三角形、矩形和三角形矩形拼接网格的数值模型,垂向分别采用σ坐标和σ-Z混合坐标两种形式。结果表明,MIKE3软件可有效模拟温差异重流沿床面运动的特性;当异重流主流方向较显著时,建议采用与主流方向一致的矩形网格进行计算区域离散;采用σ-Z混合坐标时可通过增加垂向分层数减弱床面阶梯近似的影响;对于温度分层界面、异重流主流方向与河床底面三者差异较大水体,建议在垂向采用σ-Z混合坐标形式。
雨水花园能有效调控雨水径流的水量和水质,但是在海岛地区的应用经验缺乏。在浙江舟山海岛地区采用完全水量平衡法和室内优化实验设计并构建50 m2防渗型雨水花园。通过实时监测4场降水事件径流数据,评估海岛地区雨水花园在不同降雨强度下的运行效果。结果表明:海岛地区雨水花园有很好的滞留能力,监测期内无溢流现象,径流总量削减范围为64.60%~89.71%,平均为76.64%;峰值削减范围为70.52%~91.23%,平均为84.76%;降雨强度与径流总量削减率呈负相关关系,与峰值削减率相关性不大。雨水花园对径流中SS、COD、NH3-N、NO3-N、TN、PO4 3+和TP有较好的净化效果,平均去除率分别为82.26%、42.17%、66.70%、64.94%、58.64%、65.24%和76.46%。研究可为雨水花园在海岛地区设计应用提供参考。
针对长白山地区安图县矿泉水资源开发利用程度的不断增加,为进一步提高矿泉水资源价值和功能,利用该区矿泉水化学监测数据,采用地统计与水化学分析等多种方法开展了矿泉水水化学特征及成因研究,构建水质健康功能评价指标体系。结果表明:研究区矿泉水以单一偏硅酸型及CO2复合偏硅酸型为主,复合型矿泉的TDS、总碱度、总硬度及CO2含量比单一型矿泉高出1~2个数量级,偏硅酸含量与其他组分相比具有不同的空间分布特征,岩石风化作用是偏硅酸型矿泉水形成的主要原因、深部热水沿裂隙上升与浅层地下水混合是复合型矿泉形成的主要原因。区域广泛分布弱碱性低硬度的偏硅酸型矿泉,各指标含量符合矿泉水质量标准且具有良好的口感。
为了探究城镇化发展与水资源利用的内在响应机制及响应程度,以便优化配置水资源,协调城镇发展速度与水资源开发利用程度。以水资源时空分布为基石,构建响应度模型,由熵权法确定权重,相关分析法分析城镇化与水资源利用的相关关系。结果表明:鄱阳湖流域城镇化发展水平和水资源利用程度同步增长。城镇化系统中社会、人口和空间城镇化的上升趋势较为同步,经济起伏较大,前期有衰退迹象,但从2016年开始呈现出增强趋势。鄱阳湖流域属于典型湿润区资源禀赋受降雨影响较大,赋存不稳定,再加上城镇化的快速发展,水资源系统负荷不断加载。城镇化的发展对城镇水资源的开发利用程度有极大的依赖效应。城镇化对水资源系统有两面效应,一方面城镇化进程中需要消耗大量的水资源,另一方面城镇化的发展客观上促进了水资源系统。
气候影响水文资源的时空分布,研究降水这一气候基本要素的变化特性对流域水资源规划管理具有指导性作用。利用极点对称模态分解(Extreme-point Symmetric Mode Decomposition,ESMD)方法,以西江流域1954-2008年51个气象站的降水序列作为研究对象,同时从趋势、周期和突变三方面研究西江流域年降水、年降水极大值、年降水极小值、汛期降水和非汛期降水的时空变化特性,并与小波分析等方法进行对比。结果表明:①各降水指标主要存在2、14、18、28 a等周期特征,周期规律具有一致性;②各降水指标在20世纪60年代、80年代和90年代出现突变现象最为频繁;③年极小值和非汛期降水呈现统一正增长线性趋势;④中下游区域年降水和非汛期降水指标的ESMD趋势结果具有较高一致性。ESMD方法能够有效甄别非平稳序列的变化规律,为降水序列时空变化特征分析开辟了新思路。
针对现阶段国内水文测站功能单一,信息的采集与分析脱节、系统功能协同度不高等问题,设计研发了集成水文监测、水文预报以及水文水利计算等功能于一体的水文智能机器人,可实现如下功能:水文监测设备的自检及自动化监测;通过通讯技术与其他历史信息和观测信息融合及数据同化,进行实时水文预报;智能化开展水利评价、生成调度决策方案,并发布预报预警信息。研发的智能机器人系统通过语言识别和合成等技术实现了友好的人机交互平台,可模拟水文工作者的思考模式,改变传统设备测、报、算的单向传输方式,根据报、算的合理性评估而动态变更测量方式、位置以及频次。提出的水文智能机器人构架可替代基层测站、防汛值班等水文人员的相关职能,减轻水文工作的劳动强度,为推进水利事业向现代化、智能化方向转变提供重要技术支撑。
水资源的稀缺和污染等问题影响着社会经济的发展,用水结构的优化是缓解水资源压力的有效途径。采用信息熵、均衡度、洛伦兹曲线和基尼系数等研究方法,对我国七大地理分区的用水结构时空演变特征进行对比分析。结果表明:我国总用水量在波动后呈先增后减趋势,各类型用水均衡性也在平缓上升;随着时间推移,华东、华南、华中、西南和华北等区,均衡度均超过全国水平,而西北地区和东北地区用水结构处于不稳定状态,甚至东北地区用水结构趋于单一化;空间演变上,农业用水在我国各地区分布较均匀,工业用水和生活用水绝大部分地区较合理,而生态用水大部分地区基尼系数超过“警戒线”,且某些地区系数仍在增大。由于气候、地理位置、水资源禀赋和社会经济发展程度等因素不同,各区用水情况需要客观看待。进行用水结构时空演变的分析,有利于我们进行用水结构优化,对水资源的更高效利用和社会经济的协调发展具有重要意义。
针对汾河上游水源区径流严重衰减的问题,分析了上游汾河水库控制流域1961-2016年降雨、潜在蒸散发、径流的变化趋势,并对年径流量进行了突变分析,将研究时段划分为基准期和变化期两个阶段。应用基于Budyko假设的流域水热耦合平衡Choudhury-Yang公式,计算了径流的气候弹性系数和下垫面弹性系数,对变化期的径流变化量进行了定量归因分析。研究表明:1961-2016年期间,汾河上游水源区径流量显著减少,变化期年均径流量相比基准期减少了35.5%;径流的降雨弹性系数、潜在蒸散发弹性系数及下垫面弹性系数分别为2.62、-1.62、-1.89;人类活动引起的下垫面变化是径流衰减的主要驱动因素,贡献率为57.8%,其次是气候变化,贡献率为42.2%,其中降雨的减少贡献了39.7%,潜在蒸散量的增加贡献了2.5%。汾河上游开展的大规模水土保持措施,在减少水土流失,改善植被的同时,也导致流域实际蒸散发增大,另外煤矿开采形成大量采空区导致地表变形塌陷,引起降雨入渗量增大也导致了径流的减少。
卫星降水产品作为雨量计布设稀疏区域的重要数据补充,其时空精度对水文模拟、预测至关重要。位于高寒区的雅鲁藏布江流域是典型的缺资料区域,通过定量指标与分类指标结合的方式评估GSMap和GPM-IMERG两种卫星降水产品在这一地区的适用性。结果表明:两种卫星降水产品均能准确探测到降水事件的发生情况,相比于其上一代TRMM卫星降水数据,两种卫星降水数据与实测地面降水数据相比,精确度更高(Bias<0.579)、相关性更显著(CC>0.902)。两种卫星降水数据与地面实测数据相关性的空间分布规律一致,均为在流域中游相关性强,而上游、下游较弱。对于雅鲁藏布江流域,GPM卫星降水产品相比与TRMM卫星降水产品具有较好的适用性,更能满足水资源开发利用对数据的需求,未来可与地面观测数据融合生成更为可靠的降水数据系列。
区域干旱是农业生产中的主要气象灾害之一,干旱指数在旱情监测、预警中发挥着基础性作用。本研究以张掖市为研究区,进行SPEI和scPDSI指数的适用性及干旱演变特征分析。从两种指数与相对湿度、径流量、归一化植被指数(NDVI)以及实际干旱记载对比分析可以看出,scPDSI与干旱历史事件的一致性较高,且与相对湿度、径流和NDVI相关性最显著。说明scPDSI在张掖具有较好适用性。基于scPDSI指数变化序列,通过M-K突变检验和小波周期分析方法,分析张掖地区1935-2017年干旱演变特征。结果表明研究区20世纪80年代后呈现明显的变湿趋势,存在多个干湿突变点,旱涝交替循环出现,有24、14、6 a三个显著周期,张掖地区干湿周期变化可能与太阳活动及厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)有关。研究结果可为scPDSI在类似干旱区的应用提供参考。
结合EBM模型和GML指数,在全国视角下测度并分解2008-2018年黄河流域9省的农业水资源全要素生产率,并利用Bootstrap截断回归模型分析其影响因素。结果表明:黄河流域农业水资源全要素生产率比较低,与长江经济带和全国平均水平有较大差距。黄河流域农业水资源全要素生产率的增长主要靠技术进步驱动,而较低的技术效率限制了其增长。水资源禀赋和农村劳动力受教育水平对黄河流域农业水资源全要素生产率具有正向影响,而水利设施和农业种植结构对其产生负向影响。为提升农业水资源全要素生产率,黄河流域应当推广高效节水灌溉手段,提升农业水资源管理水平;完善跨区域调水机制、合理建设水利设施、提升农村劳动力受教育水平和优化农业种植结构。
为提高比转数为300的导叶式混流泵在设计工况下的水力效率,以叶轮进、出口安放角、包角、直径以及导叶进、出口安放角和包角作为设计参数,采用标准正交表中7因素3水平正交试验方案进行方案设计,使用商业软件CFX对18组混流泵设计方案进行三维数值模拟,首先利用极差分析法得到各因素对扬程和效率的影响程度,然后按照设计要求选取最优方案,最后对比分析优化前后的内部流动情况,探究最优方案外特性参数提高的原因。结果表明:叶轮出口安放角对扬程和效率影响最大,导叶出口安放角对扬程和效率的影响最小。在设计流量下,最优方案扬程符合优化目标,效率有显著提高,整体流态得到改善,达到优化设计的目的。
水轮机调速器是控制水力发电过程的关键核心设备之一,其主配电气中位未整定准确会导致出现主配频繁调节现象,严重威胁机组和电网安全稳定运行。为解决主配频繁调节问题,科研小组对调速器液压随动系统进行了深入研究。通过建立数学模型,提出了静态和动态平衡理论,在明确主配频繁调节原因的基础上探索出了主配电气中位自动诊断方法、自动整定方法、直接整定方法及改进型直接整定方法等一系列可精确快速整定主配电气中位的技术方法。并将该技术方法成功应用于调速器现场控制软件中,实现了主配电气中位自动诊断及智能整定功能。现场测试和投运效果表明,本技术成果实现了机组检修时主配电气中位整定自动化,有效解决了调速器系统主配频繁调节问题,保证了机组和电网安全稳定运行。
为探究典型水力过渡过程工况下超长大容量引水发电系统的动态响应特性,以锦屏二级水电站(8×600 MW)为例,基于HYSIM软件提供的用户自定义建模功能,建立了差动式调压室、混流式水轮机、筒形阀等系统主要元素的HYSIM仿真模块,并根据系统内部机理及其运行特性,最终搭建出完整的超长大容量引水发电系统水力过渡过程仿真模型。在此基础上,提出系统主要元素的参数率定及修正方法,并针对机组双机同甩负荷及筒形阀动水关闭等两种典型试验工况进行了仿真计算,同时将计算结果与实测结果进行对比分析。结果表明,所建立的仿真模型能准确描述超长大容量引水发电系统的动态响应特性,从而为复核超长大容量引水发电系统极端控制性工况以及探讨长期稳定运行机理提供了可靠的仿真平台。
高速水流消能是高水头水利水电枢纽中最重要的水工水力学问题,目前工程上还未出现将沿程不连续束缩式内消能工应用在高流速无压隧洞中的先例。采用束窄过流断面的方法,利用Flow-3D软件对某水电站溢洪道进行数值模拟,验证高流速溢洪道无压隧洞内沿程布置内消能工可行性。初期采用结构简单的三角墩体型,以分析不同束窄度及倾角的消能墩的消能效果。针对三角墩体型的缺陷,提出驼峰型消能墩解决方案。最终确定隧洞段沿程布置束窄度为10%的对称驼峰墩组,并建立比尺为1∶80的溢洪道物理模型,对Flow-3D软件计算结果进行验证。实验结果表明,无压隧洞沿程布置驼峰墩组消能效果理想,但驼峰型消能墩仍存在过墩水翅及峰顶存在较大负压的问题,需要进一步进行体型优化。贴合水流流线优化后的驼峰型消能墩的空蚀空化及水翅问题可得到有效改善。
在河流上修建水利枢纽,需要考虑其防洪、发电、通航、灌溉等多方面的综合效益。针对通航方面分析,船闸是布置在枢纽上的通航建筑物,由引航道与天然河道连接。由于引航道口门区及连接段受边界突变影响,水流条件复杂,常难以满足通航要求。根据某水电站工程布置、河道特性以及通航要求,在原设计方案的基础上,设计四种疏挖方案,在枢纽下泄流量为350、1 570.4、6 200、12 000 m3/s 4种条件下,运用数学模型对船闸口门区水流条件展开论证,得出疏挖方案四能够满足引航道下游口门区连接段水流条件及Ⅲ级航道通航要求的结论,研究成果可为径流式水电站通航条件优化设计及通航论证提供依据,对类似工程具有指导意见。
基于2003-2015年南水北调中线工程沿线124个县级市的面板数据,采用莫兰指数和空间计量模型分析了南水北调中线工程沿线城市的用水空间关联特征和用水竞合关系。结果表明,南水北调中线工程沿线城市总用水在空间上呈现“多点集聚、局部扩散”的特征;工程实施后,相邻地区之间的用水竞争关系减弱,经济发达地区之间激烈的水资源竞争关系转变为用水合作关系;局部来看,工程实施后,河南省省内经济关联较强的地区之间用水竞争加剧,而京津冀地区内用水竞争减弱,北京与关联地区用水呈现合作关系。以大城市为中心,对中心城市周边地区依照经济人口规模实行水资源的梯次配置,是改善水资源空间利用方式、提高水资源配置效率的重要举措。
在长距离输水的泵站系统中,空气罐正在得到越来越广泛的应用,以往的输水项目中一般在泵房内设置空气罐以调节事故停泵产生的升压和负压,其效果比调压塔、空气阀等要显著一些。随着我国的调水项目越来越多,设置空气罐这种水锤防护方法的研究也在逐步深入展开。空气罐的特征参数对其水锤防护效果的影响很大,如水气比、预充压、进出口阻力系数等,基于某实际输水工程,采用PIPENET水力分析软件对设置空气罐这种水锤防护方案进行了分析计算,研究空气罐的进出口阻力系数对其水锤防护效果的影响。改变进出口阻力系数进行计算,通过比对多组计算结果,得到了其进出口阻力系数对防护效果影响的规律,空气罐进口阻力越大,对正压的控制越有利,出口阻力越小,对负压的控制越有利。研究表明,在工程实际中可以通过改变空气罐进出口阻力系数来降低成本、提升防护效果。