水利工程

左德鵬，徐宗學，劉兆飛，等

氣候變化情景下渭河流域潛在蒸散量時空變化特征

左德鵬，徐宗學，劉兆飛，等

目的：氣候變化對地區(qū)、國家甚至全球的可持續(xù)發(fā)展產生舉足輕重的影響。蒸散發(fā)是水循環(huán)的重要組成部分，也是水文模型的關鍵輸入因子，準確地估算未來潛在蒸散量并分析其時空變化有助于深入理解其對未來水循環(huán)的影響，并對水資源規(guī)劃與管理、提高水資源利用效率以及保護生態(tài)環(huán)境等具有十分重要的現實意義。方法：根據渭河流域及周邊20個國家基本氣象站1959—2008年近50年的逐日氣象資料，以FAO Penman-Monteith法計算的各站逐日潛在蒸散量作為標準值，對基于氣溫的Hargreaves法進行參數校正以使其適用于渭河流域，然后應用統(tǒng)計降尺度模型SDSM將HadCM3大氣環(huán)流模式輸出數據降尺度到各氣象站點，生成A2，B2兩種情景下各站未來日最高、最低氣溫數據，最后將其輸入校正參數后的Hargreaves模型，從而分析未來氣候變化情景下渭河流域潛在蒸散量以及最高、最低氣溫的時空變化趨勢。結果：參數校正后Hargreaves法在各站參數修正至0.0008～0.0010之間，與FAO P-M法的平均絕對誤差在0.28～0.79之間，平均相對誤差在16.51%～38.25%之間，均方誤差在0.36～1.04之間，確定性系數在0.64～0.92之間，說明校正后Hargreaves法在各站模擬誤差均較小，模擬效果令人滿意，可用于估算渭河流域未來情景下潛在蒸散量。依據各站選擇的預報因子分別率定SDSM模型參數，率定期內各站模擬的Tmax與實測序列的R2在0.833～0.924之間，驗證期為0.784～0.921；率定期Tmin的R2在0.789～0.897之間，驗證期為0.825～0.930，說明率定后SDSM模擬效果較好，可用于GCM輸出降尺度應用。兩種情景下日Tmax，Tmin和年ETP較基準期均呈較明顯上升趨勢，B2情景下Tmax在未來3個時期分別升高1.31，2.46和3.60℃，除2020s與A2情景上升幅度相差無幾外，2050s與2080s均低于其上升幅度；B2情景下Tmin分別升高1.18，2.57和4.41℃，較A2情景上升幅度與Tmax基本一致；B2情景下ETP分別增大71.22，105.33和143.15 mm，2020s較A2情景略有增大，但2050s與2080s均低于A2情景增大幅度，這與Tmax和Tmin的變化趨勢基本一致。B2情景下渭河和北洛河上游是Tmax增幅較大區(qū)域，流域中下游大部增幅較小。增溫較大區(qū)域隨時間推移由渭河上游逐漸擴大至中上游，其最大值分別為3.37℃，4.58℃和5.75℃，呈明顯遞增趨勢，而北洛河上游增溫區(qū)域則逐漸縮小，增溫較小區(qū)域相對較為穩(wěn)定。Tmin增幅較大區(qū)域集中在渭河、涇河和北洛河上游，增溫較小區(qū)域主要分布在渭河下游西安附近。增溫較大區(qū)域隨時間推移逐漸向中下游延伸，最大值分別為3.02，4.14和5.93℃，增溫趨勢明顯，增溫較小區(qū)域由渭河中下游逐漸萎縮至西安附近。ETP不同變幅區(qū)域空間分布較穩(wěn)定，增幅較大地區(qū)分布在渭河南岸，北洛河上游和涇河中游地區(qū)，最大增幅分別為190.42，236.82和294.12 mm，隨時間推移增大趨勢顯著。渭河北岸大部變幅較小，主要分布在涇河中下游地區(qū)。除變化量大小不同外，A2情景的空間分布規(guī)律與B2情景基本一致。結論：各站校正參數后的Hargreaves法可用于估算渭河流域未來情景下潛在蒸散量。兩種情景下流域日最高、最低氣溫和年潛在蒸散量呈明顯上升趨勢，且B2情景低于A2情景下增幅。潛在蒸散量增幅較大月份為5—10月，其中7月最為顯著。日最高、最低氣溫增幅較大區(qū)域逐漸擴大，增幅較小區(qū)域逐漸萎縮。年潛在蒸散量不同變幅區(qū)域均成明顯增大趨勢，增幅較大地區(qū)為渭河南岸，渭河北岸大部變幅較小。氣溫、蒸散量是影響徑流、泥沙等過程的重要因素，因此，未來氣候變化情景下流域水循環(huán)對其的響應研究將有待于進一步探討。

來源出版物：水科學進展, 2011, 22(4): 455-461

入選年份：2015

海嘯波作用下泥沙運動——Ⅰ.岸灘剖面變化分析

蔣昌波，陳杰，程永舟，等

摘要：目的：海嘯已成為最嚴重的海洋災害之一。在近岸地區(qū)海嘯會引起劇烈的泥沙運動和岸灘演變，危害巨大?？紤]水位變動的影響，基于波浪水槽實驗，在組合坡上對海嘯波作用下的岸灘剖面變化進行分析，將其與規(guī)則波和非規(guī)則波作用進行對比，揭示海嘯波作用下近岸地區(qū)岸灘剖面演變規(guī)律。方法：實驗在波浪水槽內進行。對海岸帶地形采用1/10和1/20組合坡度的斜坡來概化模擬。斜坡用篩分好的平均中值粒徑為d50＝0.318 mm細沙堆成。為考慮水位變化的影響，分別采用3種水位來概化低潮位、高潮位以及極端高潮位外加增水時的情形。考慮到實際海嘯波的波形更像是N波而不是簡單的孤立波，因此實驗采用N波來模擬海嘯作用。同時選取規(guī)則波和不規(guī)則波進行對比實驗。波高測量采用浪高儀，地形測量采用超聲波地形儀。波浪的上爬、回落和水躍過程采用攝像頭記錄。實驗開始前除了對實驗儀器進行校核和率定外，還開展大量的預備實驗對造波機造波重復性、初始地形可靠性和地形變化重復性等進行測試和驗證，保證了實驗結果的準確可靠。結果：（1）N波作用下岸灘演變呈現沙壩剖面型式，向岸區(qū)的泥沙發(fā)生侵蝕，泥沙在離岸區(qū)淤積堆積。在規(guī)則波和不規(guī)則波作用下，岸灘會形成灘肩剖面，或沙壩剖面，破波點附近形成沖刷坑；隨著波高、波周期、床沙粒徑不同，泥沙或向岸堆積形成灘肩，或向海堆積形成沙壩，同時沙紋床面出現，然后隨著波浪作用時間的增加，向離岸方向發(fā)展，這是規(guī)則波和不規(guī)則波特有的現象。（2）當水深足夠大時，N波幾乎不會引起地形變化，這一實驗結論與現場觀測得到的結果一致，表明海嘯中淤積的泥沙主要來源于近岸地區(qū)，而非深海。（3）N波作用下，高速薄層回流和出滲水流作用是灘肩沖刷的主要原因，水躍發(fā)生導致水流挾沙力降低，在離岸水躍處產生淤積。不規(guī)則波和規(guī)則波作用下，波浪破碎引起泥沙懸浮，破波點區(qū)域均形成沖刷坑，泥沙被搬運到灘肩形成淤積。（4）水動力特性的不同，造成了N波與規(guī)則波和不規(guī)則波作用下不同的岸灘剖面變化特點。水動力特性和岸灘剖面形狀是一個相互作用的統(tǒng)一體，岸灘形狀隨著水動力條件的改變而改變，始終朝著平衡的方向發(fā)展。結論：基于波浪水槽實驗對海嘯波作用下的岸灘剖面演變規(guī)律開展研究。N波作用下，水流回落時灘肩發(fā)生沖刷，泥沙在離岸水躍發(fā)生區(qū)域堆積，呈沙壩剖面。高速薄層回流和出滲水流作用是灘肩沖刷的主要原因，水躍發(fā)生導致水流挾沙力降低是淤積沙壩形成的主要原因。當水深足夠深時，N波幾乎不會引起地形變化，淤積沙壩的泥沙來源于灘肩。

來源出版物：水科學進展, 2012, 23(5): 665-672

入選年份：2015

大規(guī)模復雜水電優(yōu)化調度系統(tǒng)的實用化求解策略及方法

程春田，申建建，武新宇，等

摘要：目的：中國水電系統(tǒng)經過近20年的快速發(fā)展，現在水電裝機總容量已經超過了3億kW，形成6個水電總裝機超千萬kW的特大流域梯級水電站群、2個超過五千萬kW省級電網和1個億kW級區(qū)域電網，單一電網集中調度的大中型水電站群數目超過了100座甚至200座，需要滿足非常復雜的水力電力時空高度耦合約束和條件，導水電系統(tǒng)調度問題的可建模計算和結果可用性極其困難，如何結合工程實踐提出創(chuàng)新性的優(yōu)化思路和求解策略至關重要。為此，本文系統(tǒng)介紹了我們提出的大規(guī)模復雜水電系統(tǒng)的優(yōu)化求解策略及方法，主要包括縮減系統(tǒng)求解規(guī)模的智能化策略、處理系統(tǒng)維數災問題的組合求解方法、保證系統(tǒng)實用化的可視化交互方法。方法：構建了大規(guī)模水電優(yōu)化調度求解框架，根據水電系統(tǒng)調度特征如問題的層級、任務要求、尺度特點、計劃特殊性等對系統(tǒng)求解規(guī)模進行合理簡化，并選擇不同優(yōu)化計算方法和策略，從而達到問題可求解、快速求解和得到滿足工程實際要求計算結果目的；對于簡化后的問題，根據任務和工程特點選擇多種經典的優(yōu)化方法進行組合降維優(yōu)化計算，對于更大規(guī)模水電系統(tǒng)，采用正交抽樣技術與DPSA思想制定科學的抽樣規(guī)則，進一步優(yōu)選參與計算的狀態(tài)變量，耦合我們提出的可變時間尺度和貫序約束相耦合的水電系統(tǒng)時空關聯搜索技術，實現水電系統(tǒng)組合降維和高效求解，切實保證結果可用性，提高搜索尋優(yōu)效率。結果：以云南電網水電系統(tǒng)調度為例，包含大中型水電站約160座，采用經典動態(tài)規(guī)劃方法很難解決此大規(guī)模水電優(yōu)化問題，其計算時間會隨電站規(guī)模呈指數級大幅增長，難以滿足實用化要求。采用本文方法在雙核2.13客戶端PC機上完成計算，耗時約為30 s，完全滿足電網運行的時效性要求；優(yōu)化結果表明，水電系統(tǒng)總出力滿足了給定的出力帶寬要求，全年最小出力達到8081 MW（12月份），較發(fā)電量最大目標所得最小出力6942 MW（2月份）提高了約16.4%，枯期發(fā)電能力明顯提升。從主要水電站的庫水位與出力過程可知，為提高枯水期發(fā)電效率，增大發(fā)電出力，多數調節(jié)電站在枯期各月份保持較高水位運行，而且?guī)鬃嗄暾{節(jié)水庫在汛期發(fā)電也相對較少，以蓄水為主，有效利用了水庫的庫容補償調節(jié)作用，如小灣、西洱河一級、以禮河一級、茄子山。總體來說，本文方法能夠有效均衡求解質量和計算效率，是解決大規(guī)模水電系統(tǒng)調度問題的一種實用化方法。結論：（1）隨著水電系統(tǒng)規(guī)模的擴大，面臨的約束、求解任務將更為復雜，如何利用已有知識與經驗對系統(tǒng)優(yōu)化的求解規(guī)模進行簡化非常重要，不僅關系到系統(tǒng)可求解性，更重要的是關系到解的可行性和可用性；（2）水電系統(tǒng)優(yōu)化經過70年研究，已經產生了很多好的優(yōu)化方法，但直接將這些方法應用于大規(guī)模復雜應用系統(tǒng)，將面臨處理復雜約束困難、導致現有的計算方法難以應用，需要對現有的計算方法從初始解生成、可行解搜索及優(yōu)化計算等方面進行改造，重建優(yōu)化調度方法，多個方法的有效結合是必須的，是將來求解大規(guī)模復雜水電系統(tǒng)的有效途徑。

來源出版物：水利學報, 2012, 43(7): 785-795

入選年份：2015

干旱頻率分析研究進展

程亮，金菊良，酈建強，等

摘要：目的：旱災是世界上分布廣泛、頻繁發(fā)生的重大自然災害之一，全世界約有120 多個國家受到干旱威脅。干旱頻率分析從水文氣象要素（降水、徑流等）隨機性入手，對干旱歷時、強度和影響面積等干旱特征進行概率描述，以揭示干旱發(fā)生頻次和時空分布特征，是抗旱工程規(guī)劃設計和管理、旱災風險管理的重要基礎。歸納闡述國內外研究進展，提出亟需解決關鍵科學問題，以促進干旱頻率分析與旱災風險管理發(fā)展進步。方法：從干旱定義與識別、點干旱頻率分析和區(qū)域干旱頻率分析3個方面系統(tǒng)闡述干旱頻率分析研究進展和存在問題，歸納提出適用于干旱頻率分析的干旱定義，干旱識別、點干旱頻率分析以及區(qū)域干旱頻率分析的主要研究途徑及其優(yōu)缺點。結果：（1）干旱頻率分析中應采用“水分收支或供求不平衡而形成的持續(xù)水分短缺的現象”這一定義。采用反映水分供給的水文氣象要素及其構成的干旱指數描述水分短缺?？紤]用水需求時，需要采用合理的方式來反映水分的需求，以排除人類活動的干擾、確保干旱的隨機特性。（2）游程理論可以判別干旱發(fā)生與否并計算干旱特征，是目前最常用干旱識別方法。閾值選取、水文氣象要素與干旱指數序列時間尺度選擇和干旱合并是利用游程理論識別干旱過程中需要特別關注的問題。應綜合多種水文氣象要素、干旱成因、旱情、旱災等信息識別干旱。（3）與條件概率法和非參數方法相比，基于copula函數的多變量干旱頻率分析能較全面地描述干旱特征，是一種簡便、通用、有效的多變量頻率分析方法。建議從多維copula函數的構建、擬合度檢驗和適宜copula函數類型的歸納總結等方面開展深入研究。（4）當前區(qū)域干旱頻率分析的三種主要途徑包括：分析展示水文氣象要素或干旱特征空間分布、對區(qū)域干旱面積、區(qū)域累積缺水量和區(qū)域干旱歷時等區(qū)域干旱特征進行頻率分析以及采用區(qū)域洪水頻率分析方法進行區(qū)域干旱頻率分析。結論：干旱的定義、描述和識別遠比洪水復雜，干旱頻率分析比洪水頻率分析復雜。區(qū)域干旱頻率分析能反映干旱特征的空間分布和區(qū)域特性，是干旱頻率分析中重要研究內容之一，目前尚處于起步階段，亟需繼續(xù)加強深入研究。將干旱頻率分析應用于水資源系統(tǒng)規(guī)劃設計管理和干旱災害風險管理中的研究更少。干旱頻率分析的研究對象需要擴展，理論、方法和應用均很不成熟，亟需展開深入研究。

來源出版物：水科學進展, 2013, 24(2): 296-302

入選年份：2015

氣候變化和人類活動對水文循環(huán)影響研究進展

宋曉猛，張建云，占車生，等

摘要：目的：氣候變化和人類活動是影響流域水文循環(huán)過程和水資源演變規(guī)律的兩大驅動因素，所引起的水文效應已成為當前全球變化研究領域的焦點問題。水循環(huán)系統(tǒng)是氣候系統(tǒng)的重要組成部分，氣候變化對水循環(huán)要素的影響必然導致流域水資源的時空變化。同時，人類活動對流域水循環(huán)的影響也日益顯著，主要表現為土地利用/覆被變化、修建大型水利工程等引起的流域下墊面條件變化，進而影響流域內的產匯流機制。如何正確認識變化環(huán)境下水文情勢演變規(guī)律，陸面水文過程的響應機制以及水循環(huán)要素變化檢測與歸因成為當前水科學研究的關鍵問題。方法和結果：通過系統(tǒng)梳理國內外在氣候變化和人類活動對水循環(huán)影響方面的相關研究成果，針對氣候變化和人類活動對流域水循環(huán)要素的影響機制，剖析了氣候變化和人類活動對陸面水文過程影響研究的主要進展，探析了變化環(huán)境下水循環(huán)要素的演變規(guī)律，明確了變化環(huán)境下水循環(huán)要素變化的檢測與歸因的定義及研究范圍；并從水文要素時空變化檢測與歸因的角度，系統(tǒng)總結了變化環(huán)境水文響應的檢測和歸因的主要方法，分析了各種檢測與歸因方法的優(yōu)缺點；從降水、蒸散發(fā)和徑流3個方面深入探討了國內外在變化環(huán)境下水循環(huán)要素變化的檢測與歸因問題上的主要成果；指出當前氣候變化和人類活動對水循環(huán)過程影響研究方面存在的主要問題和困難。結論：針對變化環(huán)境下的水文效應機理研究尤其在定量化研究、水文要素的變異性識別、時空尺度的復雜性問題以及氣候變化和人類活動對水循環(huán)過程的影響分離等方面的不足，從學科發(fā)展的角度指出了當前變化環(huán)境下水科學研究面臨的主要挑戰(zhàn)，提出了未來研究的重點方向：（1）加強氣候變化和人類活動對水循環(huán)要素變異的驅動機理研究，定量化識別氣候變化和人類活動的影響貢獻率，科學回答變化環(huán)境下水循環(huán)過程演變的驅動機制；（2）強化水循環(huán)要素時空變異的診斷分析，量化變化環(huán)境下的水循環(huán)過程的時空變異特征，并揭示變化條件下的極端水文氣象事件變化規(guī)律，準確把握氣候變化和人類活動影響下的水資源演變規(guī)律，保障人類社會發(fā)展的水資源安全；（3）深化水文模型技術及不確定性研究，進一步提高模型模擬效果，深入探討模型的不確定性影響，進而提高模型研究的可靠性。

來源出版物：水利學報, 2013, 44(7): 779-790

入選年份：2015

大規(guī)模灘涂圍墾影響下近海環(huán)境變化及其對策

張長寬，陳欣迪

摘要：目的：沿海灘涂是重要的土地后備資源，具有拓展生存空間的巨大潛力。大規(guī)模圍海造地雖然可以為人類生存提供新的空間，為我國沿海地區(qū)社會經濟發(fā)展提供重要的土地資源支撐，這是可見效益的一面，但同時也可能導致負面的近海環(huán)境變化。以江蘇大規(guī)模灘涂開發(fā)利用為例，提出灘涂圍墾開發(fā)的指導思想、基本原則、布局方案等，討論大規(guī)模人類活動影響下近海環(huán)境變化及其對環(huán)境影響的評價方法，提出相應的灘涂資源保護措施。方法：通過對江蘇沿海灘涂開發(fā)利用歷史資料進行收集和分析，在充分研究江蘇沿海灘涂地貌與動力特征，江蘇潮間帶沖淤演變特征，圍墾與濕地保護、自然區(qū)保護、河口治導線保護的關系等的前提下，分析沿海的生態(tài)環(huán)境承載力，提出江蘇沿海灘涂圍墾開發(fā)總體構想及空間布局特點。結合大規(guī)模灘涂開發(fā)利用對沿海環(huán)境已產生的影響，并根據江蘇沿海水動力泥沙環(huán)境、生態(tài)環(huán)境特征，基于海岸動力學等理論，提出未來可能產生的環(huán)境影響。通過對現有圍填海環(huán)境影響評價方法或圍填海適宜性評估模型的特征進行分析，給出影響評價結果科學性與實用性的主要因素?；趯v史灘涂圍墾工程建設的主要負面影響的研究，提出江蘇沿海灘涂開發(fā)利用的保護措施。結果：江蘇近海海域受2個潮波系統(tǒng)的影響，形成以弶港為頂點的輻射狀潮流場，為輻射沙脊群的形成和維持提供了必要的動力環(huán)境，是形成江蘇豐富灘涂資源的前提條件。江蘇沿海灘涂面積約5000 km2，灘涂資源豐富，約占全國灘涂總面積的1/4，居全國各省之首。江蘇沿海灘涂圍墾空間布局的主要特點為：以髙灘圍墾為主、維持潮流通道暢通、保護并開發(fā)港口資源、注重生態(tài)保護。大規(guī)模灘涂圍墾開發(fā)利用將對近海環(huán)境產生一定的影響。江蘇沿海的海洋動力環(huán)境相當獨特，歷史研究成果表明，圍墾方案實施后，海域地形和海洋動力環(huán)境之間將通過相互作用達到一個新的平衡狀態(tài)：（1）對移動性駐潮波而言，圍墾方案實施后，除局部范圍有較小差別外，對近岸的潮波系統(tǒng)幾乎沒有影響。（2）對泥沙輸運和海岸演變而言，總體上，進入輻射沙脊群區(qū)域的泥沙量大于輸出的泥沙量，輻射沙脊群中區(qū)區(qū)域仍處于緩慢淤漲狀態(tài)，但沿海圍墾開發(fā)等大規(guī)模人類活動將引起大陸海岸線格局發(fā)生變化，沿岸圍墾會導致海岸剖面的重塑。圍填海工程海堤前沿灘面淤漲速度幾乎不可能跟上圍填海實施前灘面淤漲速度，潮間帶面積的永久喪失，使得原來一直受廣闊灘涂保護的海岸失去了天然屏障，更多的堤防暴露于較深的水中，風暴潮、臺風浪等海洋災害問題會變得嚴峻。（3）對海洋生態(tài)環(huán)境而言，灘涂圍墾占用了一定面積的灘涂空間，必然對灘涂濕地和生物多樣性、海岸帶水陸環(huán)境、自然保護區(qū)以及海岸生物資源產生一定的影響。圍填海環(huán)境影響的評價方法或圍填海適宜性評估模型一般包括目標層、一級指標層和二級指標層等3個層?？茖W、準確地選取指標是體現評價結果科學性與實用性的主要因素，而各評價因子或評價指標的賦分則是另一個重點。一般運用層次分析法對不同層次各個評價指標的相對重要性進行比較、判斷，得出各個指標的權重值。對灘涂開發(fā)利用的環(huán)境保護措施，應堅持對灘涂濕地資源可持續(xù)發(fā)展的保護原則，在充分研究相關社會經濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護等方面的規(guī)劃、區(qū)劃的前提下，分析沿海的生態(tài)環(huán)境承載力，提出灘涂資源適度開發(fā)利用的規(guī)劃方案，采取切實可行的灘涂保護措施，實現灘涂資源的可持續(xù)利用，減少圍墾對生態(tài)環(huán)境的不利影響。同時，要加強我國圍填海管理，加強海洋資源的管理。結論：我國淺海灘涂分布廣，面積大，是潛在的后備土地資源。選擇適宜的區(qū)域圍墾開發(fā)，形成大規(guī)模的土地后備資源，對有效拓展人類的生存空間，促進沿海地區(qū)經濟發(fā)展具有十分重要的意義。大規(guī)模人類活動，特別是超越灘涂自然淤漲速率的大規(guī)模灘涂圍墾會對海岸天然濕地、近海海洋和海岸生態(tài)系統(tǒng)、近岸生物資源等帶來負面影響，充分認識這些影響，更好地推進可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，加強海洋和海岸環(huán)境保護十分必要?？茖W確定圍墾布局是實現大規(guī)模灘涂圍墾目標的第一步，圍墾布局是一項有利也有弊，處理不當甚至有害的系統(tǒng)工程，它不僅涉及圍墾區(qū)的水動力、泥沙等自然條件，生物生態(tài)環(huán)境，還與社會經濟發(fā)展聯系緊密。圍墾工程涉及自然科學、工程技術、社會科學的多個學科，一般情況下又是正面效益強調多，負面影響研究不足，更需要足夠的時間思考、研究，目前的評估理論、方法、模型均不足以清楚地回答人們的疑慮。開展大規(guī)模灘涂開發(fā)利用的環(huán)境影響及其評價方法的深入研究刻不容緩。江蘇大規(guī)模沿海灘涂的開發(fā)、利用及保護的經驗可為我國其他沿海地區(qū)灘涂的可持續(xù)發(fā)展提供一定的借鑒意義。

來源出版物：河海大學學報（自然科學版）, 2015, 43(5):424-430

入選年份：2015

中國大陸降水時空變異規(guī)律：I.氣候學特征

任國玉，戰(zhàn)云健，任玉玉，等

摘要：目的：了解中國大陸及其主要流域大氣降水季節(jié)性和空間分異特征有助于深入認識區(qū)域水循環(huán)過程和流域水資源、水災害等現實問題。方法：采用1956—2013年2325個站網日降水資料，對全國和十大流域現代大氣降水氣候學特征進行了綜合分析。日降水量是指一天24 h降水的累計量；降水日數是指24 h內降水量達到或超過0.1 mm的天數；小雨日數是指24 h內降水量在0.1～10.0 mm的天數；暴雨日數是指24 h內降水量達到或超過50.0 mm的天數。降水變異系數是任意分析時段內臺站或流域平均降水量（日數、強度）序列標準差與均值的比值。在分析各個流域平均降水量季節(jié)循環(huán)時，將流域候平均日降水量達到4.0 mm作為雨季開始和結束時間，流域候平均日降水量達到6.0 mm作為豐雨期的開始和結束時間，流域候平均日降水量達到8.0 mm作為特豐雨期的開始和結束時間。全國降水指標平均值的計算均采用面積加權平均方法。12月—翌年2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。結果：（1）東部沿海日降水強度明顯高于中西部內陸，最大值出現在華南沿海；暴雨量、日數和強度最高站點分布在華南沿海，而小雨量、日數最多出現在江南內陸山地、丘陵；東部季風區(qū)山地、丘陵更易出現低強度降水，而平原和沿海更易發(fā)生高強度降水；西北諸河的年降水量、日數和強度，以及年暴雨量、日數和強度，年小雨量和強度，均為各大流域中最低；多數降水指標在珠江流域和東南諸河流域最高，但小雨日數在長江流域最多，海河流域最少。（2）各季節(jié)降水量都從西北內陸向東南沿海方向逐漸遞增；春季江南和華南降水量最高，青藏高原東南部次高；夏季降水量在全國各大流域均顯著高于其他季節(jié)，表明所有大河流域都是典型的夏季降水類型區(qū)；南方秋季雨量明顯小于春季，但華西和江南沿海條帶區(qū)域秋雨相對較多；冬季降水主要出現在江南地區(qū)，東南丘陵是高值中心。（3）各大流域平均降水量年內分布具有明顯不同的特征。珠江、東南諸河和長江流域一年出現2～3個峰值；東南諸河最大峰值出現在6月中下旬，次峰值在8月末，冬季降水全年最少，但仍為所有流域中最高；珠江流域存在6月和8月中雙峰值，后者略低；長江流域總體表現為單峰型，峰值出現在6月下旬和7月初，對應梅雨季節(jié)；淮河流域最大降水出現在7月上中旬；其他流域在7月末降水量達到最大值。（4）南方各大河流域從2月末到6月中下旬陸續(xù)進入雨季，北方各大河流域進入雨季時間集中于6月末、7月初，黃河流域作為整體沒有嚴格意義上的雨季，西北諸河流域全年沒有雨季。北方河流雨季結束時間集中于8月中下旬，南方各大河流域雨季結束時間分布在9月初到10月初，均比雨季開始時間集中得多。我國各大河流域從南到北進入雨季時間前后持續(xù)120 d以上，而從北到南退出雨季時間則持續(xù)不足45 d。（5）珠江流域在5月初進入豐雨期，9月上旬后期結束，豐雨期最長；東南諸河5月上旬進入豐雨期，7月上旬結束，8月末再度短暫出現，9月初最終退出；長江流域6月中下旬入豐雨期，7月中旬結束；西南諸河豐雨期始于7月中旬，結束在8月下旬；淮河流域在7月上旬入豐雨期，7月底、8月初退出；北方各河流域只有遼河在8月初出現極短暫豐雨期。珠江和東南諸河流域還分別出現1個月（6月上旬到7月上旬、8月中旬）和半個月（6月中到6月末）的特豐雨期。（6）降水年際變異性最高的區(qū)域出現在青藏高原西南部、塔里木盆地、阿拉善高原，華北平原北部和汾河谷地，江南地區(qū)降水年際變異性較小。在十大流域里，海河流域平均年降水量和降水強度均具有最大的變異系數，長江流域年降水量、日數和強度變異系數最小。結論：華南沿海暴雨量、日數和強度最高，南方內陸山區(qū)、丘陵小雨量、日數最多；東部季風區(qū)平原和沿海易出現高強度降水；南方秋季降水量明顯小于春季，華西和江南沿海秋季降水較多，東南丘陵冬季降水出現高值中心；珠江和東南諸河流域降水量年內存在2個峰值，長江流域總體表現為單峰型，西南諸河流域和北方所有流域均為典型的夏季單峰型；南方各大河流域從2月末到6月中下旬陸續(xù)進入雨季，北方各大河流域進入雨季時間集中于6月末、7月初；從南到北進入雨季時間持續(xù)120 d以上，而從北到南退出雨季時間則僅持續(xù)不到45 d；青藏高原西南、塔里木盆地、阿拉善高原、華北平原北部和汾河谷地降水年際變異性高，尤以海河流域為最。

來源出版物：水科學進展, 2015, 26(3): 299-310

入選年份：2015

流域城市化進程中雨洪綜合管理量化關系分析

王虹，李昌志，程曉陶

摘要：目的：針對城市化進程中流域尺度暴雨洪澇水文特征的變異及徑流峰值與總量的增加，應用GIS技術與數值模擬方法從流域尺度進行雨洪蓄滯滲用排量化研究，將簡單的場地蓄滯控制轉變?yōu)榱饔蚍秶鷥鹊挠旰榭傮w調蓄管理。利用流域內“上蓄下排”，子流域區(qū)之間“錯峰削峰”的原理以及LID措施對蓄滯滲用排及進行優(yōu)化分析，以減少流域尺度所需的蓄滯容積。方法：選擇一個185 km2的典型流域并應用DEM數據、土壤數據及GIS技術建立流域尺度水文數值模型。以2005年土地利用狀態(tài)為開發(fā)前情景，2040年預測的土地利用狀態(tài)為開發(fā)后情景開展研究。以100年一遇24 h降雨條件下，開發(fā)后的降雨徑流峰值不超過開發(fā)前為控制條件來確定開發(fā)后整個流域內必須提供的雨水蓄滯容積，并在此基礎上加入多種組合的LID措施進行蓄滯滲用排優(yōu)化分析。主要組合方案包括：（1）傳統(tǒng)場地儲蓄方式，控制每個子流域的排放徑流量；（2）傳統(tǒng)場地儲蓄方式，控制主干流8個支流匯流點處排放徑流量；（3）根據流域內“上蓄下排”“削峰錯峰”的原理模擬不同子流域蓄滯容積的優(yōu)化組合；（4）在方案C的基礎上增加LID入滲措施，以控制25 mm的雨水量；（5）在方案D的基礎上增設雨水回用措施以控制10 mm的雨水量。結果：流域水文數值模擬顯示，開發(fā)后流域尺度的洪峰值比開發(fā)前增長85%；峰現時間提前5 h 20 min。傳統(tǒng)的徑流場地蓄滯理念旨在保持城市開發(fā)后的降雨徑流峰值與開發(fā)前相同，以消除城市化對水文水環(huán)境的影響，卻忽略子流域徑流形成及匯流時間的影響，沒有考慮河道行洪過程與各個子流域徑流峰值在匯流點的疊加影響，導致河道洪峰值增加，流域出口處的洪峰值增加27.8%。采用控制河流洪峰流量的方法，每個子流域允許排放的徑流峰值相應減少，蓄滯容積增加，整個流域所需蓄滯容積增加49.7%。以流域為整體綜合蓄滯，利用“錯峰削峰”原理，采用流域內“上蓄下排”措施，根據每個子流域的匯流時間，徑流峰值與流量，河流的洪水演進過程等因素對每個子流域的蓄滯容積進行優(yōu)化分析，流域整體蓄滯容積減少24.7%。增加LID及雨水回用優(yōu)化分析顯示，這類措施在削峰的同時，還可以延長峰現時間，縮短高流量持續(xù)時間，減少流域整體蓄滯容積。增加LID及雨水回用后，流域整體蓄滯容積減少60.3%。結論：模擬流域城市化條件下不同的雨洪管理方案顯示，單純控制開發(fā)場地的徑流排泄峰值雖然控制了場地的徑流排泄峰值，在流域范圍內，尤其是河流下游，仍會產生較大洪水。控制河流匯流點處洪峰流量，可以保持河流的洪峰流量等同于開發(fā)前，減緩大洪水對河流的威脅，但是河流高水時間延長。結合流域范圍內“削峰錯峰”“上蓄下排”的原理在流域尺度上優(yōu)化安排雨洪蓄滯，可以充分利用河流的行洪能力，顯著降低流域尺度所需的蓄滯容積。在流域范圍內優(yōu)化蓄滯的基礎上進一步采取LID入滲及雨洪利用措施可將整個流域所需的蓄滯容積減少60.3%，并顯著縮短高水持續(xù)時間。

來源出版物：水利學報, 2015, 46(3): 271-279

入選年份：2015

海河流域河川徑流對氣候變化的響應機理

賀瑞敏，張建云，鮑振鑫，等

摘要：目的：以氣溫升高和降水變化為主要特征的全球氣候變化對地球系統(tǒng)產生了深遠的影響，其中水文過程是受氣候變化影響最直接和最重要的領域之一。氣候變暖將加劇水文循環(huán)過程，影響降水、蒸散發(fā)、土壤含水量和河川徑流等的時空分布特征，并且影響區(qū)域水資源的狀況，從而影響到國家的中長期發(fā)展戰(zhàn)略。研究河川徑流對氣候變化的響應機理是有效應對氣候變化的重要基礎工作，不僅可以在很大程度上增強對流域水文循環(huán)過程機理的認識，同時對于未來氣候變化背景下的水資源規(guī)劃及管理等具有重要意義，從而能夠促進流域的社會經濟發(fā)展，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，實現水資源的可持續(xù)性開發(fā)利用。方法：在海河流域的選取了6個水文站，從南到北基本覆蓋了整個海河流域，能夠很好地反映海河流域不同區(qū)域的屬性代表全流域的空間特征。利用可變下滲容量（Variable Infiltration Capacity，VIC）模型，根據河川徑流對氣候變化響應的定義，利用觀測的水文氣象數據來率定VIC模型的參數，然后假定降水和氣溫的變化來產生未來的氣候變化情景，利用假定的氣候情景來驅動率定好的水文模型，最后通過比較水文模型模擬的未來情景下的河川徑流量和基準期的河川徑流量來分析河川徑流對氣候變化的響應。結果：（1）構建的海河流域大尺度影響評價模型對于徑流過程有較好的模擬結果，可以用作氣候變化的影響評價工具。（2）在年平均氣溫升高2℃時，海河流域的徑流量將減少6.5%。徑流量對氣候變化響應的空間差異性也較大。流域西北部徑流對年平均氣溫的升高更敏感，徑流最大減少了15%；而流域東南部對年平均氣溫升高的敏感性較弱，最小的變幅僅為－1%。（3）當年降水量增加或者減少10%時，海河流域的徑流量將分別增加26%和減少23%。徑流對年降水量變化響應的空間分布較復雜，總體上，流域北部、西北部和西南部山區(qū)對年降水的敏感性較大，而東部平原區(qū)對降水的敏感性較弱。（4）在年平均氣溫升高2℃的前提下，年降水量增加或者減少10%會引起海河流域徑流量增加18%或者減少28%。當年平均氣溫升高2℃同時年降水量增加10%時，徑流的敏感性從流域東南部向流域西北部遞減。當年平均氣溫升高2℃同時年降水量減少10%時，徑流敏感性的空間分布散亂，總體上西部山區(qū)的敏感性較大。（5）在年降水量不變的前提下，當汛期降水占年降水量的比例 分別增加或者減少10%時，全流域的徑流量將會增加12%或者減少7%。當汛期降水占年降水量的比例增加10%時，流域東部和東北部的徑流增加幅度最大達到了24%，而流域西部山區(qū)的徑流量幾乎沒有發(fā)生變化。當汛期降水占年降水量的比例減少10%時，流域東部的徑流減少程度最大為－19%，而流域西部的徑流量呈增加趨勢。結論：氣候變化與水文過程是一個復雜的問題，涉及到多學科的交叉和融合。就目前的認知水平，評估氣候變化對水文水資源的影響具有非常大的不確定性。如何定量估計并減少這種不確定性是未來需要著重研究的方向之一。

來源出版物：水科學進展, 2015, 26(1): 1-9

入選年份：2015

氣候變化下水資源動態(tài)承載力研究

左其亭，張修宇

摘要：目的：氣候變化是目前國內外公認的最主要全球性環(huán)境問題之一，未來的氣候變化將進一步加劇水資源的供需矛盾，影響著水資源承載力的變化。定量研究氣候變化下水資源承載力動態(tài)變化過程十分困難。本文提出基于預測-模擬-優(yōu)化的控制目標反推模型方法（簡稱PSO-COIM），并以塔里木河流域為實例，探索氣候變化下水資源動態(tài)承載力計算途徑。方法：采用基于預測—模擬—優(yōu)化的控制目標反推模型方法（PSO-COIM），來構建氣候變化下水資源動態(tài)承載力計算模型。該模型考慮到氣候變化和人類活動對水資源系統(tǒng)的雙重影響作用，以氣候模式輸出模塊作為陸面系統(tǒng)的輸入，根據多年觀測資料構建氣溫、降水等氣象因子與陸面水資源系統(tǒng)（河川徑流）之間的輸入—輸出關系子模型，搭建起大氣系統(tǒng)“氣候變化”因子與“水資源系統(tǒng)”因子之間的定量聯系；以氣候模式輸出結果為基礎計算陸面水資源系統(tǒng)未來演變預測結果；將“水資源系統(tǒng)、經濟社會系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)相互制約、互為參數建立的耦合系統(tǒng)（模擬）模型”作為基礎模型，以“構建的維系生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)控制方程組或指標閾值”為控制約束，將“復合大系統(tǒng)支撐的最大經濟社會規(guī)?！弊鳛閮?yōu)化目標函數，建立大系統(tǒng)最優(yōu)化模型。通過該最優(yōu)化模型求解（或控制目標反推）得到的“最大經濟社會規(guī)?！保褪撬Y源動態(tài)承載力。將該方法在塔里木河流域進行應用檢驗。首先，以2012年中國氣象局國家氣候中心制作并發(fā)布的中國地區(qū)氣候變化預估數據集（第3版）作為氣候模式輸出模塊的數據來源，結合塔里木河流域代表性水文站1961—2010年的多年觀測資料構建氣溫、降水氣象因子與陸面水資源系統(tǒng)（河川徑流）之間的輸入—輸出關系子模型（采用多元平穩(wěn)時間序列（ARIMAX）模型方法）。接著，以氣候模式輸出結果為基礎計算不同水平年的RCP8.5、RCP4.5、RCP2.6三種情景下塔里木河流域水資源量動態(tài)預測值。然后，建立PSO-COIM大系統(tǒng)優(yōu)化模型。最后，通過迭代數值法計算得到2010年、2020年、2030年3種不同情景下可承載的人口總數，進而對水資源動態(tài)承載力進行分析。結果：從塔里木河流域水資源動態(tài)承載力計算結果可以看出：（1）塔里木河流域2010年、2020年、2030年RCP8.5、RCP4.5、RCP2.6三種情景下水資源總體情勢相對穩(wěn)定，其中阿克蘇河、開孔河水資源量呈增加趨勢，而和田河、葉爾羌河水資源量呈減少趨勢。（2）2010年、2020年、2030年RCP8.5、RCP4.5、RCP2.6三種情景下塔里木河流域水資源承載力呈動態(tài)變化趨勢，和田河流域水資源承載度變化不大，雖略有好轉，但經濟社會的發(fā)展規(guī)模一直處于水資源承載力的臨界狀態(tài)；開孔河流域、葉爾羌河流域水資源承載度變化比較明顯，經濟社會的發(fā)展規(guī)模逐漸控制在水資源承載力的范圍之內；阿克蘇河流域水資源承載度變化最為明顯，但經濟社會的發(fā)展規(guī)模仍然超出水資源承載力的范圍。盡管阿克蘇河水量多，但需水量大、主要是農業(yè)用水多，導致承載壓力較大。通過多方面的分析認為，計算結果能夠清晰地反映出該流域水資源的變化情勢、經濟社會的發(fā)展規(guī)模和流域水資源承載力的變化趨勢。結論：基于提出的氣候變化下水資源動態(tài)承載力的概念、內涵、理論框架和模型方法，在塔里木河流域開展實例研究。研究表明：提出的PSO-COIM計算模型充分考慮了氣候變化和人類活動的不確定性作用，計算結果體現出水資源承載力的動態(tài)變化特征，適合于復雜流域水資源動態(tài)承載力的計算。該模型既能表達過去水資源承載力動態(tài)演進過程，也能充分反映未來不同氣候模式情景下水資源承載力變化過程和趨勢。

來源出版物：水利學報, 2015, 46(4): 387-395

入選年份：2015