构建与国家战略水源地相适应的中线水源工程水质安全保障体系是新时期南水北调工程运行管理的重要内容。基于丹江口库区及其上游流域水质监测的新需求和新目标,提出了构建新时期南水北调中线工程水源地监测站网、水质监测、风险防范、科技支撑四大体系的建设构想,阐述了体系的基本内涵和要义。“四大体系”将在全面覆盖、关键预警、智慧先进、立体感知、重点监控、科技研究等方面对水质监测体系进行改造与提升,保障“一泓清水永续北上”。
引江补汉工程补水口位于丹江口大坝下游安乐河出口约5 km处,且补水量与调水量基本一致,工程对航道的影响主要体现在减水段,为恢复枯水期通航水位需要开展航道综合治理。利用河工模型试验论证了综合治理方案的效果,并对方案进行了优化及进一步论证。结果表明,减水-补水212 m3/s方案尾门水位分别为86.47、85.90 m条件下,引航道口—黄家港段水位下降,黄家港以下水位保持不变,其中引航道口水位下降幅度最大,分别下降0.08、0.19 m;综合治理方案1实施后引航道口水位下降均为0.02 m,减水段的水位仍未恢复至调水前的水平,主因是从安乐河口补水的水流并未能进入到左侧主航道内;基于试验研究结果,建议对综合治理方案进行优化,在沧浪洲出水口下沿布置2道护底带;通过试验论证了护底带的4个高程,建议护底带高程为85.5 m,并对护底带高程进一步细化论证;优化后的方案可使引航道口至黄家港段的水位略超过调水前的水平,其中引航道口处最大水位抬高0.06 m。
中长期水资源优化调度问题是一类具有非线性、多阶段、高维度和多重约束特性的复杂优化问题。针对经典智能算法在求解此类问题时容易陷入局部最优或者收敛效率较低等问题,应用混沌搜索策略增强算法的探索能力,同时改进传统算法的变异方式,向精英个体学习以提升收敛速度,提出自适应混沌精英变异差分进化(ACEDE)算法。将所提出的算法应用于珠江三角洲水资源配置工程中长期调度进行实例研究,并与经典智能算法进行对比分析。结果表明:①ACEDE算法在全局探索能力、收敛精度与速度上实现了全面提升,并且表现出良好的适应性。相较于传统差分进化(DE)算法,2030年水平年6月份和2040年水平年6月份调度中ACEDE算法所计算的电费成本分别节省了74.23万元和23.55万元,降低了6.68%和1.52%。②在珠江三角洲水资源配置工程中长期调度中,充分利用调蓄水库库容满足高分水量需求,同时放缓月末补水充库过程,能够有效控制泵站的平稳运行,达到降低电费成本的目的。
2022年汛期长江流域发生了历史罕见的流域性干旱,大通站9—10月份流量在11 000 m3/s上下浮动。9月份开始,叠加台风的影响,长江口遭遇了严重的盐水入侵事件,威胁上海市供水安全。结合实测流量、风速和盐度数据分析,认为此次盐水入侵由低流量和台风导致;基于此,采用三维河口海岸数值模型定量分析三峡水库应急补水的压咸效果。结果表明,应急补水削弱了长江口的盐水入侵,减小了咸潮上溯距离,南支—北港纵断面0.45 psu等盐度线下移了17 km,降低了水库取水口盐度,为青草沙水库争取了约6 h的取水窗口。10月份2次寒潮在一定程度上削弱了此次补水效果,为确保补水效果需加强河口地区水文、潮汐及气象综合监测能力,以保障上海市淡水利用安全。
水系连通性与水资源调配、水旱灾害防御、水生态环境保护和修复等水安全保障问题密切相关。针对当前全国范围水系连通性评价研究相对较少,区域间水系连通性横向对比不足,从水系连通基本内涵出发,在水资源分区尺度,选择数量、结构和水力特征及对应的评价指标,结合层次分析法和熵权法,构建了水系连通性评价体系,绘制了全国一级和三级水资源分区水系连通性空间分布图。结果表明,水系连通性总体自东南向西北逐渐递减,按照0.07~0.38、0.39~0.50、0.51~0.78划分低、中、高三类,水系连通性低值主要位于西北内陆干旱区、中值主要位于丘陵区域、高值主要位于长江中下游和淮河流域平原河网区。研究成果将有助于促进流域、区域水系连通系统规划与建设。
开展引调水工程突发水污染事件风险评价,降低突发水污染事件的危险性和危害程度,对发挥引调水工程综合效益、提高区域供水安全保障能力等具有十分重要的意义。基于驱动力-压力-状态-影响-响应(DPSIR)模型,构建能反映风险源特征和风险受体特性的引调水工程突发水污染事件风险评价指标体系,提出基于云模型的引调水工程突发水污染事件风险等级评价方法,定量评价引江济淮工程(河南段)突发水污染事件风险。结果表明,引江济淮工程(河南段)突发水污染事件风险较低,有5个评价河段的风险等级均为一般(Ⅳ级),2个评价河段的风险等级为重大(Ⅱ级),与从风险源危险性、风险受体易损性、风险控制有效性等3个方面开展的定性评价结果一致。研究结果为合理评价引调水工程突发水污染事件风险提供了新的方法,为引江济淮工程(河南段)突发水污染事件风险管理提供了依据。
引江补汉工程是南水北调中线工程的后续水源,为保障汉江中下游干流水质安全和湖北省补水区城乡生活供水安全,有必要在工程取水口周边划定饮用水水源保护区。在充分考虑水质保护要求、交通航运、港口建设发展、应急响应需求等因素的基础上,针对三峡调度运行不同水位情况、工程引水代表流量和相应水质条件设计工况情景,基于水动力水质模型计算和应急响应时间估算结果,提出引江补汉工程龙潭溪取水口水源保护区范围建议,为将来保护区划定提供技术支撑。计算结果表明,以龙潭溪取水口为中心划分饮用水水源保护区的径向距离应≥1.3 km。
为强化华北地下水超采及地面沉降综合治理,水利部2018年以滹沱河、滏阳河、南拒马河的部分河段作为河湖地下水生态补水试点,启动生态补水工作。为评估生态补水对河流生态环境的改善效果,探索浮游植物群落结构对生态补水的响应机制,选取连续5 a(2018—2022年)进行生态补水的滹沱河和南拒马河开展连续监测(2019—2022年),对浮游植物的群落结构及水环境因子变化展开分析。研究结果表明,生态补水使得受水水体的水质由劣Ⅴ类逐渐向Ⅱ类转变,至补水第3 a基本达到最佳水质状态;受水环境因子的影响浮游植物群落结构发生较大变化,浮游植物密度、生物量、蓝藻门种类数、密度百分比及优势种优势度均总体呈现降低趋势;硅藻门种类数和密度百分比、Margalef 丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数则总体呈升高趋势;浮游植物优势种逐渐由蓝藻门种类向硅藻门、绿藻门种类转变。冗余分析结果表明,总氮和pH值是影响补水河流浮游植物群落结构的主要环境因子。
研究河流水体生源要素空间分布特征及影响因素对流域水质管理至关重要。以丹江口水库官山河流域为例,分析枯水期水体生源要素的变化特征,基于地理探测器模型探究气象、地形、土地利用、人类活动等因素对生源要素的单一影响与交互影响。结果表明,官山河枯水期水体呈弱碱性,大多处于富氧状态,干流水体溶解氧(DO)、总溶解固体(TDS)浓度等参数存在明显的空间变异性,但干流与支流水体基本理化参数总体差异不显著。水体溶解性碳以无机碳为主,C、N、P、Si浓度低于我国部分南方河流,且存在显著的空间差异,水质状况总体良好。生源要素浓度之间存在一定的相关性,降水、气温和高程等因素可以较好地解释溶解无机碳(DIC)和溶解硅(DSi)质量浓度变化,土地利用类型之间、土地利用与降水等因素之间的交互作用可以显著提升对生源要素浓度变化的解释力度。研究结果对南水北调中线水源涵养区水环境保护具有重要意义。
冰盖糙率是确定渠道冰期输水水位和流量关系的基础参数,一直是明渠冰工程研究的重点之一。鉴于当前大型混凝土渠道冰盖糙率研究成果相当匮乏,以南水北调中线总干渠石家庄以北唯一无输水建筑物的唐河节制闸—放水河节制闸渠段为研究区域,依据全线通水以来唯一生成全渠段封冻冰盖的2016年1—2月逐日水位和流量实测数据,采用伯努利能量方程和谢才-曼宁公式推求渠道糙率,定性定量分析封冻前后渠道糙率变化特征。结果表明:①研究渠段畅流期渠道糙率nb为0.016 7,封冻期冰盖综合糙率nc为0.014 6,冰盖下表面糙率ni为0.011 8。②由于水力磨蚀作用,封冻期冰盖糙率随时间呈波动减小的趋势。③渠道一旦生成封冻冰盖,输水能力大幅降低,仅占渠道设计流量的66.7%。该研究给出了大型混凝土渠道封冻冰盖糙率和输水能力降低的确切数值,以期为冰期输水调度和类似工程设计提供科学依据。
安全可控的水锤压力是保障长距离有压输水工程稳定运行的必要条件,然而对于超长有压输水系统,还需要重点关注局部爆管等极端事故产生的超标水锤压强,其在全线蔓延导致整个输水系统瘫痪,可能引发次生危害。为解决极端水锤压力在整个输水系统传播的问题,首先提出一种阻断水锤传播的圆筒式溢流调压塔结构,通过将调压塔进水管竖直向上深入调压塔内部,形成圆筒式溢流调压塔,利用调压塔结构将进出水管道有效分割,以此阻断水锤的传播。随后通过模型试验和数值模拟方法分析了阻断式调压塔的水力特性,发现调压塔内流态均匀,溢流水体能在调压塔内充分消能后进入下游管线。最后将此调压塔应用于引绰济辽有压管线中,发现当管线出现局部爆管事故时,此调压塔能有效阻断负水锤的传播,避免水锤在全线蔓延,缩小事故影响范围。研究成果可为超长距离输水系统的水锤防护措施研究提供借鉴依据。
在引调水工程中,岔管是输水管线中的重要结构,常用于连接大型主管道和小型分支管道。为改善卜形岔管局部低压现象,提出在不改变岔管分岔角角度的前提下,设置椭圆弧形倒角方案。采用数值模拟方法分别对圆弧形倒角岔管和椭圆弧形倒角岔管的水流流态、压强分布及水头损失进行研究,并结合物理模型试验,验证数值模拟结果的可靠性。研究结果表明,主管单独运行时,与圆弧形倒角岔管相比,椭圆弧形倒角岔管因空间开阔、过流断面变化平缓,其内部水流流态更平顺,水头损失系数更小,较圆弧形倒角岔管降低了6.9%,分岔角局部低压分布明显改善,最小压强较圆弧形倒角岔管提高了1.47 m水头;支管单独运行时,二者内部水流流态、压力分布规律基本一致,椭圆弧形倒角岔管水头损失系数较圆弧形倒角岔管增加了5.7%。研究成果可为岔管设计提供参考。
石花控制闸是引江补汉工程的控制枢纽,采用品字型双层闸门布置解决了引江补汉工程高水头、超长有压输水水力控制关键技术难题。为了探究石花控制闸品字型双层闸门水力控制技术,采用数值计算和水工模型试验的方法开展研究:①采用一维、三维耦合数学模型计算控制闸启闭引起的系统水力过渡过程,为工程设计提供边界条件;②采用物理模型试验分析控制闸体型的合理性。结果表明:系统沿线最大、最小压力均满足相关规程要求;控制闸内水流流态、压力分布等指标正常,控制闸体型合理。石花控制闸总体设计方案合理,布置方式和研究方法可为其他类似工程提供参考。
引江补汉工程是南水北调后续工程的首个开工建设项目,其引水隧洞穿越了蠕滑型活动断裂-通城河断裂,研究活动断裂近场地应力特征对工程稳定性具有重要意义。选择较为复杂的通城河活动断裂近场区内开展了原位地应力测试及断裂构造稳定性分析,揭示断裂构造内现今地应力状态及断裂构造滑动失稳临界条件。通过在通城河活动断裂近场2个千米级深孔进行原位水压致裂法地应力测试。最后,基于实测地应力资料,结合库伦摩擦滑动准则及Byerlee定律对活动断裂稳定性进行了分析。结果表明:测试范围内存在应力分区,并推测以潜在转换深度900±20 m为界,空间主应力状态呈现由复合型(逆断型与走滑型)或逆断型向正断型的转换,表明近场地应力受交汇构造影响;实测最大水平主应力方向随孔深增加由NW向转为NWW向,与活动断裂运动力学特性、交汇断裂的左旋运动机制以及震源机制解基本一致;通城河活动断裂近场应力积累水平较低,尚未到失稳滑动水平,地壳是相对稳定的。研究结果为引江补汉工程穿通城河活动断裂工程区稳定性评价提供基础地质力学资料,为跨活动断裂的工程设计提供参考依据。
高地下水位是危及大型长距离引调水挖方渠道衬砌安全的最主要因素之一,尤其是挖方渠道途经山前平原时,其衬砌安全极易受山前过渡带地下水变化的影响。为了揭示地下水变化对渠道衬砌板稳定影响规律,以南水北调中线某段典型挖方渠段为例,利用地下水监测资料及三维渗流模型分析,结合山前平原地层结构特点,首次阐明输水渠道与山前平原地下水互馈关系,并给出相应对策建议。结果表明:渠道切割山前平原表层透水层形成阻水效应;降雨及山前径流致使山前至渠道之间地带地下水位升高,是导致衬砌板隆起破坏的直接原因。研究成果可为类似山前平原区引调水渠道设计、运维及险情整治提供理论依据和技术支撑。
针对隧洞施工过程中不同工程地质条件下何种超前地质预报方法预测更为准确、更为适用和单一方法精确度不够、适用性不强的问题,分别介绍了基于地震波法的长距离隧洞超前地质预报技术和基于电磁法的中、短距离隧洞超前地质预报技术原理及特点,依据其工作原理、工作方式、预报距离等特点,探讨了不同超前地质预报方法的优、缺点及其最适用的工作场景,总结出一套实用性强的综合超前地质预报流程。依托滇中引水工程大理Ⅱ段两个隧洞的工程实例,利用所提出的综合超前地质预报流程,分别介绍了结合长距离的隧道地震预报(TSP)法、中短距离的瞬变电磁法和探地雷达法对断层破碎带和裂隙水等不良地质体的综合预报研究。首先,通过长距离预报方法对地质灾害危险程度进行分级、识别高危地段,再通过短距离预报方法对不良地质体进行更精确的识别与定位,综合分析3种超前地质预报方法的地球物理响应特征,可以推断出不良地质体的类型及其空间分布特征;其次,通过探地雷达探测溶蚀波场特征的案例分析,可以推断出溶蚀的物性特征、规模及其空间分布特征。预报结果与隧洞掌子面开挖揭示的结果基本一致,验证了3种超前地质预报方法预报隧洞不良地质体的可靠性,也证实了所提出的综合超前地质预报流程的实用性,有助于指导物探工作者对不良地质体进行更精确的预报,确保隧洞施工安全。
目前基坑设计中对于吊脚桩预留岩肩的宽度和支护桩的嵌固深度取值大多从对上部支护结构内力及变形的影响角度出发,往往忽略了支护结构底部附近的局部稳定性问题。依托珠江三角洲水资源配置工程超深竖井项目,提出了外倾结构面下或破碎岩体吊脚桩基坑可能存在的3种破坏模式,采用极限平衡法分别给出了不同破坏模式下稳定安全系数的计算方法。同时针对不同破坏模式下,影响稳定安全系数的参数如岩层的埋深、结构面的倾角和力学参数、岩肩宽度、岩肩深度等进行了分析,结果表明外倾结构面倾角、结构面或岩体的力学参数对稳定安全系数影响较大。研究成果可为类似工程提供参考。
为探究圆形水工隧洞衬砌结构中围岩-叠合式衬砌联合承载的力学机理,针对珠江三角洲水资源配置工程“外衬管片-自密实混凝土填充层(SCC)-内衬钢管”三层叠合的衬砌结构形式,采用平面弹性复变函数理论的幂级数解法,从应力函数层面着手,基于围岩-衬砌相互作用关系以及应力边界条件建立了相应的力学模型,推导求解了在开挖荷载和内水压共同作用下围岩和各层衬砌域内任意点的应力分量,揭示了叠合式衬砌结构承载时的荷载传递机理和规律。然后通过边界应力结果以及与数值结果的比对,验证了提出方法的正确性;最后通过参数分析,着重讨论了高内水压对输水隧洞围岩和三层衬砌径向正应力和环向正应力的影响。结果表明:围岩-衬砌联合承载时,围岩和三层衬砌的径向正应力和环向正应力结果均符合余弦分布,而剪应力符合正弦分布;随着输水隧洞内水压增加,三层衬砌和围岩在径向上更趋于压缩,而环向正应力趋向于拉应力并增大。研究成果可为该类型衬砌防护工程的设计和施工提供理论依据。
针对隧洞穿越高压富水断层涌水突泥破坏性强、可灌性差的难题,以滇中引水工程香炉山隧洞过大栗树断裂次级断层涌水突泥灾害治理为例,通过分析隧洞涌水突泥洞段的地质特征、灾害过程与成因,提出了超前钻探、超前灌浆、超前泄压、超前支护组合处置对策。针对隧洞下半断面围岩碎粉含量高、阻止浆液扩散导致注浆效果不佳的问题,提出了置换式注浆加固技术,即注浆孔分A孔、B孔,通过A孔注浆,B孔泄压并冲出岩粉的方式进行注浆,以利于岩粉排出和浆液扩散,成功解决了香炉山隧洞DLI3+681.5涌水突泥灾害治理技术难题。研究成果对类似地质条件下隧洞涌水突泥灾害治理提供参考。
在富水、高压、不良地质条件下,如何评估施工过程中的突水突泥破坏风险等级,是地下隧洞施工设计的难题。正确分析地下隧洞开挖应力与渗流耦合互馈作用,是合理模拟地下隧洞施工开挖突水突泥演化过程的关键。首先,根据开挖荷载释放过程中的围岩损伤演化机理,提出了根据不同变形阶段围岩损伤特性计算相应围岩损伤系数的方法,并分析其对渗透系数的影响。然后,根据围岩破坏特性和突水破坏机理,提出了围岩临界突水系数的计算方法,并根据围岩损伤破坏和渗透破坏程度,将突水突泥破坏划分成4个风险等级,为地下隧洞施工开挖突水突泥破坏风险评估提供了依据。最后,根据渗流变化与应力损伤互馈耦合作用原理,提出了变损伤刚度、开挖荷载加权分级以及渗流荷载迭代施加的耦合计算方法,模拟了地下隧洞施工开挖突水突泥演化发展过程。将该方法运用于工程实际,证明了所提理论和分析方法的合理性,为地下隧洞开挖突水突泥演化判别提供了一个可行的分析思路。
为进一步深化对南水北调中线工程安阳河以北段冬季气温变化规律的认识,选取沿线10个国家气象站1981—2021年的冬季日平均气温数据,借助气候倾向率法、累积距平法、Mann-Kendall突变检验法和Morlet小波分析等方法,对南水北调中线工程安阳河以北段近41 a来的冬季气温变化特征进行了系统分析。结果表明:①在1981—2021年间,南水北调中线工程安阳河以北段各站冬季平均气温整体上表现为由南向北逐步降低的趋势,同时时间序列具有明显的同步相关性和冷暖同步特征,尤其是邻近站点之间,相关系数甚至超过0.9;②在近41 a间,各站点冬季季度及月度平均气温在波动中呈现明显的升温趋势,总体上可将1980年代中后期、2000年代初期和2010年代中前期作为沿线区域冬季平均气温突变的节点;③在研究时域内,南水北调中线工程安阳河以北段多数站点以40 a为第一主周期,冬季平均气温先后经历了低→高→低→高的循环交替,而且在未来一段时间内仍将继续偏高,为冬季实施冰期动态调度提供了有利条件。研究成果可为南水北调中线工程优化冰期输水调度、提升冬季渠道过流能力和防范各类冰冻灾害发生提供科学依据。
隧洞衬砌混凝土属于典型的薄壁大体积混凝土,衬砌采用泵送混凝土、水化温升高,围岩约束大,衬砌易产生温度裂缝。为探究合理的隧洞衬砌施工期温控措施,采用三维有限元软件,考虑围岩和衬砌接触,开展了滇中引水工程某隧洞混凝土典型衬砌段施工期的温度场和温度应力场分布规律分析。结合现场监测数据,反馈分析了衬砌段表面保温系数为16.7 kJ/(m2·h·℃)。研究了不同的浇筑温度、浇筑段长度、浇筑季节、混凝土自生体积变形特性对混凝土衬砌温度应力场的影响。结果显示:浇筑温度越高温度应力越大,浇筑温度每升高4 ℃,最小抗裂安全度降低0.30;高温季节浇筑最大应力较大,甚至>3.5 MPa;衬砌结构应采用合适的分段长度;采用微膨胀混凝土有利于抗裂。研究成果可为滇中引水工程隧洞衬砌混凝土温控施工提供参考。
为研究不同粗骨料最大粒径对水工混凝土的变形影响,探明国家标准规定的骨料粒级能否满足水工混凝土的要求,依托引江济淮工程,开展了粗骨料最大粒径为31.5 mm和40.0 mm的混凝土变形试验,探究2种骨料粒级混凝土长期耐久性能演变规律。结果表明:采用最大粒径31.5 mm骨料的混凝土极限拉伸值和弹性模量略大,动态疲劳性能较好;采用最大粒径40 mm骨料的混凝土干燥收缩以及自生体积变形小;2种不同骨料最大粒径的混凝土徐变度相当;采用最大粒径31.5 mm骨料的混凝土长期抗渗性和长期抗冻性均优于采用最大粒径40 mm骨料的混凝土。因此,最大粒径31.5 mm骨料应用于水工混凝土时,能满足水工混凝土性能要求且动态疲劳寿命及耐久性更优,但需要注意混凝土开裂问题。
与混凝土坝相比,船闸闸首、泵站类薄壁大体积混凝土结构体型相对较小,但结构型式与受力复杂、约束明显且采用泵送高性能混凝土浇筑,早期混凝土放热量较常态混凝土大且发热快,施工期比大坝更易产生温度裂缝,其防裂设计成为施工质量控制的难点之一。结合在建的引江济淮枞阳船闸上闸首工程,采用三维有限元法仿真分析手段,模拟真实环境、材料、结构、温控措施的影响,分析结构施工期温度场、应力场以及开裂风险,并提出针对性的防裂措施。研究表明,输水廊道、墩墙、空箱及启闭机房周边大体积混凝土等功能性部位为高风险开裂部位,实现控温浇筑、通水冷却以及表面保温的多措并举且差异化控制,能够大大降低其开裂风险,可为引江济淮工程薄壁结构防裂设计提供参考。
2021年南水北调中线工程天津干线建立了包含102个国产北斗监测站点的沉降监测系统,每天新增约6.4 GB的原始观测数据和2 125个沉降监测结果。工程距离跨度大,人工巡检效率低,难以快速、及时地对监测站点的健康状况进行诊断。为解决此问题,提出了一种面向海量北斗变形监测数据的站点健康诊断自动化技术。利用多路径误差是否长期大于阈值、沉降序列是否发生突变,实现对北斗监测站点周围观测环境和稳定性的及时诊断,以较低的人力成本实现对北斗监测站点周围植被生长变化和土质沉陷异常变化的快速分析和诊断。
针对时间序列InSAR计算量大、时效性低、传统D-InSAR精度不高的问题,提出了TD-InSAR连续像对干涉测量方法,并利用HyP3云计算平台实现了长距离引调水工程沿线地表形变连续干涉像对快速分析。以珠江三角洲水资源配置工程为研究区,以传统PS-InSAR监测结果为参照数据对TD-InSAR地表形变探测精度进行了验证。试验结果表明:TD-InSAR取得的地表形变速率与PS-InSAR趋势一致,决定系数R2>0.7,精度相比传统D-InSAR方法提高了52.6%;基于云计算的TD-InSAR地表形变监测方法降低了时序分析的计算量,提高了时序分析的时效性,适用于大范围的地表形变快速普查分析。
