多沙河流水庫徑流泥沙聯(lián)合調(diào)節(jié)方式研究

摘 要：多沙河流水庫供水興利與排沙減淤之間具有獨(dú)立性與融合性，如何長期保持有效庫容且滿足供水要求，是水庫高效運(yùn)用面臨的待解難題之一。以涇河?xùn)|莊水庫（年均入庫含沙量為１４０ ｋｇ／ ｍ３）為研究對象，采用實測資料分析和數(shù)學(xué)模型計算等方法，研究利于減輕下游河道泥沙淤積、長期保持東莊水庫有效庫容的水庫排沙流量指標(biāo)，提出水庫徑流泥沙聯(lián)合調(diào)節(jié)方式。結(jié)果表明：攔沙期主汛期７—９ 月當(dāng)入庫流量大于６００ ｍ３ ／ ｓ、含沙量大于３００ ｋｇ／ ｍ３時東莊水庫敞泄排沙，正常運(yùn)用期主汛期７—９ 月當(dāng)入庫流量大于３００ ｍ３ ／ ｓ 時東莊水庫敞泄排沙；排沙期水庫無法供水，與周邊已建調(diào)蓄水庫聯(lián)合調(diào)節(jié)，可使農(nóng)業(yè)灌溉保證率從３０％提高到５０％，工業(yè)供水保證率從５７％提高到９５％。

關(guān)鍵詞：多沙河流；供水；庫容保持；東莊水庫；涇河；渭河下游

中圖分類號：ＴＶ６２；ＴＶ８８２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２５．０４．００６

引用格式：陳翠霞，王海霞，溫志超，等．多沙河流水庫徑流泥沙聯(lián)合調(diào)節(jié)方式研究［Ｊ］．人民黃河，２０２５，４７（４）：３２－３７．

０ 引言

水庫工程開發(fā)任務(wù)一般包括防洪、供水、發(fā)電、灌溉等［１－２］ ，在多沙河流上修建的水庫工程，還要承擔(dān)下游河道的減淤任務(wù)。與清水河流不同，多沙河流水庫泥沙淤積問題往往制約著水庫綜合功能的有效發(fā)揮［３－４］ 。為了長期保持有效庫容，多沙河流水庫須具有一定的泄流排沙規(guī)模，汛期不僅要將來沙排出水庫，還須將非汛期蓄水或汛期滯洪時淤積的泥沙排出水庫，但是降低水位排沙會制約供水和發(fā)電等興利功能的發(fā)揮［５］ 。水庫在汛期若蓄水興利，則極易造成庫區(qū)嚴(yán)重淤積，蓄水興利與泄水排沙的矛盾突出。這一問題在入庫含沙量大于１００ ｋｇ／ ｍ３的特高含沙量河流上的水庫更為突出。

處理好多沙河流尤其是特高含沙量河流上水庫蓄水和排沙的關(guān)系，需要合理確定徑流泥沙調(diào)度的方式［６－７］ ，已建水庫在制定調(diào)度規(guī)則時考慮了排沙與興利間的協(xié)同。如鐘德鈺等［８］ 基于微分對策理論，建立了以排沙和供水綜合效益為性能指標(biāo)函數(shù)的多沙河流水庫汛期調(diào)度模型；謝金明［９］ 分別構(gòu)建防洪效益、供水效益與發(fā)電效益的計算方法，用以快速確定給定庫容對應(yīng)的水庫效益；王利［１０］ 選用ＢＰ 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測庫區(qū)泥沙淤積趨勢，利用帶偏好的多準(zhǔn)則群決策的協(xié)調(diào)權(quán)方法確定排沙與發(fā)電的權(quán)重；王新宏等［１１］以王瑤水庫為例，研究了高含沙河流上的供水水庫運(yùn)用方式對水庫效益的影響。現(xiàn)有對水庫排沙、興利調(diào)度方式的研究，主要在少沙河流水庫或含沙量相對較低的多沙河流水庫，而對于含沙量在１００ ｋｇ／ ｍ３ 以上的特高含沙河流水庫研究較少。

水庫調(diào)度方式與來水來沙條件、工程開發(fā)任務(wù)等有關(guān)［１２－１５］ 。多沙河流水庫要實現(xiàn)河道減淤、供水興利、庫容保持等目標(biāo)，需要明確水庫排沙流量、供水調(diào)度方式等。筆者以特高含沙量河流涇河上的東莊水庫為研究對象，從減輕渭河下游河道泥沙淤積、長期保持水庫有效庫容、滿足供水需求等方面出發(fā)，研究水庫泥沙調(diào)控指標(biāo)、徑流泥沙聯(lián)合調(diào)節(jié)方式，以期為多沙河流水庫調(diào)度提供參考，助力流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。

１ 水庫概況、研究數(shù)據(jù)與方法

１．１ 水庫概況

東莊水庫位于黃河的二級支流涇河下游峽谷段，控制流域面積４．３１ 萬ｋｍ２，占涇河流域面積的９５％。東莊水庫設(shè)計總庫容為３２．７６ 億ｍ３，其中攔沙庫容為２０．５３ 億ｍ３，工程開發(fā)任務(wù)以防洪減淤為主、兼顧供水發(fā)電和改善生態(tài)，即控制涇河洪水，通過攔沙和調(diào)水調(diào)沙減少渭河下游河道泥沙淤積，解決渭北地區(qū)水資源短缺問題，并實現(xiàn)發(fā)電和改善生態(tài)環(huán)境等功能。當(dāng)前工程正在建設(shè)中，預(yù)計２０２５ 年１１ 月下閘蓄水（工程位置見圖１）。

涇河具有輸沙量大、水流含沙量高等特點(diǎn)，東莊水庫入庫多年平均輸沙量為２．３７ 億ｔ，年均含沙量為１４０ ｋｇ／ ｍ３，是黃河平均含沙量的５ 倍；汛期平均含沙量高達(dá)２０６ ｋｇ／ ｍ３，最大含沙量為１ ４２８ ｋｇ／ ｍ３。水庫汛期入庫沙量大，蓄水會導(dǎo)致庫區(qū)泥沙淤積、無法長期保持有效庫容，若汛期排沙則難以滿足供水興利要求，水庫調(diào)度面臨著如何協(xié)調(diào)減淤與興利功能發(fā)揮這一難題。

１．２ 研究數(shù)據(jù)

１．２．１ 水文數(shù)據(jù)

東莊水庫的設(shè)計代表站為涇河張家山水文站，渭河下游涇河入?yún)R口以上有咸陽水文站、涇河入?yún)R口以下有華縣水文站，各站多年平均水沙量見表１。

２０００ 年以來，張家山水文站來水來沙量大幅度減少，年均徑流量由２０ 世紀(jì)６０ 年代的２１．９５ 億ｍ３ 減少至１０．６４億ｍ３，年均輸沙量由２．７３ 億ｔ 減少至０．８８ 億ｔ，見圖２～圖３。研究東莊水庫調(diào)度方式時，主要采用２０００ 年以來的水沙系列開展計算。

１．２．２ 供水區(qū)需水量

東莊水庫供水對象為陜西省涇惠渠灌區(qū)、銅川新區(qū)、西咸新區(qū)、富平及工業(yè)園區(qū)、三原縣。根據(jù)《陜西省涇河?xùn)|莊水利樞紐工程初步設(shè)計報告》，２０３０ 年設(shè)計水平年涇惠渠灌區(qū)灌溉用水需求量為３．２８ 億ｍ３，其他區(qū)域城鎮(zhèn)生活用水及工業(yè)用水需求量為１．６５ 億ｍ３。

１．２．３ 河道生態(tài)流量

根據(jù)張家山水文站歷年實測資料得到，涇河多年平均流量為５３．３ ｍ３ ／ ｓ。每年魚類繁殖敏感期４ 月１５日—６ 月１５ 日，需要東莊水庫下泄流量不低于多年平均流量的２０％，６ 月１６ 日—８ 月３１ 日下泄流量不低于多年平均流量的３０％，９ 月１ 日至次年４ 月１４ 日下泄流量不低于多年平均流量的１０％。

１．３ 研究方法

選用自主研發(fā)的多沙河流供水水庫徑流－泥沙聯(lián)合配置模型，基于“干流水庫調(diào)沙＋調(diào)蓄水庫供水”并聯(lián)水庫開發(fā)模式［１６］ 對入庫含沙量在１００ ｋｇ／ ｍ３以上的特高含沙量河流進(jìn)行模擬計算。模型計算模塊包括水庫調(diào)度計算、水力要素計算、泥沙沖淤計算、河床變形計算等。經(jīng)計算，若水庫按預(yù)案制定的規(guī)則運(yùn)行則無法實現(xiàn)工程開發(fā)任務(wù)，須對水庫運(yùn)用方式進(jìn)行調(diào)整。

１．３．１ 水庫調(diào)度計算

水庫調(diào)度計算的目的是根據(jù)入庫水沙條件，采用多沙河流水庫水沙分置并聯(lián)水庫初步擬定的調(diào)度運(yùn)用方式，確定干流水庫和調(diào)蓄水庫的出庫流量。

１）干流水庫。干流水庫來沙量大，汛期水庫遇到合適的水沙條件時泄流排沙，防止泥沙大量淤積在庫區(qū)導(dǎo)致水庫有效庫容淤損；汛期其他時段和非汛期，水庫進(jìn)行興利調(diào)節(jié)，向調(diào)蓄水庫充蓄水量，并經(jīng)調(diào)蓄水庫對供水區(qū)供水。根據(jù)水庫調(diào)度運(yùn)用方式，對進(jìn)入干流水庫的水流進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到出庫流量Ｑ出，干流，即當(dāng)汛期水庫排沙運(yùn)用時，Ｑ出，干流為排沙出庫流量，一般等于Ｑ入，干流＋Ｖ可調(diào)／ΔＴ （Ｑ入，干流為入庫流量，ΔＴ 為排沙運(yùn)用時間，Ｖ可調(diào)為排沙水位以上水庫蓄水量）；當(dāng)干流水庫蓄水進(jìn)行興利調(diào)節(jié)時，Ｑ出，干流為干流水庫充蓄調(diào)蓄水庫的流量與干流水庫下泄的生態(tài)流量之和。

２）調(diào)蓄水庫。調(diào)蓄水庫的入庫流量即從干流水庫引入的流量，若調(diào)蓄水庫設(shè)置在支流上，則應(yīng)加上支流來水量。調(diào)蓄水庫的出庫流量即根據(jù)供水要求輸送給供水對象的流量與調(diào)蓄水庫所在支流下泄的生態(tài)流量之和。

１．３．２ 水力要素計算

水力要素計算的目的是確定干流水庫沿程流量、水位、水深、流速等，以及調(diào)蓄水庫蓄水位和蓄水量?；谒科胶庠?，計算得到壩前斷面水位；依據(jù)水流連續(xù)方程，計算得到沿程各斷面過流流量；選用水流運(yùn)動方程計算得到各斷面過流面積、水位等。

１．３．３ 泥沙沖淤計算

干流水庫泥沙沖淤計算的目的是確定各時段庫區(qū)各斷面分組沙挾沙力、斷面分組沙含沙量，調(diào)蓄水庫泥沙沖淤計算的目的是確定水庫引沙量和淤積量。調(diào)蓄水庫淤積的泥沙主要來自于干流水庫引沙量和自身來沙量。自身來沙量根據(jù)進(jìn)入水庫的沙量統(tǒng)計得到；干流水庫引沙量根據(jù)引水流量、相應(yīng)的干流水庫引水口含沙量及引水歷時相乘求得。

１．３．４ 河床變形計算

對于干流水庫，根據(jù)計算得到的水力要素、泥沙沖淤要素，由下式計算各斷面的沖淤面積，然后修正各斷面高程，得到計算時段末庫區(qū)河道的地形。

式中：ΔＺｂ 為河床高程，α 為恢復(fù)飽和系數(shù)（根據(jù)實測資料分析率定），ω 為沉速，Ｓ 為含沙量，Ｓ?為水流挾沙力，Δｔ 為時間，ｋ 為粒徑組編號，ｉ 為斷面編號。

對于調(diào)蓄水庫，一般無排沙設(shè)施，干流水庫引入的沙量和支流來沙量在調(diào)蓄水庫中按平鋪淤積考慮。

２ 結(jié)果與分析

２．１ 水庫泥沙調(diào)節(jié)方式

東莊水庫泥沙調(diào)節(jié)需要考慮水庫有效庫容長期保持、渭河下游河道減淤等要求。從利于渭河下游河道減淤、水庫長期保持有效庫容兩個角度，提出東莊水庫泥沙調(diào)控指標(biāo)。

２．１．１ 利于渭河下游河道減淤的泥沙調(diào)控指標(biāo)

１９７４ 年以來渭河下游河道沖淤主要受來水來沙條件影響。為分析涇河洪水對渭河下游河道沖淤的影響，統(tǒng)計得到?jīng)芎影l(fā)生的１７０ 場非漫灘洪水（歷時９３４ ｄ）期間渭河下游共沖刷泥沙２．９８ 億ｔ。按照涇河張家山水文站洪水不同流量級、不同含沙量級進(jìn)行統(tǒng)計，分析洪水期渭河下游河道沖淤表現(xiàn)，見圖４（正值為淤積，負(fù)值為沖刷，余同）。由圖４ 可知，涇河洪水含沙量在２００ ｋｇ／ ｍ３ 以下時，渭河下游河道均表現(xiàn)為沖刷；涇河洪水含沙量為２００～３００ ｋｇ／ ｍ３時，渭河下游河道轉(zhuǎn)為淤積；涇河洪水含沙量大于３００ ｋｇ／ ｍ３ 且流量小于３００ ｍ３ ／ ｓ 時，渭河下游淤積嚴(yán)重；隨著流量增加至３００ ｍ３ ／ ｓ，渭河下游河道由淤積轉(zhuǎn)為沖刷，尤其在６００ ｍ３ ／ ｓ 以上時，渭河下游河道沖刷量顯著增加。因此，渭河下游的淤積主要集中在張家山水文站含沙量大于３００ ｋｇ／ ｍ３且流量小于３００ ｍ３ ／ ｓ 的水沙過程。

１９７４ 年以來，渭河下游共發(fā)生非漫灘洪水１３３場，歷時７５８ ｄ，期間渭河下游共沖刷泥沙４．７９ 億ｔ。根據(jù)進(jìn)入渭河下游的咸陽水文站和張家山水文站合計值，按照不同流量級、不同含沙量級進(jìn)行統(tǒng)計，分析渭河下游洪水期的河道沖淤情況，見圖５。由圖５ 可知，渭河下游洪水流量在６００ ｍ３ ／ ｓ 以上時，河道沖刷量較大。

因此，要實現(xiàn)渭河下游河道的沖刷，需要涇河?xùn)|莊水庫在攔沙期攔蓄容易造成渭河下游河道淤積的洪水，泄放利于渭河下游河道沖刷的洪水，即：當(dāng)涇河來水流量小于３００ ｍ３ ／ ｓ、含沙量大于３００ ｋｇ／ ｍ３時，渭河下游河道泥沙淤積嚴(yán)重，東莊水庫應(yīng)對這類洪水進(jìn)行攔蓄；當(dāng)涇河來水流量大于６００ ｍ３ ／ ｓ、含沙量大于３００ ｋｇ／ ｍ３時，渭河下游沖刷較為明顯，東莊水庫應(yīng)適當(dāng)泄放這類洪水，在沖刷渭河下游河道的同時也盡量減少水庫泥沙淤積。

２．１．２ 水庫排沙保庫容調(diào)控指標(biāo)

正常運(yùn)用期，東莊水庫應(yīng)當(dāng)在入庫流量較大時敞泄排沙，沖刷庫區(qū)淤積的泥沙，長期保持水庫有效庫容。水庫敞泄排沙期間，出庫水流含沙量大，若排沙流量在３００ ｍ３ ／ ｓ 以下，出庫的高含沙小流量過程極易造成渭河下游河道淤積。但是，水庫排沙流量越大，敞泄排沙機(jī)會越少，水庫可能無法長期保持有效庫容。本文計算了排沙流量為３００、４００ ｍ３ ／ ｓ 兩個方案，即當(dāng)入庫流量大于排沙流量時，水庫敞泄排沙，以比較不同方案的庫容保持情況。

基于２０００—２０２１ 年水沙系列，利用數(shù)學(xué)模型計算了不同排沙流量方案東莊水庫淤積量，見圖６。由圖６可知，水庫運(yùn)用４０ ａ 攔沙庫容２０．５３ 億ｍ３ 淤滿以后，排沙流量３００ ｍ３ ／ ｓ 方案，汛期入庫流量大于３００ ｍ３ ／ ｓ時敞泄排沙可以長期保持有效庫容； 排沙流量４００ ｍ３ ／ ｓ方案，水庫敞泄排沙機(jī)會減少，難以將庫區(qū)淤積的泥沙排出，無法長期保持有效庫容。因此，水庫正常運(yùn)用期，汛期入庫流量大于３００ ｍ３ ／ ｓ 時水庫敞泄排沙。

２．２ 水庫徑流泥沙聯(lián)合調(diào)節(jié)方式

東莊水庫按上述排沙調(diào)度方式運(yùn)用，利用數(shù)學(xué)模型計算得到其工業(yè)供水保證率僅５７％、農(nóng)業(yè)灌溉保證率僅３０％，不能滿足工業(yè)供水保證率９５％、農(nóng)業(yè)灌溉保證率５０％的要求。若汛期東莊水庫以供水為主不排沙，模型計算得到庫區(qū)泥沙沖淤變化情況見圖７，由圖７ 可知，入庫泥沙將大量淤積在庫區(qū)，僅２４ ａ 水庫設(shè)計攔沙庫容２０．５３ 億ｍ３就淤滿，且水庫淤積量不斷增加，無法長期保持有效庫容。

為實現(xiàn)東莊水庫有效庫容保持和供水興利的雙重目標(biāo)，提出東莊水庫與周邊已建的泔河水庫、西郊水庫、龍?zhí)端畮臁①R蘭水庫等４ 座水庫聯(lián)合調(diào)節(jié)。東莊水庫蓄水興利運(yùn)用時，由東莊水庫向調(diào)蓄水庫充水，并向用水對象供水；汛期東莊水庫敞泄排沙時，由４ 座調(diào)蓄水庫向用水對象供水。東莊水庫與調(diào)蓄水庫之間通過管道連接，見圖８。

水庫聯(lián)合調(diào)控規(guī)則如下：

１）水庫攔沙期。主汛期７—９ 月，當(dāng)入庫流量大于６００ ｍ３ ／ ｓ、含沙量大于３００ ｋｇ／ ｍ３時，入庫含沙量較大，且這樣的水沙搭配過程對渭河下游河道減淤有利，東莊水庫敞泄排沙，調(diào)蓄水庫對外供水。

主汛期其他時段和１０ 月至次年６ 月，東莊水庫蓄水運(yùn)用，在泄放下游生態(tài)流量的同時，向調(diào)蓄水庫充水，東莊水庫和調(diào)蓄水庫同時對外供水。

２）水庫正常運(yùn)用期。主汛期７—９ 月，當(dāng)入庫流量大于３００ ｍ３ ／ ｓ 時，為長期保持水庫有效庫容，東莊水庫敞泄排沙，調(diào)蓄水庫對外供水。

主汛期７—９ 月當(dāng)入庫流量小于３００ ｍ３ ／ ｓ 時和１０月—次年６ 月，東莊水庫運(yùn)用方式同水庫攔沙期。

２．３ 聯(lián)合調(diào)節(jié)效果

２．３．１ 下游河道減淤

東莊水庫與調(diào)蓄水庫聯(lián)合調(diào)節(jié)改變涇河泄入渭河的水沙過程，減少渭河下游河道的淤積。由數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果可知，東莊水庫生效前，渭河下游河道持續(xù)淤積，５０ ａ累計淤積泥沙３．８７ 億ｔ，見圖９。東莊水庫投入運(yùn)行后，渭河下游河道累計沖刷泥沙１．７６ 億ｔ，可徹底扭轉(zhuǎn)渭河下游河道持續(xù)淤積的局面。與無東莊水庫相比，東莊水庫累計減淤量為５．６３ 億ｔ，年均減淤量為０．１１億ｔ，累計減少泥沙淤積厚度１．１９ ｍ，相當(dāng)于無東莊水庫條件下渭河下游河道９０ ａ 不淤積。

２．３．２ 水庫供水量

東莊水庫是陜西關(guān)中地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鄉(xiāng)生活的重要水源。經(jīng)計算，東莊水庫多年平均供水量為４．３５億ｍ３，其中供給涇惠渠灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉水量２．７３ 億ｍ３，使農(nóng)業(yè)灌溉保證率從３０％提高到５０％；供給銅川新區(qū)、富平縣城及工業(yè)園區(qū)、西咸新區(qū)及三原縣城城鎮(zhèn)生活和工業(yè)水量１．６２ 億ｍ３，供水保證率滿足９５％要求。

２．３．３ 生態(tài)基流保證效果

東莊水庫生效前，通過分析涇河張家山水文站１９６０—２０２１ 年實測徑流數(shù)據(jù)得到，河道流量不滿足流量５．３３ ｍ３ ／ ｓ 的天數(shù)為１２４ ｄ，魚類繁殖敏感期４ 月１５日—６ 月１５ 日，河道流量低于生態(tài)基流１０．６６ ｍ３ ／ ｓ 的年均天數(shù)為２５ ｄ，６ 月１６ 日—８ 月３１ 日河道流量低于生態(tài)基流１５．９９ ｍ３ ／ ｓ 的年均天數(shù)為２９ ｄ。數(shù)學(xué)模型計算得到， 東莊水庫運(yùn)行后， 全年生態(tài)流量均大于５．３３ ｍ３ ／ ｓ，魚類繁殖敏感期河道內(nèi)流量均大于１０．６６ ｍ３ ／ ｓ，６月１６ 日—８月３１ 日河道內(nèi)流量均大于１５．９９ ｍ３ ／ ｓ，可有效地改善生態(tài)流量不足和斷流對生態(tài)的影響。

３ 結(jié)論

１）東莊水庫攔沙期泥沙調(diào)度以減輕渭河下游河道淤積為主，水庫應(yīng)攔蓄入庫流量小于３００ ｍ３ ／ ｓ、含沙量大于３００ ｋｇ／ ｍ３ 的高含沙小洪水，泄放入庫流量大于６００ ｍ３ ／ ｓ、含沙量大于３００ ｋｇ／ ｍ３的洪水；水庫正常運(yùn)用期泥沙調(diào)度以長期保持水庫有效庫容為主，當(dāng)入庫流量大于３００ ｍ３ ／ ｓ 時水庫敞泄排沙。

２）東莊水庫高含沙洪水期降低水位敞泄排沙，由周邊已建的泔河水庫、西郊水庫、龍?zhí)端畮?、賀蘭水庫等４ 座調(diào)蓄水庫對外供水。平水期或非汛期東莊水庫調(diào)蓄徑流，泄放涇河下游生態(tài)流量的同時，將清水引入調(diào)蓄水庫，東莊水庫和調(diào)蓄水庫同時對外供水。經(jīng)數(shù)學(xué)模型計算，水庫運(yùn)用以后年均可減少渭河下游河道淤積０．１１ 億ｔ，多年平均供水量為４．３５ 億ｍ３，出庫流量均滿足河道生態(tài)基流要求。

未來東莊水庫投入運(yùn)用后，可結(jié)合流域水沙情勢變化，進(jìn)一步優(yōu)化水庫徑流泥沙調(diào)節(jié)方式。

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［１３］ 歸力佳，顧圣平，林樂曼，等．基于組合賦權(quán)－理想點(diǎn)法的梯級水庫蓄水研究［Ｊ］．人民黃河，２０１８，４０（５）：４４－４８．

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［１６］ 陳翠霞，萬占偉．多沙河流供水水庫徑流－泥沙聯(lián)合配置模型［Ｃ］／／ 中國水利學(xué)會．２０２２ 中國水利學(xué)術(shù)大會論文集（第一分冊）．［出版地不詳］：［出版者不詳］，２０２２：１６７－１７３．

【責(zé)任編輯 張 帥】

基金項目：國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（２０２２ＹＦＣ３０８０３００）；國家自然科學(xué)基金資助項目（Ｕ２２Ａ２０２３７，Ｕ２２４３２３７）；水利部重大科技專項（ＳＫＲ－２０２２０３０）