地表水资源是维系区域生态平衡和促进经济社会发展的制约性要素,河川径流是地表水资源的主要形式,二者的丰枯变化均直接影响流域水资源管理。基于江河实测径流量资料和水资源公报资料,初步分析了1956—2018年中国主要江河实测径流量和中国十大水资源区地表水资源的变化和演变特征。结果表明:① 除长江大通站外,中国主要江河代表性水文站实测年径流量均呈现下降趋势。② 黄河上游唐乃亥站实测年径流量为非显著性减少趋势,黄河花园口站实测径流量呈现显著性减少趋势;1980—2000年和2001—2018年唐乃亥站实测径流量较基准期1956—1979年分别变化1.8%和-5.9%,而同时期花园口站实测径流量分别减少26.7%和41.0%。③ 地理分布上,黄河是中国南北地区径流变化的分水岭,黄河以南地区江河径流量为非显著性变化,黄河以北江河径流量为显著性减少趋势,特别是海河流域,实测径流量减少最为显著;21世纪以来,黄河以北河流实测径流量较1980年之前减少幅度超过25%,海河减幅高达80%以上。④ 1956—2018年全国地表水资源量约为27 266亿m³,较第二次全国水资源评价结果偏少122亿m³。21世纪以来,海河、黄河、辽河地表水资源明显减少,进一步加重了区域水资源供需矛盾。

大型水利枢纽的修建引起了下游河道的冲淤调整,对生态环境、防洪、航运等都有显著的影响。2008年三峡水库175 m试验性蓄水以来,城陵矶以下河段冲刷加剧。为探究水库影响下游河道冲淤调整特征及其驱动机制,分析了城陵矶至九江段河道冲淤分布及断面形态变化特征:2008年以来河道冲淤变化主要集中在基本河槽,其变化占整个平滩河槽的90%以上,且基本河槽冲刷加剧;断面形态表现为河槽冲刷下切、断面趋于窄深化。在此基础上,通过建立2008—2016年河段尺度的基本河槽形态参数与水流输沙能力的经验关系,发现螺山、汉口两站流量分别为29 000~31 000 m³/s、31 000~33 000 m³/s时,河槽形态与水流输沙能力的相关性最强、造床作用和水流冲刷强度最大,因此,可以认为是2008年以来影响城陵矶至九江段冲淤调整的特征流量。2008年以后,该流量级以下的水流累积造床作用凸显,是冲淤变化部位调整到基本河槽的主要原因;同时,受各站d>0.125 mm粒径组泥沙输沙量大幅度减小、航道整治工程的影响,河槽冲刷加剧。

科学控制梯级水库蓄泄过程是减少旱灾损失的重要手段。以减少干旱年份流域缺水量和优化缺水时空分布为目标,构建应对干旱的梯级水库群多时空尺度协同优化调度模型。采用交互式与改进粒子群优化方法,外层寻求多年调节水库旱限水位最优控制,内层优化梯级水库群年内蓄泄过程,实现流域水资源年际调控、年内优化、库群协同、空间协调。以2014年的黄河流域重旱为例,通过模型优化提出2012—2014年龙羊峡水库旱限水位及梯级水库群年内蓄泄过程,结果表明:通过龙羊峡水库旱限水位控制实现跨年度补水,控制各年度缺水率在4.9%~5.7%之间,通过水库群出库过程优化控制不同区域各时段缺水均匀分布,将农业缺水率控制在7.0%~11.0%之间,显著减轻了旱灾损失。

小浪底水库异重流的形成与运行规律是关系黄河调水调沙方案拟定的重要指标。基于现场调研、理论探讨与预测分析结合等手段,明晰了2018年"腾库迎洪"期小浪底水库来水来沙过程,根据水库调度与库区淤积形态等边界条件,观测了异重流的形成与运行,采用基于流速分布的水库异重流潜入点预测公式进行了计算分析。结果表明:2018年7月库区产生的剧烈冲刷,在潜入点处发生大量淤积,水深大幅减小,引起潜入点下移;潜入点位置随入库水沙增大、坝前水位降低及库区淤积的推进向坝前移动,计算与实测结果反映了该变化过程。

黄河是世界上含沙量最高的河流,其上游沙漠宽谷河段的冲沙输沙效应受来水来沙和地形条件变化等影响。为研究高含沙河流在低温条件下的输沙效应,通过引入水温因子,建立了黄河上游沙漠宽谷河段巴彦高勒站的输沙率模型。基于First Optimization平台的通用全局优化算法率定参数,验证了输沙率模型,量化了高含沙河流的低温输沙效应。结果表明:① 水温越低(1~7 ℃),河道输沙率越大,表明水温对河道输沙率的影响主要表现在低水温时期;② 任意一种工况下,水温1 ℃时河道输沙率约为25 ℃时的2.5倍;③ 低水温(5 ℃)较常温(16.6 ℃)下的河道输沙率提高了40.7%,在黄河上游开河低温期进行大流量冲沙输沙是水沙调控的最佳时机。研究成果以期为黄河上游沙漠宽谷河段低水温高效冲沙输沙和其他寒区高含沙河流的治理提供技术支撑。

江湖倒灌对鄱阳湖流域水动力变化和流域水环境保护等方面有重要影响,正确认识江湖倒灌原因和倒灌发生条件对明晰江湖倒灌作用机理、研究倒灌强度和倒灌影响范围等方面具有重要意义。在剖析江湖倒灌原因的基础上,从非恒定流洪水波传播的角度出发,结合鄱阳湖为"河相"、"湖相"时江湖倒灌的特点,提出了长江作用强度指标和鄱阳湖作用强度指标,在此基础上引入江湖作用综合强度函数,依据实测资料,分析研究了江湖作用综合强度函数的关系表达式、江湖倒灌发生条件及量化指标。经验证,所提出的江水倒灌量化指标可区分江湖顶托和江湖倒灌现象,可实现对鄱阳湖为"河相"、"湖相"时的江湖倒灌预测,且提高了预测江湖倒灌起止时间、总历时和年内发生次数的准确率,成果可用于江湖关系研究和鄱阳湖流域水资源综合利用工程实践中。

针对现有水位流量关系线型物理机制不强及流量估算不确定性来源考虑不充分问题,以北江流域石角水文站为例,推导该测站水位流量关系,基于BaRatin模型评估流量测量误差及率定样本选取对估算流量不确定性的影响。发现河槽控制宽浅矩形断面水位流量关系为幂函数,其系数可用糙率、河宽、比降表达,指数为定值5/3;考虑流量测量误差后高水估算流量总不确定性减小32%;率定数据增加1倍、3倍,高水估算流量总不确定性减小12%、34%。结果表明:① 水位流量关系模型建立方法可推广至多类型测站;② 高水测量误差对率定精度影响较大,建议提高高水流量测量精度;③ 现有实测水位与流量数据存在信息冗余,主要存在于低水数据中,本方法可减少率定数据使用,降低整编成本。

将基于信息熵的四类水文站网优化准则,即熵-互信息(H-T)准则、联合熵-总相关(H-C)准则、联合熵-互信息-总相关(H-T1-C/H-T2-C)准则以及信息传递指数(TI)准则,应用于太湖西南山丘区雨量站网,对四类准则进行对比和评价。以2007—2016年日降水序列为样本,根据各优化准则,分别采用3种数值离散化方法计算站点秩次,分析秩次相关性、对多目标准则中指标权重的敏感性以及秩次年际变化。结果表明,H-C准则对应秩次的代表性最好,对指标权重的敏感度最低,秩次年际变化小;H-T2-C准则对指标权重最敏感,秩次年际变化显著。H-C准则有利于反映基于信息熵的基本优化原则(增大信息量和降低冗余度),而H-T2-C准则有利于体现决策偏好。

泥-水界面物质交换过程对自然水体中污染物的迁移转化起重要作用,粗糙底床界面物质交换过程涉及到床面粗糙度和底床渗透率的影响。通过实验室环形水槽实验测量得到水力粗糙砂质底床条件下界面物质交换通量的定量数据和变化特征,采用参数化方法分析有效扩散系数与其主要影响参数之间的依赖关系。实验结果表明,在实验参数变化范围内,受上覆水平均流速、床面粗糙度和底床渗透率的共同作用,有效扩散系数从水力光滑区、过渡粗糙区至完全粗糙区呈现较为明显的分段变化特征,采用渗透率雷诺数可将有效扩散系数与其主要影响参数的依赖关系进行较为一致的描述。基于双参数(粗糙雷诺数和渗透率雷诺数)分析,确定了不同流动区域的相应阈值以合理表征床面粗糙度和底床渗透率对界面物质交换特性的综合影响。

水库淤积形态是影响库容分布、水库排沙的一项重要因素。小浪底水库近坝段淤积泥沙粒径极细,具有流动性,针对其细颗粒泥沙淤积特点,揭示了水库细颗粒淤积物的流变特性与流型特征;通过引入水、淤积物、床面之间的界面受力分析,构建了细颗粒淤积物失稳流动描述模式,并与水沙输移模型相耦合,建立了考虑细颗粒淤积物流动特性的水库淤积形态模拟方法,在此基础上对小浪底水库淤积形态进行了验证分析。研究结果表明:低密度细颗粒淤积物为宾汉型流体,淤积平衡坡降较小,当其密度大于1.25 g/cm³后,流动性快速减弱;考虑细颗粒淤积物流动特征的水库淤积形态模拟结果与实测结果吻合较好。研究成果可为水库淤积形态形成机理及其对水沙调控的响应研究提供技术支撑。

为研究生产堤溃口横向展宽过程的发展规律,以黄河下游生产堤土体为材料,开展概化模型试验,分析溃口处水深、流速、流量以及溃口宽度的变化。试验结果显示,溃口横向展宽的机理主要表现为水流冲刷堤身下层土体伴随上层悬臂土体发生绕轴崩塌;随着溃口展宽,堤前水深持续下降但下降速率逐渐减小,溃口流速呈先增大后减小的趋势,流速峰值约为1.1 m/s;随着主槽流量增加,溃口宽度发展至0.7 m时,溃口的水深、泄流流量、流速、展宽速率均有所增加。基于对溃口展宽的影响因素分析,提出溃口横向展宽速率的计算关系式,计算溃口展宽过程与实测值符合较好。研究结果不仅有助于生产堤展宽机理及发展规律的研究,还可为数学模型的建立与验证提供参考资料。

以解决挑流消能工在泄洪期间为提高消能率而加重下游雾化问题为目标,探究不同体型挑坎的下游雾化特性。通过水力学模型试验,对典型的非对称舌型坎、标准舌型坎、扭面贴坎和连续坎的下游水舌风分布、下游溅水雨强和不同液滴体积分布以及挑流水舌水力特性与冲刷特性进行了研究。研究表明:① 各种工况下,非对称舌型坎、标准舌型坎、扭面贴坎的下游水舌风风速均大于连续坎。② 对于非对称舌型坎,其溢洪道轴线左侧溅水强度大于右侧,其雨强左右两侧峰值差值最大为5.625 g/(m²·min);对于扭面贴坎,其溢洪道轴线右侧溅水强度更大,其雨强左右两侧峰值差值最大为45.125 g/(m²·min)。③ 随着距离水舌入水点长度增大,大粒径水滴数量和体积占比均剧烈下降;连续坎和舌型坎的挑宽均随着角度的增加而增加;冲坑深度随着角度的减小而增大。④ 在挑坎合适边墙侧设置扭面贴角能改善下游雾化危害,同时适当增加挑角可以减弱下游冲刷破坏。

为进一步深化对明渠总流控制方程的认识,探究总流能量损失的构成与分布特点,通过理论分析,在黏性流体力学理论的框架下构建了描述明渠恒定紊流总体特性的总流积分模型与总流微分模型的控制方程,其模型参数能直接通过流动统计特征量在过流断面上的分布来获取,由此实现明渠流的流场特性描述与总流描述的统一,并得到了总流能量损失的显示表达式。同时指出,总流能量损失由黏性耗散与维持紊动两部分构成,在矩形明渠恒定均匀流紊流的分类能量损失构成中,壁面上以黏性耗散部分为主,维持紊动部分的能量损失密度随着离开壁面距离的增加而快速增加,且随着雷诺数的增大,其增加速度也越快。

为了研究处于自由面以下完全淹没状态的水平圆柱在强迫振荡运动时的水动力特性,采用基于黏性流理论建立的二维两相流数值波浪水槽模型,对不同液相黏性条件下强迫振荡水平圆柱的受力进行计算,并对压力、黏性切力和圆柱运动之间的相位关系特征进行对比和分析,进而结合流场分析解释黏性影响机理。结果表明:黏性切力和涡旋压力对流体作用力的贡献差别是导致不同流体黏性下流体作用力结果差异的主要原因;涡旋运动相对圆柱振荡运动的滞后性受流体黏性影响显著,导致不同流体黏性下压力之间有相位差;流体水质点相对于圆柱的滞后运动在大黏性流体中更为显著,这导致了其黏性切力的相位超前现象。

土石坝漫顶溃决往往在其下游产生巨大的洪水灾难,研究坝体溃决及洪水演进是防灾减灾的需要。对土石坝漫顶溃决过程现象、机理及其模拟的研究进展进行了综述。讨论了物理模型试验的尺度设计,总结了不同尺度、不同类型、不同条件溃坝试验的研究成果;按照参数模型、简化物理模型、精细物理模型,分类总结了漫顶溃坝数学模型研究进展;阐述了溃坝洪水演进方面的试验与模拟研究。在此基础上,对该研究领域今后的研究工作提出了若干展望,包括河道边界对溃坝过程及溃坝洪水传播过程的影响、非均质土石坝溃决机理、溃坝过程中挟沙水流冲蚀规律、溃坝下游河床的冲淤调整及泥沙分选、溃坝对水生态环境的冲击影响等。

地表水污染源的准确识别对于突发水污染事件中制定补救策略、确定责任方具有重要的指导意义。从污染源识别的基本问题出发,综述了地表水污染源识别的两类方法,一类是数学模拟法,包括直接求解法和间接求解法,直接求解法又包括解析法和正则化方法,间接求解法又包括模拟优化法、概率统计法及耦合算法;另一类是足迹分析法。在此基础上,系统地讨论了污染源识别的不确定性,包括污染源信息、观测数据、地表水模型、水动力条件、污染物性质5个方面。并指出地表水污染源识别的不确定性和时效性是制约其应用价值的关键因素,需要在方法耦合、识别效率提高、不确定性分析及污染物性质等方面做进一步的研究。