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2024年04期
特约稿

基于人水和谐视角的国家水网优化布局构想与展望

左其亭;蒋国栋;臧超;邱曦;张羽;

国家水网建设有助于缓解当前日益复杂的人水矛盾,基于人水和谐论开展国家水网优化布局研究,能够为国家水网建设提供新的思路。本文从人水和谐的视角出发,通过梳理国家水网提出过程,分析现阶段国家水网建设中亟待解决的问题,在此基础上辨析人水和谐论对国家水网优化布局的指导作用;进一步以人水和谐理念为引领,从指导理论、基本原则、布局方法、关键内容与研究途径等方面提出了国家水网优化布局的构建框架;从促进人与自然和谐共生、实现综合效益最优发挥、支撑国家安全总体保障、助力先进文化繁荣发展、建设现代水网智慧服务5个方面描绘了国家水网优化布局的蓝图;从理论、方法、技术、支撑体系4个方面对国家水网优化布局未来研究进行展望。

2024 年 04 期 v.45;No.195 ; 国家重点研发计划项目(2021YFC3200201);; 国家自然科学基金项目(52279027)
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暴雨洪涝及其应急响应研究专题

城市洪涝应急响应能力评价及优化研究

张金萍;李玉达;左其亭;张朝阳;

在气候变化和全球化的背景下,极端降水事件及其导致的洪涝灾害频发。为准确评估暴雨内涝影响下的城市应急服务水平,基于InfoWorks ICM构建了城区内涝模型,利用ArcGIS中的最快路径法评估了医疗、公安、消防的空间可达性,利用基尼系数评估了公共应急服务相对幼儿园分布的合理性,采用最大覆盖算法对医疗、公安、消防的分布进行了优化,并基于研究区的情况进行了分析。结果显示:研究区的医疗、公安、消防相对幼儿园的基尼系数随着降雨重现期的增加而增大;对研究区的医疗、公安、消防分布优化前,这些部门的分布不尽合理,其15 min内的应急服务可达性不能满足应急救援要求,研究区应急响应资源相对幼儿园缺失严重,相对来说,医疗应急响应缺失最为严重;对研究区的医疗、公安、消防分布优化后,这些部门相对于幼儿园的基尼系数普遍在0.400以下,医疗和公安的应急服务即使在百年一遇洪涝加晚高峰情景下仍可以在15 min内覆盖40%的研究区面积,消防可覆盖70%的研究区面积,医疗、公安、消防的分布相对合理。本研究为中国城市洪涝灾害应急响应能力评价提供参考。

2024 年 04 期 v.45;No.195 ; 国家自然科学基金项目(52379028);; 河南省自然科学基金项目(242300421007);; 2022年度“教授团队助力企业创新驱动发展专项”(JSZLQY2022076)
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1960—2020年河南省极端降水时空演变特征

李志刚;娄嘉慧;史冲;

全球变暖加快了水文循环速度,导致极端降水事件频发,增强了城市排水负荷和洪涝风险,并影响了区域气候的时空特征。在河南省均匀选取26个雨量站对1960—2020年61年间的降水资料进行研究,采用趋势分析、Kriging插值、M-K突变分析、Morlet小波变换和Spearman相关系数等方法对河南省9个极端降水指数的时空演变特征进行分析。结果显示:河南省年降水量呈上升趋势,极端降水事件呈下降趋势,河南省整体气候逐渐变得湿润。河南省极端降水指数具有显著空间差异,东南部极端降水风险显著大于西北部。除降水强度、最大连续降水日数和1 d最大降水量外,其余指数与年降水量、汛期和6—9月的各月降水量具有良好的相关性,这对于评估年降水量及其年内分布特征、极端降水事件频率有较好的参考作用。结果表明:降水从短历时高强度向长历时低强度演变,要应对此类长历时极端降水的风险,防涝思路应从提高短时间大量排水能力转变到提高长时间低强度吸收降水能力。

2024 年 04 期 v.45;No.195 ; 国家社科基金重大专项项目(18VZL001);; 河南省软科学研究计划项目(212400410465);; 河南省高校人文社会科学研究一般项目(2024-ZDJH-029);; 河南省社科联调研课题(SKL-2023-398)
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基于CNN-GRU-ATT的城市暴雨积水预测研究

胡昊;陈军朋;李擎;马鑫;徐鹏;刘明潇;

多发频发的极端暴雨事件导致很多城市普遍面临严重内涝问题。能否准确高效地预测城市积水点的水位变化,是城市内涝防治的重要组成部分。为有效提升城市暴雨积水预测的精度和效率,建立了一种基于卷积神经网络(CNN)-门控循环单元(GRU)-注意力机制(ATT)的城市暴雨积水预测模型。首先利用CNN与GRU提取水位数据的局部空间特征和深层时间特征,然后引入ATT加强对降雨序列中关键信息的记忆,从而完成城市积水点的水位预测。利用开封市某积水点的实测水位对模型进行了验证,并与以往的CNN-GRU、ATT-CNN-LSTM以及CNN-LSTM模型进行了对比分析。结果表明,CNN-GRU-ATT模型的损失函数在epoch=20处即达到收敛,损失函数值最终稳定在0.000 2左右,收敛效果较好。此外,与其他3种模型相比,CNN-GRU-ATT模型的预测精度评价指标表现均为最优,且模型仍能保持较高的运算效率。其中均方根误差为1.39%,平均绝对百分比误差为4.32%,决定系数为0.995 4。这表明CNN-GRU-ATT模型能够准确、高效地预测出积水点的水位变化情况,可为暴雨内涝预警和制定防汛排涝方案提供有效的科学依据。

2024 年 04 期 v.45;No.195 ; 河南省重大科技专项(231100320100);; 开封市重点研发专项(22ZDYF007)
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水文水资源

长江中下游流域实际蒸散发演变特征及驱动机制

曹新;邢万秋;傅巧妮;杨丽琳;

为了更好地了解长江中下游6个子流域蒸散发量时空演变特征,以及气候和下垫面因子改变对蒸散发量变化的影响,基于GRACE重力卫星观测数据和水量平衡法重建了长江中下游6个子流域实际蒸散发ET序列,评估并融合了3种ET数据集,获得1992—2015年高精度的逐月蒸散发量,分析了6个子流域蒸散发量年值和季节值的变化趋势,引入土地利用程度综合指数La,基于通径分析法定量评估了气候和下垫面因子对各子流域蒸散发量变化的直接和间接影响。结果表明:(1)3种数据集在长江中下游流域的适用性较好,基于最小二乘权重法的数据融合方法减小了ET_(recon)与ET_(NOAH)、ET_(GLEAM)的平均差和均方根误差,减小了ET_(NOAH)、ET_(CR)的标准差。(2)长江中下游流域多年平均蒸散发量为728.7 mm,空间上自西北向东南递增;6个子流域不同季节的蒸散发量均呈升高趋势,其中春、夏季的增幅最大。(3)各子流域年蒸散发量增加主要由La增强和气温升高所致,气温、La和植被覆盖率等要素的间接作用致使太湖流域风速降低对蒸散发量的影响从正向变为负向。(4)气温升高促进了NDVI对6个子流域春、夏季蒸散发量增加的正向效应,太湖流域、长江中游和下游干流区秋、冬季降水的增加削弱了辐射降低对蒸散发量变化的作用,而风速上升是洞庭湖流域、中游干流区冬季蒸散发量微弱增加的主导因素。研究结果将为长江中下游流域水资源管理、干旱预测和生态功能评估等研究提供理论基础与科学依据。

2024 年 04 期 v.45;No.195 ; 国家自然科学基金联合基金项目(U2240218);; 中央高校基本科研业务费项目(B220202034)
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引黄灌区水资源承载力多目标决策模型

冯涛;杨睿峰;左其亭;朱大炯;于磊;

开展灌区水资源承载力多目标决策研究,探究灌区水资源、社会经济以及生态环境三者之间的互动关系,对可持续性灌区建设具有重要意义。以赵口引黄灌区二期工程为研究对象,以灌区经济效益最大、缺水率最小、承载人口总量最多、污染物排放量最小以及粮食产量最大为目标,综合考虑灌区供需水能力、灌溉面积、污染物排放等多维临界约束,构建了赵口引黄灌区二期工程水资源承载力多目标决策模型,运用第3代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅲ)进行求解,获得Pareto最优解集,并依据不同的目标偏好和熵权法从中选取多套决策方案。研究结果表明:文中经济效益最大、社会效益最大、生态效益最大、人口总量最大以及粮食产量最大5个目标相互制约,Pareto非劣解侧重于追求其中一方效益最优的同时,必然会引起其他目标值(至少一个)变劣。因此,文中得到的多种决策方案可为灌区未来水资源承载力的提升提供科学理论指导。

2024 年 04 期 v.45;No.195 ; 河南省水利厅水利科技攻关项目(GG202125,GG202022);; 国家重点研发计划项目(2021YFC3200201);; 河南省重大公益性科技专项(201300311500);; 河南省高层次人才特殊支持计划项目(ZYQR201912184)
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面向耗水管理的河北平原灌区水会计设计与应用

吕丰光;张洪波;畅明琦;党池恒;丁浩;黎扬兵;

当前最严格水资源管理制度在我国正被不断深化,“三条红线”在水资源管理中发挥了关键性作用,但其与“真实节水”、微观个体管理及水资源利用效益管理方面的联系并不密切,亟待探索更为有效的手段,以完善新时期的水资源管理体系。在充分考虑水会计制度在不同层次核算主体间的适用性的基础上,结合灌区水会计制度的应用需求,将水循环物理机制中的耗水过程与水会计制度的各个环节进行融合,从精细化核算角度对灌区农业生产中的涉水要素重新进行了科目设计,提出了面向耗水管理的水会计核算方法体系,构建了面向耗水管理的水会计制度框架,并以河北平原的永安村灌区为例开展了实例应用。结果表明:该体系有效加强了耗水侧的控制与管理,通过调整种植结构(3种方案)和灌溉方式,农户农灌用水量分别下降了38.8%、22.2%、60.0%和39.8%,耗水量分别下降了36.6%、19.0%、56.5%和8.2%,且在消减各项水负债的同时有效提高了农户的经济效益;相比传统模式,文中提出的水会计制度更适用于灌区水资源管理,也更符合新时期我国最严格水资源管理制度与节水型社会构建的发展需求。

2024 年 04 期 v.45;No.195 ; 全球环境基金水资源与水环境综合管理推广(主流化)项目(HB-C-4-6/11);; 国家自然科学基金项目(51979005)
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水工结构

基于SVD-TE的高拱坝泄流振动传递路径识别

李紫瑜;张建伟;黄锦林;曹克磊;江琦;杨灿;

针对泄流激励下高拱坝坝身振动机理不明确、振动传递路径复杂的问题,提出基于奇异值分解法和传递熵法的振动传递路径的识别方法。基于拉西瓦拱坝水弹性模型表深孔联合泄流工况的实测数据,开展拱坝振动传递路径的研究。首先,基于SVD算法对拉西瓦拱坝坝身测点振动位移数据降噪处理;然后,运用传递熵算法,根据测点振动信息探索高拱坝泄流振动的主要振动传递路径,并结合已有研究成果验证振动传递路径的准确性。研究结果表明:拉西瓦拱坝在表深孔联合泄流工况下,泄流荷载诱发的振动主要由泄流孔处垂向传递至坝顶,泄流孔向拱冠梁顶部的信息传递率为48.7%;水垫塘冲击荷载与涌浪荷载诱发的振动主要由坝肩向坝中部水平传递,坝肩向1/4和3/4拱冠处的信息传递率分别为32.33%和37.58%;泄流振动在坝体处的传递路径有3条:泄流孔→拱冠梁顶部→1/4(3/4)拱冠、泄流孔→1/4(3/4)拱冠、水垫塘→坝肩→1/4(3/4)拱冠。本研究成果可为高拱坝泄流振动传递路径提供理论依据,为类似工程的振动机理分析提供参考。

2024 年 04 期 v.45;No.195 ; 国家自然科学基金项目(51679091);; 广东省水利科技创新项目(2020-18);; 华北水利水电大学创新课题(YK-2021-30)
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