区域水平衡与健康水平衡实现路径

张建云1,2，胡庆芳1,2，王银堂1,2，金君良1,2

（1. 南京水利科学研究院水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京 210029；2. 长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京210098）

摘要：水平衡是自然界最重要的物质平衡之一，与水循环系统良性运行、生态系统稳定演替和水资源可持续利用具有密切关系。然而，已有研究对于水平衡的基本概念以及如何构建适宜的水平衡状态等重要问题，在理论和方法层面仍缺乏系统阐述。本文基于自然-社会水循环特点，深入阐述了区域水平衡的基本概念和多重内涵，解析了影响水平衡状态的主要自然和人类活动因素；从水循环系统的生态环境和社会经济综合服务功能出发，提出了健康水平衡的定义；建立了区域健康水平衡的综合评判准则与方法，提出了水循环系统的支撑能力提升和承载压力控减相结合的健康水平衡实现路径。健康水平衡可为国土空间发展规划与实践中落实量水发展原则提供重要指导。

关键词：区域水平衡；健康水平衡；实现路径；自然-社会水循环；国土空间；水安全保障

基于黄河流域水资源均衡调配的南水北调西线一期工程水量配置

王  煜1，周翔南2，彭少明2，武  见2，明广辉2，郑小康2

（1. 黄河水利委员会，河南 郑州 450003；2. 黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003）

摘要：南水北调西线一期工程生效后黄河流域水量分配模式决定了黄河流域水资源配置格局重塑和南水北调西线工程供水效益评价，为国家水网构建提供重要技术支撑。考虑西线供水范围可覆盖黄河主要供水区的特点,西线调入水量应与黄河流域水资源统一配置，考虑生态优先、公平为主兼顾效率的原则，构建了流域用水分级配置方法，建立了基于流域水资源均衡调配的西线调入水量配置模式，开展了不同情景优化配置方案研究。结果表明：南水北调西线一期工程调水80亿m3，配置给黄河河流生态用水33.70亿m3，配置给流域河道外经济社会用水46.30亿m3，其中95%以上配置给黄河上中游地区，流域缺水率降低至7.0%~8.3%。优化配置方案体现了生态优先原则，保障了黄河河道内基本生态环境用水，均衡了河道外经济社会用水的公平和效率，有效缓解了流域缺水。

关键词：生态优先；均衡调配；南水北调西线；黄河流域

 1966—2015年长江流域水文干旱时空演变归因

杨肖丽1,2，崔周宇1,2，任立良1,2，吴  凡1,2，袁山水1,3，江善虎1,2，刘  懿1,2

(1. 河海大学水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京 210098；2. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京210098；3. 长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京 210098)

摘要：气候变化和人类活动叠加影响下长江流域干旱情势日益严重且复杂多变，严重威胁着流域经济社会可持续发展，亟需探究自然变率和人类活动对长江流域水文干旱时空演变的作用机制，量化人类活动对水文干旱事件发生频次、破坏深度以及恢复速度的影响。本研究运用可细化人类活动影响的PCR-GLOBWB 2.0模型，耦合标准化径流指数（ISR）和可靠性-回弹性-脆弱性（RRV）框架，构建长江流域水文干旱状态的时空演变特征评估指标（ISRI-RRV），揭示长江流域1966—2015年水文干旱状态的时空变化规律，定量评估水库调度和人类取用水等人类活动对长江流域极端水文干旱事件发生频率、持续时间和破坏深度的影响程度。结果表明：PCR-GLOBWB 2.0模型和ISRI-RRV可准确表征长江流域水文干旱情势，量化人类活动对长江流域水文干旱状态时空演变特征的影响；1966—2015年长江流域水文干旱状态整体呈现恶化的趋势，但人类活动减少了1992年以来长江流域水文干旱面积占比；2006—2015年人类活动情景下长江流域的ISRI-RRV明显高于自然情景,以水库调节为主的人类活动对长江流域整体ISRI-RRV的提高贡献率较大。

关键词：水文干旱；可靠性-回弹性-脆弱性框架；PCR-GLOBWB 2.0模型；人类活动；长江流域

 中国东北三省地下水储量时空变化特征及其影响因素分析

王子龙，孙昌鸿，姜秋香，刘传兴，单家珣

（东北农业大学水利与土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

摘要：为完善区域地下水开发利用措施、规划区域地下水资源管理，利用GRACE卫星评估2002—2017年中国东北三省地下水储量变化规律。结合GRACE和GLDAS估算地下水储量变化，与实测地下水储量变化对比验证，并探究其影响因素。结果表明：GRACE模拟地下水储量变化与实测地下水储量变化相关性较强，为0.72；地下水储量在2013年盈余最大，2008年亏损最大，平均增长率为2.23 mm/a，秋冬两季有明显亏损，夏季发生盈余；地下水储量空间分布有明显差异性，2013年前东北少西南多，2013年后东北多西南少，黑龙江省变化较为明显，辽宁省和吉林省受旱灾影响亏损过多；降水量和农业用水量变化与地下水储量变化极显著相关，冬季地下水储量变化与降雪显著相关。研究东北三省地下水储量时空变化对中国乃至全球水资源优化配置和生态环境可持续发展具有参考价值。

关键词：地下水储量变化；GRACE；GLDAS；降水量；农业用水

 基于复杂网络的珠江流域片极端降水空间特征及时间规律分析

黎晓东1，赵铜铁钢1，郭成超1，田  雨2，杨  芳1,3，陈文龙1,3

（1.水利部粤港澳大湾区水安全保障重点实验室（筹）,中山大学，广东 广州 510275；2. 中国水利水电科学研究院，北京 100038；3. 珠江水利科学研究院，广东 广州 510611)

摘要：研究极端降水特征和演变规律对流域防灾减灾具有重要意义。采用长期逐日高分辨率卫星降水数据，结合统计显著性检验构建无向网络和有向网络，分别编码极端降水的连接与传播，以珠江流域片为例，分析极端降水的空间特征与时间规律。结果表明：西江流域有最大的极端降水发散源和汇聚地，红水河、黔浔江、左江交界处度中心性大于0.5，韩江流域和东江上游平均传播距离超过400 km，根据最大5%聚类系数辨识出五大流域极端降水中心；空间上，存在韩江流域、东江流域、珠江三角洲中心，长安-桂林场次中心来自柳江流域中心，海南岛中心对珠江流域片有传入影响；时间上，极端降水主要在5月下旬至6月上旬从珠江流域片向韩江流域、东江流域和珠江三角洲中心传入，在6月上中旬从韩江流域、东江流域、珠江三角洲和柳江流域中心向红水河、柳江、黔浔江及左江交界处传出。

关键词：复杂网络；极端降水；连接与传播；空间特征；时间规律

融合相空间重构和深度学习的径流模拟预测

师鹏飞1,2，赵酉键1，徐辉荣3，李振亚4，杨  涛1,2，冯仲恺1,5

（1. 河海大学水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京 210098；2. 长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京 210098；3. 广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510000；4. 中国科学院南京地理与湖泊研究所中国科学院流域地理学重点实验室，江苏 南京 210008；5. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098）

摘要：发展对数据依赖程度低、快捷实用和精准的模拟预报技术，可为资料缺乏地区径流模拟预测提供有效的解决办法。从数据驱动的角度，提出一种融合相空间重构（PSR）和长短期记忆神经网络（LSTM）的径流预测复合模型PSR-LSTM，在国内外不同气候分区的10个流域（站点）进行验证。结果表明：PSR-LSTM能够提取水文变量的多维子空间特征，并较好预测不同时间尺度的径流变化过程；相较于LSTM，PSR-LSTM预测未来1、3、5、7、9时间步长的纳什效率系数在10个流域平均提高1.49%~9.77%，均方根误差平均降低17.01%~19.72%，对训练数据量的依赖程度相比LSTM降低25%~33%。研究成果可为广大资料短缺流域水文过程模拟和预测提供参考。

关键词：径流预测；数据驱动；人工智能；相空间重构（PSR）；长短期记忆神经网络（LSTM）

 降雨数据时空精度对城市暴雨变异性及频率分析的影响

庄  琦1，刘曙光1,2，周正正1,2

（1. 同济大学土木工程学院，上海 200092；2. 中国气象局上海城市气候变化应对重点开放实验室，上海200030）

摘要：提升城市暴雨内涝防治精细化水平是解决城市洪涝问题的关键。采用16种不同时空分辨率的降雨产品,利用暴雨时空异质性评估指标和随机暴雨移置法,在上海地区定量评估降雨数据精度对暴雨事件时空变异性诊断和频率分析的影响。研究发现利用低精度降雨数据得到的年最大暴雨序列发生时间延迟、降水量低估，暴雨过程不均匀性提升、空间不均匀性降低；在不同重现期下，降雨数据精度对频率分析结果影响有显著差异，重现期越大，低精度数据带来的低估程度越大；时间精度的影响占主导地位，可达空间精度的5倍。在城市暴雨洪涝研究中有必要采用更高精度的降雨数据，建议与研究区域类似的小型城市地区在防洪设计中使用精度达(12 h、0.05°)或以上的降雨数据。

关键词：城市极端降雨；时空分辨率；不确定性；频率分析；IDF曲线；上海

 城市洪涝灾害应急疏散模拟及其效率-公平权衡分析

阎沁琳1，杜二虎1,2，郑春苗1,3

（1. 南方科技大学环境科学与工程学院，广东 深圳 518055；2. 长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京210098；3. 东方理工高等研究院，浙江 宁波 315200）

摘要：对城市洪涝灾害下的人群疏散过程进行精细化模拟、探究群体疏散效率与个体洪涝风险暴露公平性之间的权衡关系（效率-公平之争）可以为城市洪灾应急管理提供重要决策支撑。本研究以深圳市某居民区为研究区，构建基于主体（Agent-based）的洪灾应急疏散模型，分析疏散人口数量、避难所容量分配、不同风险区居民分批疏散顺序以及批次之间间隔时间等因素对洪灾应急疏散的协同影响，探究疏散过程中效率与公平的权衡关系。研究表明：疏散效率主要受避难所容量分配方式和疏散人口数量影响，疏散公平性主要受不同洪涝风险区居民的疏散次序影响；洪灾应急管理部门应综合考虑人口分布和交通路网情况，按实际需求分配避难所容量；在疏散管理中，应考虑洪涝风险分区，引导居民以一定次序分批疏散，并合理控制批次间隔时间，从而实现城市洪涝疏散效率和公平的权衡。

关键词：城市洪涝；应急疏散；基于主体的模型；效率公平权衡；基尼系数；NetLogo

 永定河流域多水源配置与水库群优化调度

彭安帮1，牛凯杰2，胡庆芳1,3，王银堂1,3，张  蕊2，蒋文航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. 山西水资源研究所有限公司，山西 太原 030001；3. 长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京 210098)

摘要：针对流域水资源系统中以“面”为主的多水源配置和以“线-点”为主的水库群调度耦合问题,提出多水源配置与水库群优化调度相耦合的二层结构方法。以永定河流域为研究实例，提出包括供水规则、引水规则、多水源供水策略以及共同供水任务分配策略的多水源配置与调度规则，以此建立多水源配置与水库群优化调度模型，分析多水源供水和不同需水情景下的调度方案，以及最优方案下的供水效益。结果表明：永定河流域考虑本地水、引黄水、南水北调水和再生水的多水源供水与节水相结合的情景方案为最优方案，生活用水保证率均大于99%，工业用水保证率均大于97%，灌溉分区供水保证率为76.7%~90.2%（除桑干河上游外），三家店断面生态供水保证率为96.3%；通过多水源供水和节水策略，可以极大地改善用水户的供水效益和保障三家店断面生态水量需求。本文方法可为流域多水源配置与水库群优化调度研究提供借鉴。

关键字：多水源配置；水库群优化调度；二层结构方法；供水效益；永定河流域

 洞庭湖入汇对荆江河段水位的顶托程度与范围

尚海鑫1，胡春宏1,2，夏军强1，周美蓉1

（1. 武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室，湖北 武汉 430072；2. 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 100048）

摘要：洞庭湖入汇对长江干流水位的顶托作用影响着荆江河段的水文情势变化，分析其变化特征对研究长江中下游防洪安全问题具有重要意义。为揭示汇流顶托作用的程度与影响范围，本文基于1990—2020年荆江河段水位流量关系与洞庭湖汇流比，提出洞庭湖入汇顶托程度的量化方法，构建计算顶托程度的随机森林回归模型，分析顶托程度主要影响因素的重要性。结果表明：① 洞庭湖入汇顶托程度与汇流比呈显著正相关关系；顶托程度随干流流量增大而增加，2003—2020年枯水、中水和洪水流量级监利站水位受顶托程度平均为0.59、1.33和1.60 m；顶托最大影响范围随干流流量与汇流比增大向上游延伸。② 随汇流比增大,在2020年干流枯水、中水和洪水流量级下，顶托最大影响范围的延伸区间分别为石首—沙市、石首—陈家湾和陈家湾—枝城；汇流比、荆江段累计冲刷深度、螺山水位及干流流量对顶托程度变化的重要性占比分别为28%、27%、25%和20%。③ 构建的顶托程度计算模型在不同流量级都能够较好地计算荆江河段水位的顶托程度并确定顶托影响范围。

关键词：顶托作用；水位—流量关系；随机森林回归；洞庭湖入汇；荆江河段

 复杂边界作用下三峡水库泥沙淤积特征与趋势

杨春瑞，邓金运，陈  立

（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072）

摘要：受上游水沙条件和水库调度过程等影响，三峡水库实际淤积过程较为复杂。本文基于一维泥沙数学模型，分析上下游边界条件变化对三峡水库淤积特征的综合影响，建立入库沙量和汛期坝前水位与库区淤积的经验关系，讨论了其贡献及未来淤积趋势。结果表明：上游干支流入库沙量和汛期坝前水位是影响三峡水库淤积的主要因素，其变化均将造成库区淤积重心的偏移，变动回水区下段及常年回水区上段的泥沙分选及冲淤情况受影响最为明显；2013—2020年，干流来沙对三峡库区淤积的贡献减小（由65%减小至42%），支流来沙贡献逐步增大（由32%增大至56%）；汛期坝前水位变化对该时段库区淤积较2003—2012年期间的影响已经较小（1.6%~1.8%）；当遭遇平常水文年水沙过程，未来三峡水库泥沙淤积量约在0.5亿t/a左右；当遭遇不利洪水组合水文年，尤其是支流发生大规模强降雨使岷江和嘉陵江洪峰流量大于30000m3/s时，三峡水库泥沙淤积量约在1.6亿t/a左右。

关键词：淤积；来沙；坝前水位；数值模拟；三峡水库

 基于离散裂隙基质模型的水平双裂隙含水层海水入侵机制

谢一凡1,2，曾祎芃1,2，杨  杰1,2，叶  逾1,2，吴吉春3，鲁春辉1,4

（1. 河海大学水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京 210098；2. 河海大学水利水电学院，江苏 南京210098；3. 南京大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210023；4. 长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京 210098）

摘要：探究水平双裂隙含水层中的海水入侵机制，对理解裂隙含水层中的海水入侵机制具有重要意义。本文构建了大型室内砂槽模型，并通过离散裂隙基质数值模型分析了不同分布形式的水平双裂隙对盐水楔、混合带等海水入侵特征的影响。结果表明：① 水平双裂隙能显著增强盐水楔及混合带的发展，裂隙间的咸淡水混合尤为显著；2条主干裂隙会限制彼此的作用，位于近海侧、含水层中部的裂隙作用更加显著。② 位于近海侧的裂隙高度越高，则盐水楔发展程度和裂隙间混合作用越显著，而近陆侧裂隙高度则仅对盐水楔尾部有明显影响。③ 位于含水层中部、底部的裂隙，越靠近内陆则盐趾长度更大、盐水体积更小，而远离盐水楔时则会使混合带和盐趾长度急剧变小。

关键词：海水入侵；地下水动力；水平双裂隙；室内试验；数值模拟

 臂坡对堰槽组合设施紊流结构影响试验研究

廖  伟1,2，张维乐3，王文娥2，王  坤1，巩  朝1，王芳芳3

（1. 中国三峡建工（集团）有限公司，四川 成都 610095；2. 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100；3. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）

摘要：堰槽组合设施在山区河流流量监测中具有很大优势，臂坡作为其关键形状参数，可以调节堰槽组合设施内水动力特性，改变堰后泥沙沉积分布和下游冲刷形态。为进一步探索臂坡对堰槽组合设施水流紊动特性的影响，通过室内试验，分析不同臂坡、来流强度及底坡因素影响下的底层水流特性变化，探究流速、紊动能、床面切应力等参数分布规律，揭示堰槽组合设施运行过程中水流能量耗散及冲刷机理。研究结果表明：臂坡影响流量的横向分布，臂坡增大加剧水流聚中，使两侧堰后水流下切回流增强，增加溯源冲刷风险；臂坡和底坡增大导致堰后两侧紊动强度及紊动能增大，加剧了堰下水流能量耗散，有效提高了设施的消能率；相比雷诺切应力法，设施后床面剪切应力计算更适合采用修正紊动能法且床面剪切应力较大值主要集中在两侧堰后区域；大尺度涡结构主要集中在排淤量水槽出口两侧，而其他涡区分布在两侧堰后区域。

关键词：堰槽组合；臂坡；溯源冲刷；水流结构；紊动；涡旋