水冰雪反照率参数化通用模型

杨开林

(中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

摘要: 对于气候寒冷、降雪频繁的冰封河湖，冰盖和雪盖的反照率对气候和冰厚变化有很大影响。应用Fresnel理论得出纯水和纯水冰可用相同反照率公式计算的结论。基于现有的原型观测资料，提出了水冰反照率参数化通用模型。在此基础上，借鉴CCSM3 雪冰日平均反照率参数化模型，提出了水冰雪反照率参数化通用模型。该模型考虑了纬度及地球自转和环绕太阳运行的规律，具有很好的普适性。计算分析表明，纬度和日期对水冰雪日平均反照率有很大影响，反照率大小随日期或月份变化，纬度越高，反照率越大。与冰厚对反照率的影响相比，太阳高度角随纬度和日期变化产生的影响大得多。水冰雪反照率参数化通用模型计算结果与原型观测结果的对比证明，两者吻合较好，而现有常用以冰厚为依据的反照率模型计算结果远远偏离观测结果。

关键词：太阳辐射；太阳高度角；纬度；冰雪；反照率；参数化

投影寻踪方法在水资源承载力评价与预测中的应用

金菊良1, 2，杨通竹1, 2，郦建强3，陈梦璐1, 2，宁少尉1, 2，张浩宇1, 2

(1. 合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2. 合肥工业大学 水资源与环境系统工程研究所，安徽 合肥 230009；3. 水利部水利水电规划设计总院，北京 100120)

摘要: 为解决区域水资源承载力综合评价中指标数据高维、非线性的问题，构建基于最大信息熵原理的投影寻踪水资源承载力评价方法，将该方法应用于2015 年安徽省16个地级市水资源承载力的空间分布评价中；最后对2005—2015年安徽省全省水资源承载力进行动态评价，将该评价结果与灰色GM(1,1)模型结合，对2018—2020年安徽省区域水资源承载状况进行预测。结果表明：2015年，安徽省水资源承载空间分布状况整体表现为皖南地区优于皖中地区，皖中地区优于皖北地区；2005—2015年期间，全省水资源承载力虽基本处于临界超载状态，但年际间承载状况逐年好转。预测结果表明，2018—2020年全省水资源承载力保持良好的发展态势，总体向可载趋势发展。

关键词：水资源承载力；投影寻踪；信息熵；加速遗传算法；安徽省

海河流域近500年旱涝演变规律分析

严小林1, 2，张建云1, 2，鲍振鑫1, 2，王国庆1, 2，关铁生1, 2

(1. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；2. 水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京 210029)

摘要: 研究海河流域近500年旱涝演变规律能为流域防汛抗旱、防灾减灾提供科学依据。基于海河流域内1470—2000年间11个序列较完整站点的旱涝等级数据，采用小波分析、功率谱分析以及经验正交分解方法对海河流域旱涝时空演变规律进行了分析研究。结果表明：（1）海河流域1470—2000 年期间经历了干旱（1470—1644年）-湿润（1645—1898年）-干旱（1899—2000年）的旱涝转换；（2）1470—2000年流域旱涝呈现出2~7 年、10.4 年、19 年、22 年和25 年左右的周期性变化特征，其中10.4和22年周期变化显著；（3）EOF第一模态表现为全流域性的干旱或洪涝，其方差贡献率为44%；第二模态为流域自西向东涝-旱-涝（或旱-涝-旱）的分布特征，其方差贡献率为12%。

关键词：海河流域；旱涝；周期；空间分布

中国水-能源-粮食关联系统协同安全评价

刘 晶1, 2，刘翠善1, 2，李 潇2, 3，王国庆1, 2，鲍振鑫1, 2

(1. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；2. 水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京 210029；3. 山东农业大学 水利土木工程学院，山东 泰安 271018)

摘要: 为保障我国水-能源-粮食关联系统安全，运用压力-状态-响应模型对我国2007—2016年水-能源-粮食关联系统进行协同安全性评价。选取16个代表性指标，构建我国水-能源-粮食关联系统协同安全评价指标体系及评价模型，利用层次分析法确定各指标权重，根据2007—2016年全国及各省区相关指标统计数据，对全国及不同地区水-能源-粮食关联系统进行协同安全评价。结果表明：近10 年全国水-能源-粮食关联系统的协同安全度总体呈波动上升趋势。北京、天津和上海等省级行政区水-能源-粮食关联系统综合协同安全度较高；而宁夏、新疆和重庆等地区综合协同安全度低；大部分省区关联系统综合协同安全度水平2012—2016 年高于2007—2011年。

关键词：压力-状态-响应模型；水-能源-粮食关联系统；协同安全；评价

基于随机森林与支持向量机的水库长期径流预报

李伶杰1，王银堂1，胡庆芳1，刘定忠2，张安富2，巴亚荃3

(1. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；2. 云南龙江水利枢纽开发有限公司，云南 德宏 678400；3. 深圳市深水水务咨询有限公司，广东 深圳 518003)

摘要: 水库长期径流预报对于研判水文情势变化和指导水库调度管理具有重要意义。针对云南龙江水库年、汛期和枯水期平均入库径流，利用随机森林从环流指数、海温、气压和前期月径流中选取关键预报因子，基于粒子群与交叉验证相结合的算法优选参数，建立随机森林与支持向量机模型，开展龙江水库入库径流预报研究。结果表明：太平洋中北部与西部气候因子对径流预报的影响较大，前期月径流对年、汛期径流的重要性偏低，但对枯水期的影响程度与部分气候因子相当。随机森林与支持向量机模型总体精度较高，模拟与预报的合格率均达到85% 以上，平均绝对百分比误差均低于15%，支持向量机的泛化能力强于随机森林，但二者在局部极值流量处的预报精度尚有待提升。

关键词：龙江水库；长期径流预报；随机森林；支持向量机

雅砻江流域水电站水足迹计算及分析

俞 雷1, 2，贾本有1，吴时强1，吴修锋1，徐 鹏1，魏金俐3

(1. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；2. 河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098；3. 河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098)

摘要: 为量化水电开发利用对当地水资源消耗情况，引入水电站水足迹概念，以雅砻江流域梯级水电站群为研究对象，采用总水量消耗法，利用多年实测资料，考虑3种空间系统边界（一库一级、一库多级和流域整体），计算了干流7座水电站的水足迹。结果表明：（1）雅砻江流域7座水电站的水足迹范围为0.01~2.91 m3/GJ，平均水足迹为1.13 m3/GJ，小于其他空间尺度研究的水足迹，表明雅砻江流域水电开发利用的水资源利用效率高于其他地区和流域；（2）水电站水足迹主要受能效因子（单位装机容量的库区水面面积）和地形因子（库区水面面积与库区平均水深比）影响（相关指数分别为0.950 7和0.783 1），而蒸发深度和气象因子（降雨量和气温）对水电站水足迹值的影响较小；（3）水电站水足迹值与空间系统边界的设定有关，需根据水电站实际运行方式选择合适的空间系统边界。

关键词：水资源利用；水电站水足迹；总水量消耗法；影响因子；空间系统边界；雅砻江流域

长江宜昌—监利段河床冲淤对宜昌站水沙变化的响应

胡腾飞，施 勇，栾震宇，陈炼钢，金 秋，陈黎明，徐祎凡

(南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029)

摘要: 三峡水库蓄水运行以来宜昌站水沙条件发生了明显改变，驱动下游河床发生新一轮调整。采用回归分析、机理分析等方法，探究了三峡工程运行前后长江宜昌—沙市段及沙市—监利段河床冲淤变化对宜昌水沙站条件的响应规律。结果表明：宜昌—沙市段冲淤量与宜昌站水沙指标间的关联度强于沙市—监利段且前者关联度随时间增强；研究河段月尺度河床演变对宜昌站水沙条件不存在明显的滞后响应；基于宜昌站月均流量分别构建的两个河段冲淤量回归模型可较好反映河床冲淤变化；根据所构建模型的模拟，三峡工程运行前宜昌—沙市段呈“小水小冲、大水大淤”的冲淤格局，冲淤转换临界宜昌站流量约为23 500 m3/s，三峡水库蓄水后该河段全面冲刷，呈“小水小冲、大水大冲”，但随着床沙粗化冲刷量有所下降；三峡水库蓄水前沙市—监利段亦呈“小水小冲，大水大淤”的冲淤格局，冲淤转换临界宜昌站流量约为22 500 m3/s，且同流量下的淤积量大于宜昌—沙市段，三峡水库蓄水后宜昌站小水时该河段冲刷量略大于上游河段，但宜昌站大水时该河段冲刷量明显更小。

关键词：三峡工程；荆江；河床演变；宜昌站；水沙条件

宁夏清水河流域水沙变化特点分析

马进国1，郑艳爽2，张晓华2，丰 青2，彭 红2

(1. 宁夏固原市水土保持工作站，宁夏 固原 756000；2. 黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003)

摘要: 为搞清清水河流域不同时期、年际及年内水沙变化特点，以清水河流域固原、韩府湾和泉眼山3 个水文站长系列实测水沙资料为基础，采用实测资料统计分析方法对水沙量进行系统分析，并利用Mann-Kendall突变检验方法确定了各站年水沙突变点年份。研究表明：与长时期相比，近期2010—2015年除泉眼山站水量增加6.2%外，其他各站水沙量均减少，水沙减少范围分别为58.8%～65.7%和64.3%～94.4%，沙量减幅大于水量减幅。清水河流域年水量的58.5%～65.6%和年沙量的85.6%～89.4%都集中在汛期，年际间水沙丰枯悬殊。各站年径流量和输沙量突变时间存在差异性，各站水沙量近期呈减少趋势。同时也对影响清水河流域水沙条件变化的降雨量、坡面水土保持措施、水库运用和淤地坝建设等因素进行了初步分析。

关键词：水沙量；水沙变化；突变检验；清水河流域；黄河

黄河流域砒砂岩区地貌-植被-侵蚀耦合研究进展

申震洲1, 2，姚文艺1, 2，肖培青1, 2，饶良懿3, 4，李 勉1, 2，杨吉山1, 2，焦 鹏1, 2，荆诚然1, 2

(1. 黄河水利委员会黄河流域生态保护和高质量发展研究中心，河南 郑州 450003；2. 黄河水利科学研究院，河南郑州 450003；3. 北京林业大学 黄河流域生态保护和高质量发展研究院，北京 100083；4. 北京林业大学 水土保持学院，北京 100083)

摘要: 砒砂岩地区是黄河中游粗泥沙来源的核心区，是黄河流域生态保护的重点。揭示黄河中游砒砂岩地区地貌植被侵蚀耦合规律，对于砒砂岩区生态综合治理具有重要的理论指导价值。本文评述了砒砂岩区侵蚀地貌特征、植被生境空间分异规律、侵蚀空间分异规律，以及砒砂岩区地貌-植被-侵蚀空间耦合关系研究进展，并展望了其研究发展趋势。同时，提出了今后应加强研究的方向：应着重从机理层面对砒砂岩区的地形地貌空间结构分异特征、植被生境和群落分异特征及侵蚀时空分异特征进行深入研究，特别是将三者作为一个耦合系统的因素进行研究，解决制约砒砂岩区水土流失综合治理理论水平提升与实践的瓶颈问题；研究不同地貌单元的土壤侵蚀年内时空分异性特征及其成因，揭示坡沟系统水蚀年内时空分异性特征与自然植被时空分异性特征的耦合机理；揭示砒砂岩区地貌-植被-水蚀空间耦合机理。本综述可为黄河流域砒砂岩区生态保护、侵蚀规律研究及高质量发展提供一定参考。

关键词：砒砂岩；坡沟系统；植被-水蚀耦合；侵蚀时空分异

张家口冬奥会核心区非点源污染负荷估算

张 冉，夏建新，任华堂

(中央民族大学 生命与环境科学学院，北京 100081)

摘要: 确定非点源污染负荷量对于张家口冬奥会核心区水环境安全具有重要意义。利用输出系数法，结合数字高程模型，根据2015 年土地利用遥感数据及2007—2016年统计年鉴数据，计算了非点源污染输出负荷量和空间分布，分析了不同类型污染负荷的贡献。结果表明：(1)2007—2016年非土地利用因素污染源年输出的TN污染负荷量为1 154.25~17 540.39 kg；年输出COD污染负荷量为2 114.76~34 552.41 kg；年输出TP污染负荷量为51.29~842.54 kg；年输出NH4+-N污染负荷量为34.40~514.88 kg。(2)土地不同利用类型输出的TN 污染负荷量为33 372.94 kg；COD污染负荷量为21 453.45 kg；TP的污染负荷量为512.82 kg；NH4+-N的污染负荷量为1 129.78 kg。(3)农业人口生活和耕地为输出非点源污染负荷量的主要污染源。(4)污染物输出负荷量的空间分布不均匀，东沟上游子流域和下游出口子流域的输出量比较高，太子城河中下游子流域输出负荷量相对较高。

关键词：冬奥会核心区；输出系数法；非点源；污染负荷

齐齐哈尔地区粉质黏土冻胀特性试验研究

汪恩良，商舒婷，田 雨，李旭辉

(东北农业大学 水利与土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

摘要: 黑龙江省受寒冬负温影响，容易引起渠道渗漏、地基下陷、轨道不顺等问题，这增加了工程建设难度。为解决实际问题，以齐齐哈尔地区粉质黏土为研究对象，进行封闭系统下的人工冻结试验，对冻胀试验数据进行分析，研究不同含水率、干密度、冷端温度及冻结速率条件下土体的冻结过程及冻胀率的变化规律。试验结果表明：冻胀率在含水率高、干密度大、冷端温度低、冻结速率低的条件下，土体冻胀现象更为显著，且冻胀率与4个因素相关性较好。冻胀正交分析结果表明：冷端温度对冻胀率的影响程度最弱，干密度较强，含水率的影响最为剧烈。采用SPSS统计分析软件，建立含水率、干密度和冷端温度三因素综合影响下的冻胀率多元线性回归模型，模型拟合效果好、可信度高、精度高，满足实际需求，操作简便，可用于粉质黏土的相关计算和预测。

关键词：粉质黏土；冻胀特性；冻胀率；多元回归分析

蒸养混凝土早期断裂性能研究

胡少伟1，娄本星1，尹阳阳2，叶宇霄1

(1. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2. 河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098)

摘要: 为研究蒸养混凝土早期的断裂性能，开展了养护时间为4，8，16，24和48 h的混凝土三点弯曲梁断裂试验，分析了不同养护时间下蒸养混凝土的断裂性能和力学性能，进而给出了蒸养混凝土早期断裂参数与成熟度的关系。基于数字图像相关方法，测得了混凝土试件表面的全场位移及应变信息，研究了裂缝扩展的断裂演化过程。结果表明：在60 ℃蒸汽养护条件下，当养护时间在24 h内时，蒸养混凝土的力学性能随养护时间逐渐增大，养护时间超过24 h，蒸养混凝土的力学性能呈下降趋势；蒸养混凝土断裂性能在养护4～8 h内迅速提高，超过8 h后，混凝土断裂性能提升缓慢；其早期断裂韧度与成熟度具有较好的相关关系。

关键词：蒸养混凝土；断裂性能；成熟度；数字图像相关法；裂缝扩展

感潮河段支流口门枢纽布置方法研究

李寿千1，朱明成1，朱 昊1，杭 丹2，陆永军1

(1. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；2. 江苏省太湖治理工程建设管理局，江苏 常州 213001)

摘要: 跨流域调水工程中，感潮河段支流口门枢纽受到用地条件限制常距江较近且开敞布置，进出口门水流受到非对称涨落潮流牵制，引水、排涝、通航功能协调困难。以新孟河延伸拓浚工程的界牌水利枢纽为例，通过物理模型与数学模型试验相结合的方法，研究枢纽水动力条件及存在问题，并在此基础上提出枢纽总体布置方法。结果表明：枢纽外江侧口门开敞，引排水受涨落潮牵制明显，致使入江口堤头凸出挑流，泵站、节制闸进口及引航道口门区存在斜流；而枢纽内河侧边界固定，且节制闸正对引河，引航道处于遮蔽区，引排水流平顺。枢纽整体布置遵循以下原则：新开引河口门区与主河道呈锐角布置，角度取决于涨落潮历时对比，协调引水功能；引河与主河道之间堤头形态呈梯级布置，下梯级为锐角，上梯级为钝角，协调排水功能；节制闸正对引河布置，船闸布置在节制闸常态缓流区侧，泵站布置在节制闸另一侧，重点协调通航功能；枢纽尽可能远离口门区，使泵站和引航道位于岸线遮蔽区，减弱不良流态，协调枢纽各功能并使其充分发挥。

关键词：感潮河段；水利枢纽；水动力；布置原则

高聚物防渗墙在交通荷载作用下的应变特征

郭成超1, 2，杨建超3，石明生2，关 欢4，蔡兵华5，李忠超5

(1. 中山大学 土木工程学院, 广东 广州 510275；2. 郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州 450001；3. 武陟裕泰房地产开发有限公司，河南 武陟 454950；4. 西南交通大学 土木工程学院， 四川 成都 610031；5. 武汉市市政建设集团有限公司，湖北 武汉 430023)

摘要: 高聚物防渗墙是针对土质堤坝防渗加固的新型防渗技术，在实际工程中应用越来越广泛，但其在交通荷载作用下的应变特征却少有研究。以堤坝模型试验为基础，建立堤坝高聚物防渗墙三维有限元模型，分析了交通荷载（大车正载、大车偏载、动态冲击荷载）作用下防渗墙的横向应变以及竖向应变，并且通过与现场模型试验结果对比，验证了数值模型的合理性。研究揭示了高聚物防渗墙的应变随深度呈现先快速增大至峰值后减小至稳定状态的三段式变化规律；得到了在相同位置作用不同冲击荷载和防渗墙在不同位置作用相同冲击荷载时的应变变化曲线；发现了高聚物防渗墙表现出一定的柔性特征，有利于防渗墙防渗功能的发挥。

关键词：高聚物防渗墙；堤坝；交通荷载；数值模拟；现场模型试验；应变特征

基于SPH无网格法的纺锤形桩靴连续贯入过程模拟

孟 翔1，高路恒1，吴 浩2，Atangana Njock Pierre Guy2

(1. 江苏工程职业技术学院 建筑工程学院，江苏 南通 226001；2. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海200240)

摘要: 纺锤形桩靴在饱和土中贯入过程涉及土体极大变形和复杂的土、水、结构三者耦合作用，由于网格畸变问题，采用传统网格类数值方法很难进行模拟。SPH无网格法借助于一系列粒子进行插值，粒子与粒子之间无联系，将偏微分形式的控制方程转化为常微分方程组进行求解，可有效避免网格畸变问题。基于土-水-结构耦合SPH无网格算法，对桩靴在中密、密实砂土及饱和黏土中的连续贯入过程进行模拟，研究土体存在极大变形条件下桩靴贯入阻力、超孔隙水压力及总应力等物理量在贯入过程中的变化规律，并与CEL 大变形有限元分析结果及室内离心机测值进行对比和分析。研究结果表明：采用土-水-结构耦合SPH 算法可以准确地捕捉土、水混合物发生大变形时的自由面特征、贯入阻力、孔隙水压力及超孔隙水压力等物理量。

关键词：桩靴；连续贯入；土-水-结构耦合；光滑粒子流体动力学(SPH)；极大变形

翻斗式雨量计翻斗旋转时间特性分析

廖敏涵1, 2, 3，刘九夫1, 2，廖爱民1, 2，黄一昕3，蔡 钊1, 2，闵 星1, 2，李薛刚1, 2

(1. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；2. 南京水利科学研究院 滁州综合水文实验基地，安徽 滁州 239080；3. 河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098)

摘要: 在翻斗式雨量计的研究中，由于翻斗旋转速度较快，造成翻斗旋转时间的测量一直以来都是一个难点。利用图像处理中的帧间差分法，结合Matlab 软件编程，提出了一种新的翻斗旋转时间测量方法。在此基础上，将该方法应用于4种常用的翻斗式雨量计，在不同的雨强尺度下分别进行试验研究，分析翻斗旋转的时间特性。结果表明：（1）试验中使用的4种单层翻斗式雨量计的翻斗旋转时间在小雨强下不稳定，波动较大；在大雨强下较为稳定，波动较小。（2）JDZ02和CQS·JD02的翻斗旋转时间随雨强的增大而减小，呈较好的线性关系，R 2分别为0.99和0.86；JDZ05和CQS·JD05的线性关系不明显，R 2均小于0.6。（3）引入数字图像处理中的帧间差分法可以有效获取翻斗旋转的时间特性，并加深对翻斗雨量计的认识。

关键词：翻斗式雨量计；翻斗旋转；时间特性；率定；雨强