变化环境将导致江河水量发生变化,厘清水量变化趋势是开展流域水资源管理的先导性工作。利用长江流域23条水量分配河流的实测径流量数据资料,对主要水量分配河流的年水量变化趋势、月水量分布趋势和各省(直辖市)出境水量变化趋势进行了分析。结果表明:2012年以来,长江流域的水量分配河流年水量总体保持稳定,在2020年呈现出上升趋势,之后发生了由丰水期向偏枯水期的显著转变;各水量分配河流的月径流量显著呈现单峰型,但全年水量在逐渐向非汛期集中;各省(直辖市)出境水量呈现多次枯丰交替的演变趋势,总体呈现震荡上升的趋势,在2020年达到峰值,之后由丰转枯,2022年出境水量持续下降并延续至今;贵州和湖南年总满足程度呈下降趋势、湖北居后。
正确预测河型发展趋势,因势利导,是保障河流功能稳定的前提条件。三峡工程等水库运用后,长江中下游干流河道持续长期冲刷,局部河势剧烈调整,可能导致河型转化,进而将对防洪、生态、供水、通航等河流功能的发挥产生一系列影响。对河型成因、分类与判别、转化机理,长期冲刷状态下长江中下游不同河型演化规律与预测方法以及河型转化的影响和治理对策进行了综述。在此基础上,对今后的研究工作提出了若干展望,包括河型亚类细化、非连续约束边界条件下不同河型形态参数对水沙条件等因素变化的响应模式、冲刷过程中长河道纵向冲刷调整对河型转化的作用机制、河型转化临界条件定量识别以及百年尺度河型转化预测方法构建和趋势预估等。
加强河道采砂管理、维护河湖健康生命是筑牢国家生态安全屏障的重要举措。在对西藏自治区河道采砂情况全面摸底排查的基础上,总结了全区河道采砂管理现状,指出管理体制机制方面主要问题在于制度不健全、协作机制不完善、管理环节不通畅等,采砂规划方面主要问题在于规划覆盖面不广、规划报告质量较差、导致指导性不强等,许可方面主要问题在于许可内容不规范,采砂实施方面主要问题在于现场管理不规范、监管不到位,开采经营模式方面主要问题在于模式单一、管理水平较低。基于现场调查及统计分析,提出针对性的对策建议,可为西藏自治区水行政主管部门加强河道采砂管理工作提供支撑。
分析潜在蒸发、径流的时空变化对准确认识气候敏感区实际蒸发和水量平衡变化规律具有重要意义,但受全球气候年际、季节变化等影响,流域层面潜在蒸发、径流难以预测与评估。以气候敏感区黄河源区为研究对象,采用综合差分样本方法(CDSST)划分流域干湿状态为丰水年、枯水年和混合年,并构建了各状态下月尺度abcd水文模型,探究了4种潜在蒸发算法(Haregreaves、Makkink、Penman-Monteith和Jensen-Haise)不确定性对流域潜在蒸发、径流预测不确定性的影响;利用不均匀系数、集中度和相对变化幅度等水文指标,揭示了4种不同潜在蒸发算法对流域水资源预测的影响。结果表明:较1990年之前,流域呈干旱状态的年份增多(由4 a增至10 a),且丰水、枯水和混合年对应的年份个数占比分别为25.86%、24.14%和50%;同时,潜在蒸发算法不确定性改变了流域蒸发量和径流量的时空分布特征。研究结果对于科学掌握变环境下流域水文过程动态变化、区域水资源管理和生态恢复具有重要的参考价值。
区域水资源安全评价对指导水资源科学管理、促进经济社会与水资源绿色发展具有重要意义。针对传统水资源生态足迹法中缺少水资源生态与经济社会发展之间的联系,引入水资源生态效益率,通过改进的水资源能值生态足迹法,对西安市的水资源安全和可持续发展状况进行分析。结果表明,2011—2019年西安市水资源承载力随降雨量波动较大,水资源生态承载力年均值为0.160 hm2/人,水资源生态足迹年均值为1.521 hm2/人,整体处于呈减小趋势的水资源生态赤字状态;区域万元GDP水生态足迹从2011年的0.057 hm2/人下降到2019年的0.019 hm2/人,说明水资源利用效率得到提升;2011—2019年,西安市水资源生态压力指数相对较高,但从5.79下降到4.39,达到相对安全状态,且水资源压力指数和生态效益率的协调发展分布较集中,水资源生态效益随区域水资源压力的缓解而增大。总体而言,西安市水资源安全形式仍然紧张,未来可以通过经济发展方式与水资源配置的优化来促进区域高质量可持续性发展。
融雪水是澜沧江流域春季径流的重要组成部分,掌握澜沧江上游积雪变化规律,准确模拟融雪径流过程,对澜沧江流域梯级水电站水资源科学调度具有重要意义。基于2000—2019年卫星遥感积雪覆盖率数据,采用Mann-Kendall趋势检验法分析了澜沧江上游积雪覆盖率的时空变化规律,构建了融雪径流模型(SRM),模拟了澜沧江上游2008—2018年融雪期径流过程,并基于粒子群优化(PSO)算法开展了参数率定。结果表明:①澜沧江上游积雪覆盖率在春季、秋季、冬季呈不显著增大趋势,在夏季呈不显著减小趋势,春、夏、秋、冬四季多年平均积雪覆盖率分别为0.16、0.06、0.13、0.17。②澜沧江源区西南和北部沿界狭长区域积雪覆盖率在四季均呈增大趋势,东南区域积雪覆盖率呈减小趋势;其中,西北部区域积雪覆盖率增幅在冬季达到最大,可达3%/a。③SRM在澜沧江上游具有较好的适用性,1—5月份率定期和验证期确定性系数分别为0.87和0.78。研究结果对高寒区融雪径流模拟研究具有一定的参考价值。
为了解区域水循环的变异规律,以金沙江流域为研究对象,基于1960—2021年50个气象站点的日降水数据,采用Mann-Kendall非参数检验和Pettitt检验探讨了金沙江流域总降水量、极端降水量和不同等级降水事件的时空演变特征和非平稳性。结果表明:①金沙江流域总降水量变化趋势不明显,但极端降水量以2.67 mm/(10 a)的速率上升(P<0.05);且总降水量和极端降水量均具有较为明显的非平稳性特征。②金沙江流域以小雨、中雨、大雨3种等级降水事件为主,发生率合计高达94%,降水贡献率为70%,成为流域总降水量的贡献主体。③随降水等级的增加,降水发生率和贡献率的峰值中心均呈现出由北往南逐渐转移的空间格局。④小雨发生率和贡献率呈显著下降趋势,中雨及以上等级降水事件的发生率以及大暴雨的贡献率均呈显著上升趋势(P<0.05)。⑤降水发生率相比贡献率呈现出更明显的非平稳性特征,位于金沙江下段和雅砻江流域的站点的非平稳性最为显著。以上研究表明,1960—2021年金沙江流域降水结构发生了显著变化,区域内强降水事件增多、弱降水事件趋于减少,未来需要科学地调度与管理当地水资源。
对湖泊水质进行准确、高效的预测,对于保护水资源、维护生态平衡以及促进经济发展等方面都具有重要意义。为此提出了一种基于模态分解、多维特征选择、时间卷积网络(TCN)、自注意力机制、双向长短期神经网络(BiLSTM)和双向门控循环单元(BiGRU)的湖泊总氮(TN)组合预测模型。首先,采用变分模态分解将TN原始序列分解成不同频率的本征模态函数(IMF),以降低原始序列的复杂度和非平稳性;随后,通过随机森林算法为每个IMF选择相关性强的特征,将筛选出的特征矩阵输入到添加自注意力机制的TCN-BiLSTM混合网络中进行建模,充分提取数据中隐藏的关键时序信息;最后,为进一步提升模型预测精度,采用BiGRU网络学习残差序列的细节特征,将残差与模型预测结果融合得到最终的预测值。以鄱阳湖都昌监测站的水质数据为例进行试验分析,结果表明本文模型相比于其他模型对TN浓度预测效果提升明显,其平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和决定系数(R2)分别为0.03 mg/L、0.049 mg/L、0.992。
长江上游地区的水库建设、河道改道、堤防修建和水文调节等人类活动对鱼类栖息地造成了严重影响,导致栖息环境恶化和大量栖息地的丧失。为了深入了解这种情况,选取长江上游保护区中段典型代表性朱沱站中4个典型河流断面近3 a的生境数据,分析典型断面的水文特征、水文情势、水环境质量、流速、水深以及珍稀特有鱼类空间分布特征,获取全面的鱼类生境特征数据。基于分析结果,提出建设完善的珍稀特有鱼类增殖放流措施。研究发现,99%的珍稀特有鱼类信号采集于低流速区(0.0~1.4 m/s),其中80%左右的鱼类聚集在流速低于0.8 m/s的缓流区;在冬季越冬期间,鱼群位置点的水深平均值为44.28 m,最小值为15 m,最大值为57.47 m。长江上游的绝对水深在23~56 m之间时,不足以提供鱼类栖息。但在蓄水期,水位抬高进而在同时满足流速、水深和干扰少等条件下,能够改善珍稀特有鱼类的生存环境。通过研究长江上游珍稀特有鱼类资源的生境特征,可以更好地了解鱼类的分布和迁徙规律,辅助合理规划和管理渔业资源。同时,研究增殖措施可以指导人工放流等管理行为,有助于恢复和增强鱼类种群,维持渔业可持续发展。
探究滹沱河流域植被净初级生产力(NPP)的时空演变规律对于认知和改善周边生态环境具有重要意义。利用MOD17A3 NPP数据,采用一元线性回归分析及变异系数等方法对滹沱河流域2003—2022年的植被NPP时空演变进行分析,并将植被NPP与土地覆盖类型及地形因子结合进行了分区统计。结果表明:2003—2022年滹沱河流域植被NPP均值集中在300~400 gC/(m2·a);植被NPP最大值与平均值的峰值分别出现在2020年和2022年,为828 gC/(m2·a)与424.33 gC/(m2·a)。2003—2022年滹沱河流域植被NPP呈线性增长区域占研究区的96.46%,植被NPP相对年际变化率主要在20%~40%之间,且多年植被NPP的稳定性以较低波动为主。2003—2022年滹沱河流域植被NPP均值最低的植被覆盖类型为农用地,为331.92 gC/(m2·a);最高的为草地,为384.40 gC/(m2·a);随着高程、坡度的增加,植被NPP增加,从坡向看,平面的植被NPP最低。
以2000年、2010年、2020年Landsat影像为数据源,利用生态系统动态度和转移矩阵模型对近20 a阿里地区生态系统类型动态变化进行研究,其次基于“S-R-P”模型,选取14项指标构建敏感性评价指标体系,最终划分生态敏感分区,以期维护生态系统稳定,科学构筑生态安全屏障。结果表明:①8种生态系统类型均发生不同程度消长,动态度变化上,以城镇和农田生态系统变化最为活跃;②荒漠和草地是阿里地区生态系统演变中重要的“源”与“汇”;③生态敏感性以中、高度敏感区为主,面积16.88万km2,占比近50%,且空间分布上呈现西北高东南低、低敏感区环抱高敏感区的特征。
运河通航水流条件直接关系着船舶航行安全,通过整治工程能够有效改善对通航不利的水流条件。平陆运河工程对原河道加宽挖深后,原河道沿线汇入支流会与运河产生较大河底高程差,支流直接以高落差入汇会对干流通航水流条件产生不良影响。新坪水支流是其中与运河具有较大河底落差与较大交汇角度的代表性支流之一,为确保平陆运河通航顺畅,通过定床河工模型试验,研究新坪水支流汇入口河段通航水流条件,提出整治方案。结果表明:在运河修建基础上,加宽干支流河道、沿支流口增设消力池及导流堤后,各洪水工况下的通航水流条件均得到显著改善。研究结果能为类似河段航道整治提供参考。
为提高溃坝洪峰流量预测精度,提出了一种基于GRNN的预测模型,结合耳廓狐优化算法FFA进行超参数优化,实现对溃坝洪峰流量的预测。以国内外堤坝溃决数据库为基础,用溃口底部以上库容、溃口底部以上水深和溃口深度3种因子作为输入变量,构建FFA-GRNN溃坝洪峰流量预测模型。为验证模型在溃坝洪峰流量预测精确度和拟合度,与其他4种智能算法进行对比。结果表明:提出的FFA-GRNN模型相较于其他模型具有更低的RMSE、MAE和更高的拟合度R2,证明所建模型在整体上具有更好的计算精度与拟合效果。通过分析模型在溃坝洪峰流量预测中的适用性,可为溃坝分析提供技术支撑。
渗流场是诱发尾矿坝渗流失稳的主要影响因素。加强尾矿坝渗流稳定性研究是保障尾矿坝安全的重要基础,有利于降低尾矿坝溃坝风险。基于国内外的相关研究资料,从尾矿坝的渗流失稳破坏类型与影响因素、渗流稳定性分析方法以及安全监测预警研究三大方向进行综述,指出了尾矿坝渗流稳定性研究中存在渗透破坏判别方法研究不足、缺乏对渗流场影响因素的系统性研究、宏-细观多尺度模型试验测量手段及其概化分区方法的研究不足,以及缺乏综合性稳定分析与评价方法及安全监测预警技术等方面的问题。针对当前尾矿坝渗流稳定性研究存在的不足,提出尾矿坝渗流稳定性研究领域有待深入探讨的问题,为今后重点研究提供思路。
新疆某水库心墙坝用土为分散性土,设计采用掺1%石灰进行处理。为确保使用石灰改良分散性土的心墙坝工程质量,实现拌和的均匀效果,在碾压试验的基础上,使用ZB05型冷再生路拌机对石灰分别进行1、2、4、6次的拌和,通过SG-6型多功能直读式测钙仪随机快速检测土料石灰含量,对石灰改良土的均匀性进行质量控制;探究陈化时间对改良土击实特性的影响,并结合室内压缩和直剪试验研究现场施工环境下龄期对改良土物理力学性能的影响规律。结果表明:当碾压8遍且摊铺厚度为30、35 cm时,沉降量已基本稳定,干密度可满足≥1.73 g/cm3、压实度可满足≥99%的条件;在搅拌遍数为6时,拌和石灰的均匀性趋于稳定,变异系数为0.28;石灰改良土的陈化时间越长越不利碾压,按99%的压实度时评价陈化时间应≤9 h;改良土的压缩性和强度受龄期影响明显,龄期增大,石灰改良土的压缩性减小、抗剪强度增大,与室内试验规律相一致。研究成果可为采用石灰改良分散性土的工程提供理论支撑及参考。
为探究循环荷载下牡蛎壳粉改性膨胀土的累积应变和累积孔压发展规律,采用动三轴试验系统对膨胀土施加循环荷载以模拟车辆动力作用。试验涉及不同牡蛎壳粉粒径(dosp)、掺量(Fosp)和循环应力比(CSR)条件下的轴向累积应变和累积孔压发展规律。研究结果表明:当dosp<0.5 mm时,改性土的轴向累积应变和累积孔压随牡蛎壳粉掺量的增加而明显改善;当Fosp=9%、dosp<0.5 mm时,改性土的动力性能较为接近;当dosp>0.5 mm时,改性土的动力性能指标相比于素土有所劣化,且这种劣化作用随着牡蛎壳粉掺量的增加和粒径的增大而更加显著。根据研究结果,当牡蛎壳粉改性土用作设计速度200 km/h以下的有砟轨道铁路路基填料时,建议控制牡蛎壳粉掺量为Fosp=9%,粒径控制在dosp=(0.25,0.5]mm范围内。
为解决大型地下厂房分层开挖过程中,最佳初次支护时机难以确定的问题。基于隧道全断面开挖过程的横向变形特征,引入塑性体积率描述围岩开挖后发生塑性变形部分体积与开挖部分围岩总体积之比。根据不同应力释放率下隧道横断面位移释放率与纵向收敛变形曲线(LDP)特征,以位移释放率为纽带,提出了基于塑性体积率的地下厂房施工分层开挖过程初次支护时机确定方法。研究结果表明以塑性体积率描述的围岩变形演化规律更直观,突破了基于位移释放率方法中位移演化临界状态难找及无法应用于地下厂房分层开挖不同层初次支护时机确定的难题。某抽水蓄能电站地下主厂房二维和三维开挖数值计算结果表明所提出的基于塑性体积率的支护时机确定方法具有较好的规律性,可为大型地下工程分层开挖设计及施工提供参考依据。
毛乌素沙漠地区部分风积砂土在遇水后其强度会迅速降低,发生较大的沉降变形,即具有一定的湿陷性,影响工程建筑的安全稳定,研究该地区风积砂土的湿陷特性具有重要的工程实际意义。以毛乌素沙漠南缘风积砂土为研究对象,开展了风积砂土原状样和重塑样的室内湿陷特性试验,通过单因素分析法研究了风积砂土湿陷特性的影响因素和影响规律。结果表明:①毛乌素沙漠南缘风积砂具有一定的湿陷性,湿陷程度为轻微湿陷;②毛乌素沙漠南缘风积砂土的湿陷性随干密度的增大迅速减小,随含水率的增大而减小,随黏粒含量的增多而增大,随试验垂直压力的增大呈先增大后减小的趋势;③毛乌素沙漠南缘风积砂土是否具有湿陷性的界限指标为干密度取1.5 g/cm3、含水率取8%和相对密度取40.5%。
依托北京市东六环改造项目中京哈高速—潞苑北大街标段大直径泥水盾构隧道工程,结合地应力提取与掘进断面地层信息编码的地质数据处理方法,建立考虑地质条件的盾构参数智能预测模型,提出包含数据获取、数据预处理、数据分解、智能预测模型构建、模型训练与测试、结果评价与分析的一套智能预测分析方法,并对依托工程的盾构掘进参数进行了预测分析。分析结果表明在考虑地质条件后,盾构推力与刀盘扭矩的预测精度分别提高了38.53%与44.86%,保证了后续盾构掘进的施工安全。
在库坝区域边坡的连续变形监测应用中,地基合成孔径雷达干涉测量(GB-InSAR)容易受到测区大气环境变化干扰,导致其干涉图序列变形解算结果不够精确;同时大数量的连续GB-SAR影像处理过程较为耗时,影响了GB-InSAR整体解算效率和准实时的变形分析应用需求。针对上述问题,在常规多项式大气改正方法的基础上,引入了基于相位梯度的均匀格网采样法和干涉图叠加法,构建了一种基于抽稀高质量像元(HQP)的多项式大气改正方法,并将该方法应用于黄登水电站施工期右岸高边坡变形监测中。分析结果表明,二元多项式大气模型的RMSE均值为0.039 5 rad,明显优于一元模型和其他常规大气改正方法。该抽稀HQP方法RMSE均值为0.024 0 rad,同抽稀前精度相当,但整体解算时间由2.32 h大幅缩减至0.80 h,说明该方法能够在保证建模精度的基础上显著提高GB-SAR连续影像大气改正处理效率,可为边坡安全监测提供有效技术支持。
为了实现在统计资料匮乏时也能进行重力坝的可靠性分析,构建了仅需要不确定参数上下限的重力坝非概率可靠度评估方法。通过内切椭球模型描述了不确定参数的相关关系,引入比例因子将非概率可靠度计算模型转化为有约束的优化问题,利用Kriging模型对于高度非线性函数的适用性拟合重力坝单元功能函数,在此基础上,通过鲸鱼优化算法进行可靠度的寻优。经过实例分析计算,非概率可靠度计算方法与规范法得出的坝段的抗滑稳定均处于可靠状态,两种方法的结论相同,这验证了基于凸集比例因子和WOA-Kriging模型的重力坝非概率可靠度计算方法可以有效分析重力坝的可靠性。
为给某大型水电站的安全监测提供参考,使用有限元计算软件ANSYS对其坝体表孔弧形闸门进行了振动特性分析,主要考察了止水结构弹性对该闸门振动模态及自振频率的影响。分析表明:止水结构弹性对闸门的振动特性具有一定程度的影响,与不考虑止水结构弹性的计算结果相比,部分与闸门两侧约束条件关系较大的振型所对应的频率数值可能相差46.80%;在一定范围内,表征止水结构弹性的基础刚度系数越小,同种振型对应的振动频率越低;基础刚度系数取0.1~0.2 N/mm3时可以得到与原型观测的振动响应主频相符合的结果。研究提出了表征闸门止水结构弹性的方法,为相关系数的选取准则积累了基础数据,可为该水电站安全监测和其它工程闸门的振动分析提供一定参考。
植草混凝土细观结构是影响混凝土抗压强度的关键因素,研究其物理化学性能,对植生型多孔结构的混凝土性能提升具有重要意义。对植草混凝土进行了Rapid Air 457孔隙结构测定、SEM电镜、XRD衍射、力学性能试验与分析,结果表明:硅灰石粉和粉煤灰显著优化了植草混凝土的细观孔隙结构,随着硅灰石粉和粉煤灰掺量的增加,细观孔隙含量分别降低至0.85%和0.22%,平均孔径均可以减小至80 μm以下,并引起间距系数发生改变,进而促使植草混凝土的28 d最大抗压强度分别提升至10.1 MPa和11.3 MPa。根据电镜和衍射试验结果,结合DES分析,发现植草混凝土中钙硅比减小,证实了2种掺合料的水化产物使得植草混凝土胶凝材料内部结构更加致密,并对植草混凝土抗压强度产生积极影响,填补了植草混凝土细观孔隙结构研究的空白。
沱沱河冬季降水直接影响高原积雪,并通过热通量和辐射通量影响局地气候和大气环流。采用北极涛动指数提取了北极涛动正、负异常年份,研究了北极涛动异常对沱沱河站冬季降水的丰枯影响,分析了沱沱河站冬季降水与北极涛动间的多时间尺度相关关系,并探讨了沱沱河冬季降水对北极涛动异常的可能响应机制。研究结果表明,长江源区沱沱河站冬季降水受北极涛动影响较为明显,两者之间存在年代际尺度上的显著正相关:①对于北极涛动正异常年,对应沱沱河站冬季降水偏丰概率较大。冬季北极涛动正异常年,高原东亚冬季风减弱,高原南部南支槽(印缅槽)增强,使得来自北印度洋、孟加拉湾的西南暖湿气流相对偏强,导致降水偏多。②对于北极涛动负异常年,对应沱沱河站冬季降水偏枯概率较大;冬季北极涛动负异常年,高原冬季风偏强,引起南支槽减弱,西南暖湿气流相对偏弱,水汽难以北上进入高原,导致降水明显减少。
高寒湿地是一个巨大的碳库,对于高原野生动物栖息和生态安全维护具有重要意义。当前研究主要集中在海拔4 000 m以下,对于海拔>4 000 m高寒湿地表层土有机碳的研究仍待加强。基于长江源海拔最高(平均海拔>4 500 m)的查旦湿地20个监测点共60个样方的表层土采样化验,分析了高寒湿地表层土有机碳含量和有机碳占比的空间分布,并探究干流、南北岸支流的空间差异。结果表明查旦湿地表层土有机碳的含量在0.54%~18.47%之间,平均值为4.78%,在总碳含量中的占比高于80%,总碳、总有机碳在南北岸支流的空间相关性相反。研究加深了我们对高寒湿地表层土有机碳空间分布差异的理解,为进一步估算高海拔高寒湿地碳汇储量提供了前期探索和验证数据。
基于嵌套主成分回归模型,重建了长江源区公元1433—2002年的天然年径流序列,探讨了其历史变化特征与干湿事件演变及周期性波动。利用树轮数据及径流观测数据,结合模型评估指标(CRSQ、VRSQ、RE、CE),证明了该模型的重建精确性。研究结果表明,在过去570 a中,长江源区年径流量整体呈显著波动,识别出6个湿润期与9个干旱期,其中1451—1510年和1596—1645年是最长的湿润期,1848—1903年是持续时间最长的干旱期。重建时期的干旱与长江流域青藏高原等地区的干旱时期较为吻合,表明长江源区重建径流变化能够反映大尺度的气候波动。此外,长江源区重建径流序列存在4~8、16~32、50~100、100~200 a的显著周期性波动,可能受ENSO(厄尔尼诺-南方涛动)、东亚夏季风(EASM)变化、太平洋年代际振荡(PDO)及大西洋多年代际振荡(AMO)共同驱动,也反映了全球气候长期变化及青藏高原冰川与积雪消融趋势的影响。
