预估全球升温1.5℃与2.0℃下淮河流域极端降雨的变化特征

卞国栋1，张建云2,3，王国庆2,3，宋明明2,3

（1. 武汉大学水利水电学院，湖北武汉　430072；2. 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；3. 水利部应对气候变化研究中心，江苏南京　210029）

摘要：淮河流域暴雨洪水灾害严重，科学预估未来全球升温1.5℃和2.0℃下淮河流域极端降雨的变化特征对流域防洪减灾及应对气候变化具有重要意义。基于最新的第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）中22个全球气候模式数据，利用改进的可靠性集合方案与概率比法，采用6个极端降雨指标预估了全球升温1.5℃和2.0℃下淮河流域未来极端降雨的时空变化与风险变化特征。结果表明：改进可靠性集合方案对淮河流域极端降雨的模拟性能要优于单一气候模式与算术平均集合方案；全球升温达到1.5℃与2.0℃阈值的平均时间段分别约为2017—2046年和2026—2055年；全球升温2.0℃下极端降雨指标增幅约为升温1.5℃下的1.4~2.6倍，其中流域北部地区为极端降雨增幅大值区；2种升温条件下极端降雨发生风险呈增加趋势，且额外增暖0.5℃将导致淮河流域极端降雨风险更高，如100 a重现期的极端降雨在升温1.5℃和2.0℃下将分别变为32年一遇和22年一遇，未来淮河流域极端降雨将会更加频繁。

关键词：极端降雨；CMIP6；多模式集合；全球升温1.5℃和2.0℃；淮河流域

融合数据同化与机器学习的流域径流模拟方法

邓　超1，陈春宇1，尹　鑫2，王明明3，张宇新4

（1. 河海大学水文水资源学院，江苏南京　210098；2. 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；3. 宿迁市水利局，江苏宿迁　223800；4. 南京水科院瑞迪建设科技集团有限公司，江苏南京　210098）

摘要：环境变化影响下流域径流的精确模拟对洪涝灾害防治与区域水资源管理都具有重要意义。在径流模拟研究中，现有机器学习模型未能充分考虑水文中间状态变量对降雨-径流过程的影响，本研究基于集合卡尔曼滤波（En-KF）更新水文状态变量，结合主成分分析（PCA）提取预报因子的主要特征，采用长短时记忆神经网络（LSTM）构建考虑水文中间变量的机器学习水文模型EnKF-PCA-LSTM。以赣江流域为例，评估EnKF-PCA-LSTM模型的径流模拟效果，同时将模拟结果与LSTM模型、物理水文模型HYMOD做对比分析。结果表明，EnKF-PCA-LSTM模型模拟径流的纳什效率系数、Kling-Gupta效率系数和对数纳什效率系数分别为0.954、0.971和0.972，比LSTM模型和HYMOD模型具有更好的模拟性能，说明考虑水文状态变量可有效提高机器学习模型的径流模拟精度及稳定性。研究成果可为流域径流模拟提供技术参考。

关键词：径流模拟方法；水文状态变量；集合卡尔曼滤波；主成分分析；长短时记忆神经网络

三峡水库1990—2021年洪峰沙峰异步特性分析

张　为1，朱敬一1，薛居理1，袁　晶2，杨成刚2

（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. 长江水利委员会水文局，湖北武汉　430010）

摘要：泥沙淤积问题是水库能否长期运行的关键，根据洪峰沙峰异步特性进行沙峰排沙调度是减少水库淤积、保持水库库容的有效手段，研究水库洪峰沙峰异步特性具有重要意义。针对现有分析异步特性的方法存在不能反映整体水沙过程异步情况、异步类型分类不明确等局限性，本文基于动态时间规整（DTW）算法，将洪峰沙峰过程图形特征数值化，进而计算异步时长并判断异步类型，以三峡水库1990—2021年的洪水过程为研究对象分析其洪峰沙峰异步特性。研究结果表明：三峡水库与金沙江下游梯级水库修建后，三峡水库坝前沿程各站的沙峰滞后比例增加，且距坝里程越近异步时长减小越多；与传统方法相比，DTW算法考虑了完整的场次洪水水沙变化过程，能有效处理复杂洪水过程，适用性良好，在水库运行管理与排沙调度方面具有应用潜力与发展前景。

关键词：洪峰；沙峰；异步特性；泥沙淤积；动态时间规整算法；三峡水库

小浪底水库运用对黄河下游河道水流阻力的影响

张原锋1，王　平1，申冠卿1，魏　欢1，张武欣2

（1. 黄河水利科学研究院，河南郑州　450003；2. 郑州黄河河务局巩义黄河河务局，河南巩义　451200）

摘要：小浪底水库运用后，黄河下游河床冲刷粗化严重、水流阻力变化十分明显。为定量描述小浪底水库运用对水流阻力的影响，基于黄河下游水文站流速、河宽、床沙粒径、曼宁系数等实测数据分析，结合床面形态控制数理论及实测床面形态资料，建立了包含床面形态因子的动床阻力计算公式，计算精度得到了黄河下游水文站1 508组实测数据的验证。分析计算表明：黄河下游床沙粒径上段粗、下段细的特征更加突出，高村以上游荡型河段沙垄发育、动床阻力增加明显；高村以下河段，河床冲刷粗化程度明显减少，动床阻力变化相对较小,但河槽断面趋于窄深，洪水期岸壁阻力增大明显。小浪底水库运用促进了黄河下游床面形态的发育，增大了各河段的水流阻力。

关键词：水流阻力；河床粗化；床面形态；动床阻力；小浪底水库；黄河下游

马莲河流域固沟保塬工程水文响应变化及优化

霍艾迪1,2，赵志欣1,2，王　星1,2，杨璐莹1,2，钟芳倩1,2，陈　建1,2

（1. 长安大学水利与环境学院，陕西西安　710054；2. 长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西西安　710054）

摘要：由于气候变化、土地利用变化及固沟保塬工程实施，黄土高原的水文循环变化备受世界关注。基于SWAT模型和中国大气同化驱动数据集（CMADS），定量分析了固沟保塬工程和4种土地利用情景对马莲河流域水文循环演变的影响。结果表明：SWAT+CMADS模式能够很好地模拟马莲河的水文变化过程；1995—2020年间，流域内年平均径流量减少了13 087.50万m3，降幅达到4.56%；流域内退耕坡耕地全部还林/还草情景较2020年土地利用情景相比，年平均径流量分别减少了283.80万、1 923.70万m3，固沟保塬工程（沟头填埋）情景下年平均径流量减少了1 135.30万m3。模拟研究固沟保塬工程和土地利用变化对马莲河流域径流的影响在生态环境保护和可持续发展方面具有十分重要的现实意义。

关键词：水文响应；固沟保塬工程；中国大气同化驱动数据集（CMADS）；SWAT模型；马莲河流域

基于水资源分区的中国水系发育度与连通度相关性

窦　明1，余佳琦1，关　健2，杨柳俊3，王　偲3，李桂秋1

（1. 郑州大学水利与交通学院，河南郑州　450001；2. 河南省自然资源监测和国土整治院，河南郑州　450000；3. 江苏省水文水资源勘测局南通分局，江苏南通　226000）

摘要：为了探究大型水系发育水平和连通程度之间的联系，以中国水资源区为基本单元，采用分形理论计算各水资源一级区的水系盒维数，并选用支流发育系数等多指标综合表征水系的发育水平；基于图论方法计算在流域单元分解、大型湖泊优化和大型调水工程连通等工况下各水资源一级区的水系连通度，并选用水系环度等多项指标来表征水系的连通程度；采用统计学方法分析各水资源一级区水系发育度指标和连通度指标的内在联系。结果表明：中国十大水资源区的水系盒维数在1.1~1.6之间，分为成熟、较成熟、不成熟3级；通过对各水资源分区的图模型改进，能更好地反映出水系的复杂性和细节特征，提高水系连通度的计算精度；通过相关分析显示，水系发育度和水系连通度指标之间整体呈正相关关系。该研究结果有助于定量描述水资源区的水系特征和连通程度,为水资源优化配置和管理调度提供借鉴。

关键词：水系发育度；水系连通度；水资源分区；分形理论；图论法

花山流域河水同位素年内变化及采样方案优化

廖爱民1,2，李薛刚1,2，刘九夫2,3，张建云2，王　越3，王文种3，李志恒1

（1. 南京水利科学研究院滁州综合水文实验基地，安徽滁州　239080；2. 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；3. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京　210012）

摘要：小流域河水同位素特征和采样方案研究对深入理解流域降水径流关系和构建同位素水文站网具有重要意义。针对江淮过渡带代表流域花山流域总控断面及其邻近嵌套子流域出口断面，开展了1个完整水文年的高频率采样,分析河水氢氧同位素年内变化特征，为制定小流域河水采样方案提供依据。结果表明：①花山流域两断面河水氢氧同位素的变化一致，但流域总控断面河水氢氧同位素要高于支流出口断面。②河水的氢氧同位素在年内从汛期开始呈现4个阶段的变化，即夏季波动下降期、秋季上升期、冬季平稳期和春季上升期。③河水同位素对暴雨过程有3种响应类型：暴雨中期陡降型、暴雨中期缓降型和暴雨后期缓降型。④推荐的河水常规采样方案为：夏季2d采集1次，其他季节每15d采集1次；推荐的降雨期间河水采样方案为：对夏、秋、春季出现中大雨以上的降雨，从降雨开始到降雨结束后的每隔4h采集1次断面水样。研究成果可为中小流域站网河水同位素监测采样提供借鉴。

关键词：小流域；河水；氢氧同位素；年内变化；采样方案；江淮过渡带

输水渠系水动力数字孪生模型糙率估计方法

管光华1，刘王嘉仪1，陈晓楠2，史良胜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. 中国南水北调集团中线有限公司，北京　100038）

摘要：为提高水动力数字孪生模型校正环节中糙率估计的实时性和精细化，考虑糙率值在渠道纵向上的空间变异性，提出基于水力半径变化和估计精度分段估计糙率的思路；基于渠道分段，提出独立估计法和联合估计法2种不同估计框架。基于有限的观测水位，在框架内应用集合卡尔曼滤波算法，在线估计各渠段的糙率值。结果表明：相比未分段时，2种估计方法可提高模型精度20%~50%，独立估计法误差累积小，适合复杂渠系；而联合估计法适用于观测量缺失的简单渠道。研究成果可服务于水动力数字孪生模型的参数估计和变量更新，为建设数字孪生水网提供参考。

关键词：糙率；输水渠系；数字孪生；南水北调；集合卡尔曼滤波；分段估计

沉水植被斑块尾流多尺度紊流结构研究

张维乐1,2，吴时强2,3，吴修锋2，薛万云2,3，王芳芳2，张　宇2，於思瀚2

（1. 天津大学建筑工程学院，天津　300072；2. 南京水利科学研究院，江苏南京　210029；3. 长江保护与绿色发展研究院，江苏南京　210098）

摘要：探究斑块尾流中多尺度紊流结构对理解植被群落影响下的泥沙输移规律和河床演化过程有着重要意义。通过室内水槽试验，分析不同高径比及植被体积分数影响下的斑块后水流特性，得到时均流速及雷诺应力分布规律；通过谱本征正交分解对其脉动场进行分析，探究不同尺度涡的空间模态及能量分布规律。研究结果表明：①冠层垂向剪切层内剪切强度及其最大量纲一剪切层垂向厚度随着植被体积分数增大而增大，随着高径比增大而减小。②斑块尾流中，大尺度涡旋对应频率集中在0.15~0.29Hz，对应斯特劳哈尔数为0.16~0.32，垂向分布介于0.2~1.3倍植被高度，纵向分布介于2~6倍斑块直径，横向关于植被中心线呈现出非对称分布。③纵向出流流速及剪切层内紊动强度是影响稳定尾流区长度的重要因素。剪切层纵向输运速度随着纵向出流流速增大而增大，剪切层垂向扩散速度随着紊动强度的增大而增大。

关键词：植被斑块；多尺度紊流；沉水植被；谱本征正交分解；尾流区长度

溪洛渡库区支流拦门沙形成机理

张帮稳1,2，邓安军1,2，王党伟1,2，冯胜航3，史红玲1,2，吕瑞茹1,2

（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. 中国水利水电科学研究院水利部泥沙科学与北方河流治理重点实验室，北京　100038；3. 中国长江三峡集团有限公司，湖北武汉　430010）

摘要：水库蓄水后，水深增加使得河道干支流水动力条件发生改变，干流泥沙倒灌造成支流淤积，影响水库有效库容和航运安全。以溪洛渡水库为例，基于实测资料和三维水沙数学模型，研究库区干流和支流的水沙输移规律,分析支流河口段泥沙淤积特性及拦门沙形成机理。结果表明：①库区支流河道淤积泥沙来自支流上游和干流倒灌,其中，支流上游来沙是库区支流河道淤积的主要来源。②干流倒灌库区支流河口形成对流和环流区，泥沙易于淤积，西溪河和牛栏江坡度较缓，存在形成拦门沙的风险较大；美姑河坡度较大，存在形成拦门沙的风险较小。③对于西溪河、牛栏江和美姑河，干流倒灌的距离随着流量的增加而增加，高水位运行时，水位对干流倒灌的距离影响不明显；而对于金阳河和西苏角河，干流倒灌的距离随着流量的增加基本不变，干流倒灌的距离随着水位的增加而增加。研究成果为新水沙情势下库区支流拦门沙风险防控提供依据。

关键词：拦门沙；干流倒灌；对流区；支流；溪洛渡水库

库岸有限厚度粉质黏土冲蚀演化规律及预测

陈　勇1，张书石1，CHAN Dave1,2

（1. 三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌　443002；2. Department of Civil and Environmental Engineering，University of Alberta，Edmonton，AB T6G 2W2，Canada）

摘要：土体冲蚀流失是塌岸发展和库岸再造的重要诱发因素。为准确预测水流作用下岸坡土体流失进程，自主研制了能够实时精确量测土样质量变化的新型冲蚀试验装置，开展三峡库岸粉质黏土冲刷起动和冲蚀进程试验，分析有限厚度土体冲蚀演化规律和影响机制，并建立预测模型。结果表明：有限厚度土体的总冲蚀量随时间增加但增速逐渐趋缓，冲蚀速率逐渐衰减，且冲蚀速率及其衰减程度均与孔隙比或流速成正比；将反映密实度的孔隙比和反映剪切力的水流速度嵌入预测模型能较好地拟合粉质黏土冲蚀演化进程曲线。建立的有限厚度土体冲蚀进程预测模型，为水流冲刷作用下岸坡形态变化趋势预测研究提供参考。

关键词：冲蚀试验；有限厚度；冲蚀比；冲蚀速率；预测模型

滨海地区分层含水层中陆源溶质运移过程

沈城吉1，李世昌1，卜建东2，邹永庆3，鲁春辉4,5

（1. 河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京　210098；2. 南京水科院勘测设计有限公司，江苏南京　210029；3. 北京禹冰水利勘测规划设计有限公司，北京　100048；4. 长江保护与绿色发展研究院，江苏南京　210098；5. 河海大学水灾害防御全国重点实验室，江苏南京　210098）

摘要：为更好地保护沿海水环境和水生态功能，亟需探究陆源溶质在滨海分层含水层中的迁移机制。构建二维分层含水层数值模型，采用地下水软件SUTRA-MS模拟分析潮汐作用下陆源溶质在分层含水层中的运移特征。结果表明：①与均质含水层相比，弱透水层的存在会延长溶质在含水层中的滞留时间、增大溶质最大扩散面积、削弱溶质在水平方向和垂直方向的扩散程度；②弱透水层能够降低陆源溶质向海水排放的最大通量，并且延长溶质排放的持续时间；③溶质扩散面积、弱透水层中溶质残余量、水平和垂向扩散程度等对弱透水层水力传导系数和厚度的敏感性优于弱透水层深度。

关键词：溶质运移；潮汐；弱透水层；分层含水层；数值模拟；滨海地区

射流冲刷底泥起动输移规律及机理

张文皎1,2，赵连军1,2，王仲梅1,2，赵　荥1,2，吕鸣聪1,2

（1. 黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南郑州　450003；2. 水利部黄河下游河道与河口治理重点实验室，河南郑州　450003）

摘要：水下高速流体射流冲沙是清淤作业的必要手段，如何有效提高射流造浆效率对河（航）道清淤和水库库容修复等工程具有重要价值。采用射流冲刷底泥起动输移试验与高速射流喷头流场数值模拟手段，研究不同水力要素下射流对底床的冲刷效果，分析射流流速分布及衰减规律，探明高速射流底泥冲刷机理。研究结果表明：射流造浆过程中存在最优冲沙距离，使得造浆速率及浑水体浓度增长速度最快；射流中线剖面上横断面射流时均速度分布、最大速度衰减规律具有相似性，不同射流流速下射流初步发展区的射流速度半宽增长率相同；射流冲刷效率与射流发展中的阻力损失和到达床面时的能量损失直接相关，确定合理的射流喷头布置高度有利于提高造浆效率。研究成果对射流造浆能力与速率的提升乃至清淤设备的升级改造提供了有力支撑。

关键词：射流冲刷；水库清淤；造浆效率；含沙量；射流速度半宽

基于拦河闸坝蓄水补给的大沽河流域海水入侵优化防治

张　迪1,2，王　莹3，郑小康1，曹智伟1

（1. 黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州　450003；2. 南京大学地球科学与工程学院，江苏南京　210023；3. 黄河水文水资源科学研究院，河南郑州　450003）

摘要：为减缓大沽河流域水资源短缺的现状，提出了一个新的多目标优化框架，用于优化管理流域现有的多级拦河闸坝蓄水工程措施和地下水开采策略。通过耦合校准的数值模型与概化的河流子程序包，模拟河流蓄水时大沽河-地下水间水力联系，重点关注最小化海水入侵程度、最小化河流渗流和最大化地下水允许开采量3个目标之间的权衡关系。采用NSGA-Ⅱ来搜索优化模型在不同气候条件影响下的帕累托最优解。优化结果表明，为了缓解海水入侵，在降水不足年份，靠近海水入侵区的闸坝应提高其蓄水位0.5~1.5m，其余闸坝应降低其蓄水位至少1m；4个县级行政分区在地下水压采约束下，年开采量在降水较少年份应比降水较多年份浮动调整120万~150万m3甚至更多。本文优化框架和调控策略可为人类活动强烈的其他沿海含水层管理提供重要借鉴。

关键词：海水入侵；沿海含水层；多目标优化；河道筑坝蓄水

黄河三角洲水文-地貌-生态系统演变与多维调控研究进展

凡姚申1，窦身堂1，于守兵1，王广州1，吴　彦1，谢卫明2

（1. 黄河水利科学研究院水利部黄河下游河道与河口治理重点实验室，河南郑州　450003；2. 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海　200241）

摘要：河口三角洲是由水文、地貌和生态耦合作用形成的复合系统，其演变具有时空波动性强、响应高度敏感、边缘效应显著与环境异质性高的特性，属典型的易失衡区。从黄河三角洲水文-地貌-生态子系统演变过程、耦合作用关系以及多维调控理论与技术等方面，阐述了多重压力下的子系统自适应调整与状态特征，归纳了水文条件与河口地貌-生态系统演变的互馈关系，搭建了多维协同的水沙配置研究框架，并提出了基于水沙优化配置的多维调控策略。针对目前研究存在的问题，从连续性监测平台建设、全过程模型构建、失衡风险预测以及多维调控理论与技术研究等方面提出了未来研究的重点方向，以期为优化利用有限水沙资源维持河口系统稳定提供科学支撑。

关键词：水文-地貌-生态；演变过程；耦合关系；互馈关系；多维调控；黄河三角洲