全球变暖加剧了极端气候事件及其复合灾害的发生,对生态环境和社会经济造成的影响日趋严重。基于长江流域1961—2022年逐日气象观测数据,采用百分位阈值法识别极端气候事件,并从时间和空间2个维度构建4类主要复合极端气候事件,系统分析长江流域复合事件的时空分布及演变特征。结果表明:①长江流域热浪-干旱复合事件发生频次和年均日数空间分布总体呈“上游源区低、中下游大部高”,区域性热浪-干旱事件平均每年发生1.8~1.9次,单次事件平均持续日数9.6~9.9 d,最长持续日数53~59 d,近62 a来发生频次和持续日数均呈增加趋势,其中上游增加趋势更显著。②长江流域旱涝急转事件发生频次空间分布呈“上游低、中下游高”,上游发生频率约10 a 3遇,中下游约10 a 6遇,近62 a来发生频次总体呈微弱增加趋势,其中中下游增速是上游的2倍。③长江流域雨涝-热浪复合事件发生频次空间分布呈“上游源区低、中下游大部高”,上游发生频率约10 a 5遇,中下游约10 a 7遇,近62 a来呈显著增加趋势。④长江上游雨涝-中下游雨涝复合事件每年均有发生,年均发生频次和日数分别为3.7次、25 d,近62 a来总体呈波动增加趋势。整体而言,在气候变化背景下,长江流域复合极端气候事件呈趋多增强的趋势,长江上游与温度相关的极端事件加剧程度更突出,中下游地区与雨涝相关的极端事件加剧程度更突出,21世纪以来各类复合事件极端性显著增加,研究成果可为长江流域应对气候变化和灾害风险管理提供科学依据。

灌区作物生育期的高精度大范围识别,一直以来都是灌区智慧农业发展的核心需求之一。基于哨兵2号卫星影像数据,系统分析了冬小麦各生育期光谱反射率阈值以及植被指数曲线对生育期识别的有效性,并提出了一种融合多光谱特征与集成学习的冬小麦生育期遥感识别方法。首先筛选对生育期敏感的光谱波段及植被指数作为特征参数,进而通过 Stacking 框架集成支持向量机、随机森林等 5 种异构机器学习模型构建冬小麦生育期识别模型。在陕西省东雷抽黄灌区的应用结果表明,红边波段对模型的精度提升具有显著作用,且本文模型在实际应用中精度最高,分类精度达到了96%以上(Kappa系数为0.968 6),具有广阔的应用场景,可为灌区智慧农业的发展与决策提供重要支持。

针对大型地下储油库施工期围岩安全控制问题,首先明确了洞室围岩失稳类型及表现形式,采用块体理论分析了结构面不利组合引发的块体识别及稳定问题,对施工期识别出的关键块体的几何形态进行了归类,并根据类别筛选需支护的关键块体。然后围绕施工期跨层块体(大型洞室多层开挖才能完全揭露)的识别、顺洞节理参与下的洞室围岩失稳特征、洞室交叉部位的潜在失稳风险等几个关键问题进行探析。研究结果表明:采用块体理论判别结构面不同组合能否形成关键块体并开展稳定与支护分析,是对依赖围岩质量分级进行支护设计这一传统做法的必要补充;结构控制型的硬岩洞段是洞库围岩稳定控制的关键,常表现为结构面切割下的局部块体失稳,块体的几何形态可分为“端正形”“扁平浅埋形”“尖长深嵌形”3类,需支护块体通常为“端正形”。跨层块体是高边墙洞室施工的主要危险源,需将多层开挖获得的地质素描图进行拼接比对,以分析结构面跨层延伸特征和交切情况,判识能否形成跨层块体;顺洞节理因其可见的延展出露有限以及“隐伏状”特点,可能因认识不足而引发块体失稳;洞室交叉部位的临空面增加,更少的结构面切割也可能形成致灾块体,从而增大安全风险。研究成果不仅深化了施工期洞室围岩块体识别分析的认知,还可为类似洞室工程围岩稳定性控制工作提供参考。

长江源作为青藏高原辫状河群分布区,以宽浅多汊道、沙洲冲淤与切割频繁为主要特征。而且,长江源受冰川消融与冻土退化驱动,水沙通量显著增加,加剧了辫状河道的横向不稳定性,对区域生态健康和交通能源基础设施构成潜在威胁。系统梳理和总结了长江源辫状河流的时空多尺度形态动力学研究进展,基于空间尺度重构“全域-区段-单元”三级形态表征体系,整合遥感影像、数值模拟与野外观测等研究手段,揭示了气候变化驱动的差异化响应模式,阐明了高寒环境下水沙动力与形态演变的非线性影响机制。当前长江源辫状河流研究仍面临不规则平面形态的定量表征困难、时空多尺度形态对水文过程的响应机理不明、气候变化下水沙通量短期激增与远期趋势不定等挑战。通过系统梳理研究进展与关键挑战,凝练未来研究方向,为长江源辫状河流形态动力学的深入研究和高原河流生态保护提供了科学指引。

雷诺方程在求解紊流运动中被广泛应用,但斯托克斯在首轮评审意见中未对这篇具有深远影响的论文给出积极、肯定的评价,解析该现象的内在机理有助于深入理解紊流模型和理论。通过梳理其推导过程,得到如下主要认识:纳维-斯托克斯方程具备物理学完备性,导致无法再“塞进”其他独立定律,所以封闭雷诺方程的物理定律是不存在的,确定雷诺应力的法理基础缺失。这一本质性缺陷表明,试图在雷诺方程的层面找到普适的彻底解决紊流问题的纯理论模型是不可能的。

幸福河湖建设是加快推进生态文明建设的重大部署,是当前及今后一个时期河湖长制工作的重点任务。以西藏阿里地区中曲幸福河湖建设为例,梳理了幸福河湖建设在河湖系统治理、河湖管理能力提升、助力流域区域发展3个方面的15项重点建设任务。在此基础上,对照幸福河湖建设成效评估工作方案,从安澜、生态、宜居、智慧、文化、发展和公众满意7个方面,分析了幸福河湖建设成效。基于中曲流域特殊的地理位置、气候条件、地形地貌、生态环境以及文化习俗,探讨了高原幸福河湖建设过程中的难点问题,分别提出了解决方案和工作建议。希冀通过中曲幸福河湖先行先试,为高原幸福河湖建设提供理论依据与技术参考。

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。

约束混凝土箱型钢拱架是箱型钢和核心混凝土形成的组合拱架结构,也是有效控制软岩隧洞变形的一种新型支护形式,目前尚缺少关于这类拱架承载特性的研究工作。为此,推导了约束混凝土箱型截面压弯屈服判据,分析了该类型拱架的强度极限承载力和结构稳定极限承载力,同时对比了约束混凝土箱型钢拱架、H型钢拱架、箱型钢拱架3种类型拱架的承载特性。研究结果表明:约束混凝土箱型钢拱架截面屈服判据值在同型号中最高,其轴压屈服强度极限平均为箱型截面的1.4倍、H型钢截面的2.2倍,纯弯屈服强度极限平均为箱型截面的1.1倍、H型钢截面的1.5倍;约束混凝土箱型钢拱架强度和结构稳定极限承载力均高于同型号箱型和H型钢拱架,强度极限承载力是箱型钢拱架的1.3~1.4倍、H型钢拱架的2.2~2.3倍;结构稳定极限承载力是箱型钢拱架的1.03~1.04倍、H型钢拱架的1.10~1.27倍。约束混凝土箱型钢拱架承载特性优势显著,能够为软岩隧洞提供更为可靠和高效的支护。

受强人类活动和极端洪旱气候等因素综合影响,长江中下游江湖水沙情势、冲淤分布及江湖关系等均发生改变。三峡水库蓄水后,长江中下游干流年均输沙量大幅减少,减幅达70%~93%,年内流量过程总体有所坦化,但汛后因水库群蓄水而退水速率加快;洞庭湖四水及荆江三口年均入湖径流量无明显变化,入湖沙量呈减少趋势,入湖年均水、沙量分别减少了9%和38%;鄱阳湖五河年均入湖水、沙量分别减少了2%和57%,出湖年均水、沙量分别增多了1%和5%。水沙过程的改变引起长江中下游冲淤格局变化,2003—2021年长江中下游河段累计冲刷50.3亿m³,年均冲刷量2.65亿m³;洞庭湖区由淤积转为微冲,荆江三口洪道以冲刷为主;鄱阳湖区总体上由淤转冲,入江水道冲刷下切明显。未来30 a长江中下游干流河道仍将保持冲刷态势,至2050年末宜昌至大通河段、荆江三口洪道累计冲刷量分别为35.8亿m³和1.17亿m³,洞庭湖区呈微淤状态,鄱阳湖区呈微冲状态。基于长江中下游江湖冲淤新格局,从防洪、供水、航运、生态及涉水建筑物安全等5个方面,较为系统地阐述了江湖演变的影响效应,并针对性地提出了若干对策和建议。

在数字化时代的汹涌潮流下,各行各业正加速拥抱新质生产力的构建与革新,水利部对数字孪生流域及数字孪生水文的建设提出了更为严苛且前瞻的要求。针对当前水文工作面临的诸多挑战,经深入剖析发现,站网布局在部分区域仍存在显著空白,智能感知技术的融合与应用能力亟待加强,专业算法的智慧化转型尚需深化,全业务链应用系统的构建也尚未完善。因此依托长江水利委员会水文局长期的研究积淀与实践经验,提出了一系列针对性策略:通过持续优化站网布局并升级设施设备,构建更为综合高效的站网体系;通过实施“一站一策”策略,着力提升水文测报能力,并积极探索量子点光谱测沙等前沿技术,打造高度融合的智能感知体系;通过开展智能推流算法、低枯水流量测验算法及水文大模型等研究,构建智能算法集群;通过研发长江智慧水文监测管理系统、水文资料在线整汇编系统,搭建起覆盖全业务链的WISH应用系统。所提出的一系列水文智能感知技术研究与装备研制策略,将为加速发展水文领域的新质生产力提供有力支撑。

发展水利新质生产力,是破解长江新老水问题、提升流域安全保障能力、推动长江经济带高质量发展的内在要求和重要着力点。结合长江治理保护新阶段特征和面临的挑战,基于新质生产力概念,从生态水利科技创新、生产要素数字智能化、产业绿色转型升级等方面,探讨长江水利新质生产力的形成路径和原则要求,并提出加强近自然水工程、数字孪生、节水减污降碳、流域现代管理等方面的科技创新建议,以促进长江生态化、智慧化、绿色化和现代化发展。

墙背土压力分布及大小是装配式挡土墙设计的关键依据。设计并开展新型装配式混凝土挡土墙现场试验,研究挡土墙在加载条件下的位移模式和土压力分布规律。以现场试验为原型,建立无黏性填土、墙背倾斜且粗糙的挡土墙理论计算模型,同时考虑挡土墙位移模式与大小、土拱效应和土层间剪应力的影响,采用水平层分析法推导了绕墙底转动(RB)模式下挡土墙的土压力计算公式。结果表明:①该装配式挡土墙整体性能良好,绕墙底刚性转动。在RB模式下,墙顶处土体最先达到主动极限状态,土体从上至下逐渐达到极限状态;任意深度处的土体位移S_c达到7 mm时将达到极限状态,即S_c=0.16%H(H为墙高)。②本文理论解与试验值吻合较好,计算公式可用于求解挡土墙绕墙底转动过程中的土压力分布及大小。③随着挡土墙转动幅度的增大,土压力分布曲线凹向逐渐明显,土压力合力作用点高度呈现先降低后回升的现象;挡土墙转动角度η=0.007 rad为挡土墙达到主动状态的临界值。

水库排沙调度是三峡水库安全运行和发挥综合效益的关键技术问题。基于长序列实测水沙资料和水库调度运行情况,系统阐述了三峡水库汛期水沙特性、沙峰预报技术体系和水库汛期沙峰排沙调度试验效果。2012年以后三峡水库汛期径流占全年总径流量的45%,但汛期输沙占比达到84%,场次洪水输沙占比明显增大,且存在明显的水沙输移异步现象。基于泥沙实时报汛数据,构建多形式边界预报模型和库区水沙输移模型相耦合的水库泥沙实时预报系统,能够预报沙峰传播至坝前的时间和相应的含沙量,为水库汛期的沙峰调度提供必要的技术支撑。目前三峡水库已成功开展多次沙峰排沙调度试验,取得了预期效果,经调度后水库排沙比显著增大,场次洪水排沙比在27%～39%范围内。

三峡工程自2003年蓄水发电至今已运行20 a,初步设计主要功能全部实现,并适应运行条件变化和发展需求持续优化运行方式,防洪、发电、航运、水资源利用等综合效益全面发挥。截至2023年底,三峡工程累计拦洪运用66次,拦蓄洪水超2 088亿m³,确保了荆江河段防洪安全,极大减轻了长江中下游防洪压力;累计发出清洁电能超16 600亿kW·h,相当于节约标准煤5.1亿t,减少二氧化碳排放13.3亿t;极大改善了库区与长江中游航道条件,累计通过货运量超20亿t,有力促进了长江航运快速发展;枯水期累计向下游补水约3 400亿m³,有效保障了长江中下游供水安全;生态调度成效显著,四大家鱼资源量明显恢复。为了应对频发的极端水文事件带来的风险和挑战,确保三峡工程长期安全运行和持续发挥巨大综合效益,从推进气象水文预报技术研究与应用、三峡水库调度运行方案优化、创新成果转化运用、智慧化管理等方面提出了下一步工作展望。

经过70 a的建设,长江流域控制性水库群基本建成。以三峡水库为核心的梯级水库群联合调度已经开展10 a。在总结控制性水库群在防洪、供水、生态和应急联合调度取得成绩的基础上,分析控制性水库群及与水网工程联合调度面临的问题和挑战,提出了相应的对策建议。研究表明:水库群联合调度因流域防洪调度而启,目前在防洪、抗旱供水、生态环境和应急等公益调度中发挥了重要作用。气候变化及水文中长期预报不确定性是联合调度面临的主要挑战,其次是水库群联合调度与单个水库多目标调度利益协调、定量评价调度效果及合理的补偿等管理问题。加强“四预”是解决气候变化和人类活动不确定性的主要对策。水库群与水网工程联合调度可以更广泛地发挥水利工程水安全保障作用。建立科学合理的水工程群联合调度体制和机制是解决联合调度管理问题的有效措施。

长江源地区的冰川变化揭示了青藏高原气候变化趋势。冰下地形探测作为冰川发育和运动过程研究的基础,对长江地区水土保持和淡水资源储量研究具有指导意义。长江科学院在长达10 a的江源科考基础上,分别于2022年、2023年采用探地雷达(GPR)技术对长江正源沱沱河发源地格拉丹东主峰的冰川厚度进行精准探测,并对查旦湿地冻土厚度上限进行了探测研究。结合多种冰川和冻土地质模型的GPR波场模拟结果,提高了GPR技术在长江源地区冰川和冻土探测的有效性和精准度。探测结果表明,格拉丹东主峰冰川厚度和查旦湿地冻土厚度上限均有不同程度降低,冰川厚度和冻土厚度上限观测是一个常年积累的结果,后续仍需持续进行观测,积累更多数据,分析变化趋势,以估算探测区域内冰储量,研究气候变化对冰川的影响效果。

长江源区对气候变化的响应较为敏感,其河川径流也随之产生了明显的变化。根据长江源区直门达水文站及长江源区5个气象站1960—2022年实测水文气象资料,分析长江源区年径流和季节性径流变化规律。利用相关分析、交叉小波变换及主成分分析法,分析径流变化与主要气象要素之间的关联性。研究结果表明,近63 a来直门达站年径流呈现显著上升的趋势,尤其是近20 a径流大幅度增加。1960—2000年期间,长江源区各季节性径流变化趋势较为平稳。2000—2022年期间,各季节性径流均呈现出增加的态势并延续至今。对直门达站径流影响最为密切的气象要素主要为降水、气温、相对湿度等。

粗颗粒土作为土石坝的主要填筑材料,最大颗粒尺寸达到米级,室内试验试样只能进行缩尺。如何缩尺保证室内试验成果反映大坝实际填料的力学特性,一直是土石坝研究的难题。近年来大量学者就粗粒土的缩尺方法及缩尺效应开展了一系列卓有成效的研究工作,但在某些方面仍存在分歧。对现有粗颗粒土缩尺方法、试样试验边界效应、缩尺效应规律研究进行了系统总结和分析。最后,为解决粗颗粒土缩尺方法难题,介绍了长江科学院提出的一种粗颗粒土缩尺方法“旁压模量当量密度法”,阐明了“旁压模量相等”与“力学性质一致”的关系,诠释了“旁压模量当量密度法”的理论基础,为深入研究粗颗粒土缩尺方法提供了技术支撑。

基于水利工程影响下的产漂流性卵鱼类繁殖需求分析,开发了一种面向产漂流性卵鱼类繁殖的水电站生态水文过程调控方法,通过同步滚动调整启动时机和变动出库流量增幅来人工制造生态脉冲;在确定调控原则和目标的基础上,提出了水电站生态水文调控模型,并进行模型求解;在金沙江中游河段目标鱼类繁殖所需生态脉冲过程、中长期来水预测已知的前提下,将模型应用到梨园水电站生态水文调控实践,结果显示与模型类似工况的求解结果相近。实例验证了所提方法的可行性,可为其他已建水电站开展生态水文调控提供参考。

镇扬河段位于长江下游感潮段,为典型的分汊河道,长期以来其河道演变复杂多变。基于历史文献、古地图、近现代地形测图及水文资料等资料,分析了镇扬河段长期演变规律。研究表明:西汉之前镇扬河段为长江河口,泥沙在古河口逐渐落淤,北岸边滩发育,河道总体南移、河宽缩窄,江中泥沙落淤并逐渐发育为稳定沙洲,形成世业洲汊道与和畅洲汊道。历史时期,河道水力和输沙特性是河道形成和演变的主要因素,南北两岸节点为控制河势的关键;20世纪50年代后,镇扬河段河道形态相对稳定,近期演变主要表现为汊道段河势格局的调整,河道内各类工程的建设等人类活动成为影响河床演变的重要外因。