黄河源区水文预报的关键科学问题

雍　斌1，2，张建云1，3，王国庆1，3

（1. 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：黄河源区水文预报对龙羊峡、刘家峡等黄河上游梯级水库群的洪水资源化调度乃至整个黄河流域的水旱灾害防御都起着举足轻重的作用。然而，由于降水的地面观测严重匮乏、且缺少适用于高寒山区的专用水文模型，源区水文预报成为长期困扰黄河洪水/径流业务预报的难题。在回顾国内外相关研究的基础上，从高海拔缺资料地区的降水观测与降水预报、寒区水文模型构建与气象水文耦合系统集成、高原降水发生的气象成因与形成机制3个方面，评价了黄河源区水文预报的当前现状与技术水平，提出了黄河源区水文预报面临的关键科学问题；指出新一代多源降水信息融合与同化、高寒区特殊产汇流模型构建、无缝隙气象水文集合预报、强降水与连阴雨的多影响天气系统解析等，是当前黄河源区水文预报的研究重点与发展方向。

关键词：水文预报；降水；水文模型；天气系统；气象水文耦合；黄河源区

 特大城市外洪内涝灾害链联防联控关键科学技术问题

刘家宏1，2，梅　超1，2，刘宏伟3，房小怡4，倪广恒5，靳文波6

（1. 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　100038；2. 水利部数字孪生流域重点实验室，北京　100038；3. 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；4. 中国气象科学研究院气象影响与风险研究中心，北京　100081；5. 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京　100084；6. 应急管理部大数据中心，北京　100013）

摘要：近年来，特大城市极端暴雨内涝和流域洪水叠加导致的洪涝灾害风险呈增加趋势，造成了重大人员伤亡和财产损失，亟待开展流域洪水和城市内涝灾害链联防联控研究。融合气象科学、水文科学、信息科学、防灾减灾科学等多学科理论与方法，重点解决城市外洪内涝组合致灾机理与灾害链风险传递规律关键科学问题；突破流域-城市一体化协同监测与早期风险感知技术、城市外洪内涝链生灾害智能预警与定向发布技术、跨尺度洪涝耦合模拟与联合防控场景推演技术、城市洪涝联防联控应急预案编制与智能化决策技术等4项关键技术。构建以空天地气象水文协同观测、社会经济多源信息汇聚分析、灾害动力模型推演为基础的联防联控应急指挥决策业务系统，突出实时性、动态化、精准性和智能化，支撑特大城市外洪内涝全过程预报、预警、预演、预案“四预”业务实践。

关键词：流域洪水；城市内涝；灾害链；联防联控；“四预”措施

1956—2016 年中国年降水量及其年内分配演变特征

杜军凯1，仇亚琴1，李云玲2，卢　琼1，郝春沣1，刘海滢1

（1. 中国水利水电科学研究院，北京　100038；2. 水利部水利水电规划设计总院，北京　100120）

摘要：为分析中国降水时空演变格局，本文在月尺度上对水利部门与国家基本气象站的降水量监测数据进行融合，针对融合后的4 177个站点，使用趋势分析、突变检验和年内分配向量法等方法分析了集中度、集中期和最大4个月累积降水量占全年之比等多个指数的分布格局，分析了1956—2016年中国年降水系列的趋势性和突变性特征，以及降水年内分配过程的时空演变。主要结论如下：①中国降水时空分布不均，自东南到西北，年降水量总体递减，降水年内分布集中度递增；站点年降水量序列的变化趋势呈现较强的地带性，自东南到西北呈“增—减—增”的3个条带；显著增加条带分别位于东南和西部地区，显著减少的条带位于中部，从东北地区向西南绵延至边境；年降水序列的趋势性变化大多伴随着突变，发生在20世纪80年代的站点最多。②沿200 mm和400 mm年降水量等值线，中国北方出现1 个“汛期降水减少”条带，但其时间尺度效应较强；在月尺度上，站点汛期降水占比下降，非汛期降水占比增加；而在日尺度上则相反，连续3 ~7 d累积降水量的波幅加大，表明降水事件的极端程度在增强。③降水序列变化与径流的同步性较好，中国西北和东南地区年降水量呈增加趋势，典型水文站的还原径流量同步增加；年降水量显著减少、且最大4个月累积降水量占比指数减少超过10% 的区域集中在北方的辽河、海河与黄河流域等非湿润区，相应水文断面的还原径流量显著减少。

关键词：降水；年内分配；降水集中度；降水集中期；演变规律

基于地块概化和路网精细模拟理念的城市雨洪过程分区自适应模型

李东来1，侯精明1，申若竹2，高徐军1，3，黄绵松2，马　越4

（1. 西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安　710048；2. 宁夏首创海绵城市建设发展有限公司，宁夏 固原　756000；3. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安　710065；4. 陕西省西咸新区沣西新城开发建设（集团）有限公司海绵城市技术中心，陕西 西安　712000）

摘要：为解决城市尺度雨洪模拟过程中常见的地块区域地形及管网资料不足、道路区域行洪与积水严重以及现有雨洪模型计算精度差或计算效率低等问题，提出基于地块概化模拟和路网精细模拟理念的城市雨洪过程分区自适应模型。对于资料不足的地块划分子汇水区单元，采用水文学概化方法计算产汇流过程；对道路区域划分精细网格，采用二维水动力学方法模拟水流运动过程；两者均与管网模型耦合连接，共同驱动管网模型进行汇流计算。以西咸新区沣西新城核心示范区为研究对象，搭建研究区域分区模型，对比分析整体区域均采用精细网格的全分布模型和整体划分子汇水区的半分布模型的模拟结果。结果表明：①分区模型综合考虑了地块管网排水与道路径流过程，可模拟出道路低洼区域在地表产汇流和管网溢流综合作用下的致涝过程，整体径流路径符合实际降雨水流运动规律；②相较半分布模型，分区模型在道路区域采用精细网格进行计算，可较好模拟道路区域的积水过程；③相较全分布模型，分区模型显著减少了计算量，在不同设计降雨下减少了28.2%~73.5%的计算耗时。该耦合模型有效地克服了数据条件和计算能力的限制，可为城市洪涝模拟提供一种新的耦合模拟思路。

关键词：城市雨洪；SWMM；全分布模型；半分布模型；分区模型

极端降水下的城市地表-地下空间洪涝过程模拟

郭　元1，王路瑶1，陈能志2，金菊香3

（1. 郑州大学水利与土木工程学院，河南 郑州　450001；2. 福建省水利水电勘测设计研究院有限公司，福建 福州　350000；3. 福州大学土木工程学院，福建 福州　350100）

摘要：极端降水引起的城市内涝问题日益严峻，大量地表积水甚至衍生出部分地下空间的淹没受灾。针对目前水文水动力模型地下空间研究应用不足的现状，以郑州市某片区2021年“7·20”特大暴雨下的内涝过程为例，构建基于InfoWorks ICM的区域地表-地下空间联合模拟模型，对地下空间采用概化蓄水池法和水力连通法2种方式建模，分析局地内涝的成因、发展和影响。结果表明：地下空间内涝对地表积水的削减作用有限；概化蓄水池法简洁易行，水力连通法详细还原地下淹没过程；累积雨量和强降水时段对地下空间洪涝均有重要影响。地表-地下空间洪涝模拟丰富了城市暴雨洪水预警预报的内容，为防灾减灾提供支撑依据和参考。

关键词：极端降水；地下空间；地表-地下联合模拟；城市内涝；致灾降水

基于改进垂向流量交换的城市内涝模拟方法

金　溪，周鹏飞，张翔凌，刘承宇

（武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉　430070）

摘要：针对内涝一维、二维耦合模型垂向流量交换计算过程复杂、计算稳定性差等问题，采用节点水量平衡原则对垂向流量交换方法进行改进。将节点分为超载节点及未超载节点，对于超载节点利用节点水量平衡原则进行垂向交换流量计算，将垂向交换流量计算与一维模型水力计算相融合，实现节点垂向交换流量与管段流量同时求解；对于未超载节点采用变水头孔口出流公式进行垂向交换流量计算，实现考虑地表水深变化的节点回流计算。采用Infoworks ICM模型作为对照，对比分析不同案例模拟结果，研究表明，改进方法与对照模型模拟结果吻合度高（纳什效率系数超过0.8），在内涝模拟过程中能准确模拟垂向流量交换，并保证系统水量平衡，对城市内涝模拟分析具有较好的应用价值。

关键词：城市内涝；耦合模型；SWMM；垂向流量交换

海河流域典型区地下水回补适宜性评价

曹文庚1，2，文爱欣1，3，南　天1，2，王　哲4，高媛媛5，崔亚莉3，孙晓悦1，6

（1. 中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄　050061；2. 自然资源部地下水科学与工程重点实验室，河北 石家庄　050061；3. 中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京　100083；4. 水利部海河水利委员会水文局，天津　300170；5. 水利部南水北调规划计划管理局，北京　100038；6. 华北水利水电大学测绘与地理信息学院，河南 郑州　450045）

摘要：大清河流域是海河流域地下水超采最为突出的地区，为了解决地下水超采问题，本研究开展了流域内山区-平原一体化地下水回补适宜性评价。选取地下水位埋深、渗透系数、距离南水北调中线干渠距离、距离水库距离、降水入渗系数、有效储水空间、坡度和地表高程构建GIS-AHP决策模型得到研究区回补适宜性分区图，并使用数值模拟评估回补效果。研究表明：回补适宜区主要分布在拒马河、青龙河、唐河、磁河的近山前河段，占总评价区域的4.5%；同时，根据回补适宜评价结果对河道分段精细化补水，能大大减缓地下水储变量下降速度，回补最佳。因此，基于GIS与数值模拟结合的流域地下水回补适宜评价，有助于大幅提高区内水资源利用效率，提供最优超采治理方案。

关键词：地下水回补；适宜性；地下水储变量；GIS-AHP决策模型；数值模拟；大清河流域

黄河三门峡水库水沙电耦合模型研究及应用

夏军强1，张贤梓依1，王增辉2，周美蓉1，娄书建3

（1. 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；2. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌　712100；3. 黄河水利委员会三门峡水利枢纽管理局，河南 三门峡　472000）

摘要：为实现多沙河流水库短期兴利效益和长期减淤效益的平衡，采用数学模型研究水库减淤与发电综合效益具有重要意义。充分考虑水沙输移和河床变形的耦合作用，通过结合一维水沙计算模块、水库调度模块以及发电计算模块，建立了考虑水库调度的水沙电耦合计算模型。将该模型应用到三门峡水库，采用2019水文年和2020水文年实测水沙资料分别对模型进行率定及验证。并应用该模型研究了不同水沙条件和调度方式对水库冲淤和发电的影响。计算结果表明：各测站流量、水位以及含沙量的计算过程与实测过程符合较好，发电量计算值误差均在15%以内，该模型能较为准确地模拟库区冲淤及电站发电过程；较丰水枯沙过程，其余3 种典型水沙条件下冲淤量和发电量变幅分别达129%~360%及18%~52%，受入库水沙条件影响大；降低非汛期起调水位有利于控制非汛期库区淤积，提高汛期敞泄的临界入库流量有利于提高减淤及发电综合效益。

关键词：库区冲淤；水库调度；发电量计算；水沙电耦合模型；三门峡水库

长江下游落成洲河段洲滩联动关系与航道浅滩碍航机制

杨云平1，2，张夏博2，郑金海2，朱玲玲3，王建军1，方娟娟4，魏　稳5

（1. 交通运输部天津水运工程科学研究所，天津　300456；2. 河海大学，江苏 南京　210098；3. 长江水利委员会长江水文局，湖北 武汉　430010；4. 长江科学院，湖北 武汉　430019；中山大学海洋科学与技术学院，广东 中山　528406）

摘要：航道浅滩演变与边心滩形态调整具有强关联性，叠加河道冲淤不均衡性、上游河段冲刷供沙等综合影响，使得航道浅滩碍航机制更趋复杂。本研究以长江感潮段内落成洲河段为对象，通过1959—2021年洲滩形态、河床冲淤特征、水动力环境与浅滩碍航特性等分析，明确边心滩—浅滩演变联动关系、上游河床冲刷供沙及对浅滩演变的影响机制。研究结果表明：①1981年以来落成洲河段所在的扬中河段由淤积转为1991年以来的持续冲刷，1981—2021年枯水河槽冲刷量为3.97亿m3，占洪水河槽冲刷量的95.9%；②三峡工程运行前嘶马弯道崩退—落成洲左缘淤积—三益桥边滩未发育，即嘶马弯道崩退是洲滩联动演变的主要诱因；③三峡工程运行后至航道整治工程实施前的来沙量减少引起洲滩整体冲刷，落成洲冲刷为三益桥边滩提供了发育空间，逐渐淤涨的三益桥边滩与水沙条件共同使得落成洲冲刷和右汊冲刷发展，即三益桥边滩形态变化逐渐由被动淤涨转为洲滩联动演变的主因；④1981—2010年三益桥边滩淤涨、落成洲洲头与左缘冲刷等决定着三益桥浅滩碍航程度，由于流域来沙量减少引起的河床冲刷使得碍航程度减弱，2011—2021年航道工程作用下的落成洲左缘边界逐渐稳定与下浅区航道条件得到改善，同时三益桥边滩面积由淤积转为小幅冲刷，航道碍航位置逐渐上提形成上浅区；⑤二期工程实施以来，流域来水过程条件、三益桥边滩冲刷和落成洲右汊相对发展等变化仍不利于落成洲河段前滩段航道条件的稳定，建议后续完善工程中采取稳定洲滩边界与限制右汊冲刷发展的工程措施。

关键词：洲滩变形；航道条件；浅滩演变；驱动机制；落成洲河段；长江下游

1986—2021年雅江-尼洋河交汇段辫状河道演变过程

游宇驰1，李志威2，余国安3，胡旭跃1

（1. 长沙理工大学水利与环境工程学院，湖南 长沙　410114；2. 武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室，湖北 武汉　430072；3. 中国科学院地理科学与资源研究所中国科学院陆地水循环与地表过程重点实验室，北京　100101）

摘要：雅鲁藏布江与尼洋河交汇段的辫状河道形态及变化主要受尼洋河入汇、河谷边界条件及滨河植被的影响，时空变化的差异性和复杂性值得研究。利用1986—2021年遥感数据提取河道-沙洲-植被主要形态参数（主河道迁移率、弯曲率、面积等）分析辫状河道形态的复杂特征与演变过程。结果表明：主河道迁移率最大为483m/a，曲率减小3.43%，植被面积逐年增加到8.05 km2 。米林—派镇段辫状河道受边界条件和水文条件的差异影响，主河道在尼洋河汇入前呈横向单侧摆动，汇入后雅鲁藏布江主河道同时发生横向与纵向摆动；2013年以来该河段的植被仅有11.8%的覆盖区域对河床产生抑冲促淤的正向反馈并促进沙洲的稳定。

关键词：辫状河道；河道交汇；水沙条件；边界条件；植被作用

金沙江下游区间来沙驱动因子分析及产沙预测模型

谭寓宁1，2，刘怀湘1，陆永军1，3

（1. 南京水利科学研究院水文水资源及水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京　210029；2. 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都　610065；3. 长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京　210098）

摘要：随着长江上游梯级开发的快速推进，金沙江下游干支流来沙占比失衡现象日益突出，区间水沙实测资料欠缺的问题严重影响了对干流库群泥沙淤积的预测。为系统性了解并掌握金沙江下游区间内泥沙分布全貌，明晰区间来沙时空异性特征以及归因，基于已有支流水文站泥沙序列与因子集，采用秩相关分析研究了区域内地形、气候、土地覆被、空间尺度各类因子对流域产沙的潜在影响和各因子之间的变化独立性。通过参数降维与双重回归分析相结合的方法识别关键因子组合并构建输沙模数预测模型。研究结果表明：8°以上坡度占比、气温和集水面积的驱动因子组合能够较为完整地解释研究区域产沙机制，并在此基础上建立了能解释约92%输沙模数变化性的预测模型。根据模型计算得到广大无实测资料区域的输沙模数分布范围为87~1 189 t/（km2·a），近50 a 来减小幅度约50~300 t/（km2·a）。在此基础上识别白鹤滩、溪洛渡高产沙及上下游低产沙区间，并分析了该空间不均衡特征的削弱趋势。

关键词：流域产沙；悬移质输沙量；输沙模数；区间来沙；预测模型；金沙江

渗流对潮沟沟壁崩塌影响的三维物理模型试验研究

龚　政，唐　帅，赵　堃，张凯丽

（河海大学江苏省海岸海洋资源开发与环境安全重点实验室，江苏 南京　210098）

摘要：潮沟在海岸动力作用下因沟壁崩塌而频繁地迁移摆动，显著影响潮滩-潮沟系统的稳定性。现有研究多关注涨潮时期潮沟内部的水流冲刷，落潮期间的渗流侵蚀过程却少有涉及，亟需研究渗流对潮沟沟壁稳定性的影响机制。本研究通过物理模型试验探究渗流对潮沟沟壁崩塌的影响，从沟壁崩塌类型、沟壁线变化过程和沟壁后退速率3个方面开展分析。研究结果表明：沟壁破坏类型与渗流水头相关，渗流水头的增加导致破坏类型由悬臂破坏转变为张拉破坏；沟壁后退速率与渗流水头之间存在正相关关系。本研究揭示了渗流作用下潮沟沟壁崩塌的力学机理，阐明了落潮不同阶段沟壁的崩塌过程，对研究潮沟演变有重要意义。

关键词：沟壁崩塌；渗流；物理模型；潮沟；潮滩

冰盖下水流紊动特性试验研究

陈　刚1，2，董增川1，王海军3，顾世祥2，杨红宣3

（1. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京　210098；2. 云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明　650021；3. 昆明理工大学电力工程学院，云南 昆明　650500）

摘要：河冰是陆地冰冻圈的重要组成要素，在生消演变过程中影响水流运动规律，受冰凌影响河流流态可分为明流、完全冰封和部分冰封。为探究冰盖下水流的紊动特性，采用声学多普勒三维测速仪测量3种流态的恒定均匀流场，对比分析纵向时均流速、雷诺应力和紊动强度的分布规律。结果表明：完全冰封流纵向时均流速垂向上呈不对称“Ɔ”型分布，雷诺应力在垂向上线性分布，紊动强度在基于双层假定划分的冰盖层和床面层均符合指数分布律；部分冰封流纵向时均流速垂向分布兼具明流和完全冰封流的特性，存在横向动量交换，导致冰盖区、明流区和过渡区的雷诺应力和紊动强度在水深方向上也存在明显的差异。试验结果可为冰凌灾害防治和供水安全保障提供理论指导。

关键词：冰盖；紊动特性；流速分布；雷诺应力；紊动强度

高强度扰动下海岸动力地貌特征研究进展

伍志元1，2，蒋昌波3，4，陈　杰1，3，邓　斌1，3

（1. 长沙理工大学水利与环境工程学院，湖南 长沙　410114；2. 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京　210098；3. 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南 长沙　410114；4. 湖南工业大学土木工程学院，湖南 株洲　412007）

摘要：海岸带是陆地、海洋和大气相互作用最强烈的地带，也是受全球气候、海平面变化以及人类活动影响最大的地区。海岸带动力过程具有明显的海洋-陆架-海湾-海岸多尺度多物理场特点，动力地貌过程和响应机制极具特色。台风等极端气象事件的频繁发生，工程措施等强人类活动的影响，导致海岸带动力地貌演变规律呈现出更大的不确定性。从高强度扰动下海岸动力条件、极端条件影响下海岸动力地貌特征和强人类活动影响下海岸动力地貌特征等方面，综述了已有研究工作进展。全球气候变化和人类活动共同作用的海岸带多尺度动力过程和海岸地貌响应内在机制极其复杂，在未来海岸动力地貌特征的研究中，需要进一步从大气、海浪、海洋和泥沙等多物理场，海洋、陆架、海湾和海岸等多尺度，动力条件、泥沙输移和地貌塑造等多过程的角度，探究高强度扰动下海岸带动力过程、响应机制和演变规律。

关键词：海岸带；动力地貌；台风；人类活动