水利工程

左德鹏，徐宗学，刘兆飞，等

气候变化情景下渭河流域潜在蒸散量时空变化特征

左德鹏，徐宗学，刘兆飞，等

目的：气候变化对地区、国家甚至全球的可持续发展产生举足轻重的影响。蒸散发是水循环的重要组成部分，也是水文模型的关键输入因子，准确地估算未来潜在蒸散量并分析其时空变化有助于深入理解其对未来水循环的影响，并对水资源规划与管理、提高水资源利用效率以及保护生态环境等具有十分重要的现实意义。方法：根据渭河流域及周边20个国家基本气象站1959—2008年近50年的逐日气象资料，以FAO Penman-Monteith法计算的各站逐日潜在蒸散量作为标准值，对基于气温的Hargreaves法进行参数校正以使其适用于渭河流域，然后应用统计降尺度模型SDSM将HadCM3大气环流模式输出数据降尺度到各气象站点，生成A2，B2两种情景下各站未来日最高、最低气温数据，最后将其输入校正参数后的Hargreaves模型，从而分析未来气候变化情景下渭河流域潜在蒸散量以及最高、最低气温的时空变化趋势。结果：参数校正后Hargreaves法在各站参数修正至0.0008～0.0010之间，与FAO P-M法的平均绝对误差在0.28～0.79之间，平均相对误差在16.51%～38.25%之间，均方误差在0.36～1.04之间，确定性系数在0.64～0.92之间，说明校正后Hargreaves法在各站模拟误差均较小，模拟效果令人满意，可用于估算渭河流域未来情景下潜在蒸散量。依据各站选择的预报因子分别率定SDSM模型参数，率定期内各站模拟的Tmax与实测序列的R2在0.833～0.924之间，验证期为0.784～0.921；率定期Tmin的R2在0.789～0.897之间，验证期为0.825～0.930，说明率定后SDSM模拟效果较好，可用于GCM输出降尺度应用。两种情景下日Tmax，Tmin和年ETP较基准期均呈较明显上升趋势，B2情景下Tmax在未来3个时期分别升高1.31，2.46和3.60℃，除2020s与A2情景上升幅度相差无几外，2050s与2080s均低于其上升幅度；B2情景下Tmin分别升高1.18，2.57和4.41℃，较A2情景上升幅度与Tmax基本一致；B2情景下ETP分别增大71.22，105.33和143.15 mm，2020s较A2情景略有增大，但2050s与2080s均低于A2情景增大幅度，这与Tmax和Tmin的变化趋势基本一致。B2情景下渭河和北洛河上游是Tmax增幅较大区域，流域中下游大部增幅较小。增温较大区域随时间推移由渭河上游逐渐扩大至中上游，其最大值分别为3.37℃，4.58℃和5.75℃，呈明显递增趋势，而北洛河上游增温区域则逐渐缩小，增温较小区域相对较为稳定。Tmin增幅较大区域集中在渭河、泾河和北洛河上游，增温较小区域主要分布在渭河下游西安附近。增温较大区域随时间推移逐渐向中下游延伸，最大值分别为3.02，4.14和5.93℃，增温趋势明显，增温较小区域由渭河中下游逐渐萎缩至西安附近。ETP不同变幅区域空间分布较稳定，增幅较大地区分布在渭河南岸，北洛河上游和泾河中游地区，最大增幅分别为190.42，236.82和294.12 mm，随时间推移增大趋势显著。渭河北岸大部变幅较小，主要分布在泾河中下游地区。除变化量大小不同外，A2情景的空间分布规律与B2情景基本一致。结论：各站校正参数后的Hargreaves法可用于估算渭河流域未来情景下潜在蒸散量。两种情景下流域日最高、最低气温和年潜在蒸散量呈明显上升趋势，且B2情景低于A2情景下增幅。潜在蒸散量增幅较大月份为5—10月，其中7月最为显著。日最高、最低气温增幅较大区域逐渐扩大，增幅较小区域逐渐萎缩。年潜在蒸散量不同变幅区域均成明显增大趋势，增幅较大地区为渭河南岸，渭河北岸大部变幅较小。气温、蒸散量是影响径流、泥沙等过程的重要因素，因此，未来气候变化情景下流域水循环对其的响应研究将有待于进一步探讨。

来源出版物：水科学进展, 2011, 22(4): 455-461

入选年份：2015

海啸波作用下泥沙运动——Ⅰ.岸滩剖面变化分析

蒋昌波，陈杰，程永舟，等

摘要：目的：海啸已成为最严重的海洋灾害之一。在近岸地区海啸会引起剧烈的泥沙运动和岸滩演变，危害巨大。考虑水位变动的影响，基于波浪水槽实验，在组合坡上对海啸波作用下的岸滩剖面变化进行分析，将其与规则波和非规则波作用进行对比，揭示海啸波作用下近岸地区岸滩剖面演变规律。方法：实验在波浪水槽内进行。对海岸带地形采用1/10和1/20组合坡度的斜坡来概化模拟。斜坡用筛分好的平均中值粒径为d50＝0.318 mm细沙堆成。为考虑水位变化的影响，分别采用3种水位来概化低潮位、高潮位以及极端高潮位外加增水时的情形。考虑到实际海啸波的波形更像是N波而不是简单的孤立波，因此实验采用N波来模拟海啸作用。同时选取规则波和不规则波进行对比实验。波高测量采用浪高仪，地形测量采用超声波地形仪。波浪的上爬、回落和水跃过程采用摄像头记录。实验开始前除了对实验仪器进行校核和率定外，还开展大量的预备实验对造波机造波重复性、初始地形可靠性和地形变化重复性等进行测试和验证，保证了实验结果的准确可靠。结果：（1）N波作用下岸滩演变呈现沙坝剖面型式，向岸区的泥沙发生侵蚀，泥沙在离岸区淤积堆积。在规则波和不规则波作用下，岸滩会形成滩肩剖面，或沙坝剖面，破波点附近形成冲刷坑；随着波高、波周期、床沙粒径不同，泥沙或向岸堆积形成滩肩，或向海堆积形成沙坝，同时沙纹床面出现，然后随着波浪作用时间的增加，向离岸方向发展，这是规则波和不规则波特有的现象。（2）当水深足够大时，N波几乎不会引起地形变化，这一实验结论与现场观测得到的结果一致，表明海啸中淤积的泥沙主要来源于近岸地区，而非深海。（3）N波作用下，高速薄层回流和出渗水流作用是滩肩冲刷的主要原因，水跃发生导致水流挟沙力降低，在离岸水跃处产生淤积。不规则波和规则波作用下，波浪破碎引起泥沙悬浮，破波点区域均形成冲刷坑，泥沙被搬运到滩肩形成淤积。（4）水动力特性的不同，造成了N波与规则波和不规则波作用下不同的岸滩剖面变化特点。水动力特性和岸滩剖面形状是一个相互作用的统一体，岸滩形状随着水动力条件的改变而改变，始终朝着平衡的方向发展。结论：基于波浪水槽实验对海啸波作用下的岸滩剖面演变规律开展研究。N波作用下，水流回落时滩肩发生冲刷，泥沙在离岸水跃发生区域堆积，呈沙坝剖面。高速薄层回流和出渗水流作用是滩肩冲刷的主要原因，水跃发生导致水流挟沙力降低是淤积沙坝形成的主要原因。当水深足够深时，N波几乎不会引起地形变化，淤积沙坝的泥沙来源于滩肩。

来源出版物：水科学进展, 2012, 23(5): 665-672

入选年份：2015

大规模复杂水电优化调度系统的实用化求解策略及方法

程春田，申建建，武新宇，等

摘要：目的：中国水电系统经过近20年的快速发展，现在水电装机总容量已经超过了3亿kW，形成6个水电总装机超千万kW的特大流域梯级水电站群、2个超过五千万kW省级电网和1个亿kW级区域电网，单一电网集中调度的大中型水电站群数目超过了100座甚至200座，需要满足非常复杂的水力电力时空高度耦合约束和条件，导水电系统调度问题的可建模计算和结果可用性极其困难，如何结合工程实践提出创新性的优化思路和求解策略至关重要。为此，本文系统介绍了我们提出的大规模复杂水电系统的优化求解策略及方法，主要包括缩减系统求解规模的智能化策略、处理系统维数灾问题的组合求解方法、保证系统实用化的可视化交互方法。方法：构建了大规模水电优化调度求解框架，根据水电系统调度特征如问题的层级、任务要求、尺度特点、计划特殊性等对系统求解规模进行合理简化，并选择不同优化计算方法和策略，从而达到问题可求解、快速求解和得到满足工程实际要求计算结果目的；对于简化后的问题，根据任务和工程特点选择多种经典的优化方法进行组合降维优化计算，对于更大规模水电系统，采用正交抽样技术与DPSA思想制定科学的抽样规则，进一步优选参与计算的状态变量，耦合我们提出的可变时间尺度和贯序约束相耦合的水电系统时空关联搜索技术，实现水电系统组合降维和高效求解，切实保证结果可用性，提高搜索寻优效率。结果：以云南电网水电系统调度为例，包含大中型水电站约160座，采用经典动态规划方法很难解决此大规模水电优化问题，其计算时间会随电站规模呈指数级大幅增长，难以满足实用化要求。采用本文方法在双核2.13客户端PC机上完成计算，耗时约为30 s，完全满足电网运行的时效性要求；优化结果表明，水电系统总出力满足了给定的出力带宽要求，全年最小出力达到8081 MW（12月份），较发电量最大目标所得最小出力6942 MW（2月份）提高了约16.4%，枯期发电能力明显提升。从主要水电站的库水位与出力过程可知，为提高枯水期发电效率，增大发电出力，多数调节电站在枯期各月份保持较高水位运行，而且几座多年调节水库在汛期发电也相对较少，以蓄水为主，有效利用了水库的库容补偿调节作用，如小湾、西洱河一级、以礼河一级、茄子山。总体来说，本文方法能够有效均衡求解质量和计算效率，是解决大规模水电系统调度问题的一种实用化方法。结论：（1）随着水电系统规模的扩大，面临的约束、求解任务将更为复杂，如何利用已有知识与经验对系统优化的求解规模进行简化非常重要，不仅关系到系统可求解性，更重要的是关系到解的可行性和可用性；（2）水电系统优化经过70年研究，已经产生了很多好的优化方法，但直接将这些方法应用于大规模复杂应用系统，将面临处理复杂约束困难、导致现有的计算方法难以应用，需要对现有的计算方法从初始解生成、可行解搜索及优化计算等方面进行改造，重建优化调度方法，多个方法的有效结合是必须的，是将来求解大规模复杂水电系统的有效途径。

来源出版物：水利学报, 2012, 43(7): 785-795

入选年份：2015

干旱频率分析研究进展

程亮，金菊良，郦建强，等

摘要：目的：旱灾是世界上分布广泛、频繁发生的重大自然灾害之一，全世界约有120 多个国家受到干旱威胁。干旱频率分析从水文气象要素（降水、径流等）随机性入手，对干旱历时、强度和影响面积等干旱特征进行概率描述，以揭示干旱发生频次和时空分布特征，是抗旱工程规划设计和管理、旱灾风险管理的重要基础。归纳阐述国内外研究进展，提出亟需解决关键科学问题，以促进干旱频率分析与旱灾风险管理发展进步。方法：从干旱定义与识别、点干旱频率分析和区域干旱频率分析3个方面系统阐述干旱频率分析研究进展和存在问题，归纳提出适用于干旱频率分析的干旱定义，干旱识别、点干旱频率分析以及区域干旱频率分析的主要研究途径及其优缺点。结果：（1）干旱频率分析中应采用“水分收支或供求不平衡而形成的持续水分短缺的现象”这一定义。采用反映水分供给的水文气象要素及其构成的干旱指数描述水分短缺。考虑用水需求时，需要采用合理的方式来反映水分的需求，以排除人类活动的干扰、确保干旱的随机特性。（2）游程理论可以判别干旱发生与否并计算干旱特征，是目前最常用干旱识别方法。阈值选取、水文气象要素与干旱指数序列时间尺度选择和干旱合并是利用游程理论识别干旱过程中需要特别关注的问题。应综合多种水文气象要素、干旱成因、旱情、旱灾等信息识别干旱。（3）与条件概率法和非参数方法相比，基于copula函数的多变量干旱频率分析能较全面地描述干旱特征，是一种简便、通用、有效的多变量频率分析方法。建议从多维copula函数的构建、拟合度检验和适宜copula函数类型的归纳总结等方面开展深入研究。（4）当前区域干旱频率分析的三种主要途径包括：分析展示水文气象要素或干旱特征空间分布、对区域干旱面积、区域累积缺水量和区域干旱历时等区域干旱特征进行频率分析以及采用区域洪水频率分析方法进行区域干旱频率分析。结论：干旱的定义、描述和识别远比洪水复杂，干旱频率分析比洪水频率分析复杂。区域干旱频率分析能反映干旱特征的空间分布和区域特性，是干旱频率分析中重要研究内容之一，目前尚处于起步阶段，亟需继续加强深入研究。将干旱频率分析应用于水资源系统规划设计管理和干旱灾害风险管理中的研究更少。干旱频率分析的研究对象需要扩展，理论、方法和应用均很不成熟，亟需展开深入研究。

来源出版物：水科学进展, 2013, 24(2): 296-302

入选年份：2015

气候变化和人类活动对水文循环影响研究进展

宋晓猛，张建云，占车生，等

摘要：目的：气候变化和人类活动是影响流域水文循环过程和水资源演变规律的两大驱动因素，所引起的水文效应已成为当前全球变化研究领域的焦点问题。水循环系统是气候系统的重要组成部分，气候变化对水循环要素的影响必然导致流域水资源的时空变化。同时，人类活动对流域水循环的影响也日益显著，主要表现为土地利用/覆被变化、修建大型水利工程等引起的流域下垫面条件变化，进而影响流域内的产汇流机制。如何正确认识变化环境下水文情势演变规律，陆面水文过程的响应机制以及水循环要素变化检测与归因成为当前水科学研究的关键问题。方法和结果：通过系统梳理国内外在气候变化和人类活动对水循环影响方面的相关研究成果，针对气候变化和人类活动对流域水循环要素的影响机制，剖析了气候变化和人类活动对陆面水文过程影响研究的主要进展，探析了变化环境下水循环要素的演变规律，明确了变化环境下水循环要素变化的检测与归因的定义及研究范围；并从水文要素时空变化检测与归因的角度，系统总结了变化环境水文响应的检测和归因的主要方法，分析了各种检测与归因方法的优缺点；从降水、蒸散发和径流3个方面深入探讨了国内外在变化环境下水循环要素变化的检测与归因问题上的主要成果；指出当前气候变化和人类活动对水循环过程影响研究方面存在的主要问题和困难。结论：针对变化环境下的水文效应机理研究尤其在定量化研究、水文要素的变异性识别、时空尺度的复杂性问题以及气候变化和人类活动对水循环过程的影响分离等方面的不足，从学科发展的角度指出了当前变化环境下水科学研究面临的主要挑战，提出了未来研究的重点方向：（1）加强气候变化和人类活动对水循环要素变异的驱动机理研究，定量化识别气候变化和人类活动的影响贡献率，科学回答变化环境下水循环过程演变的驱动机制；（2）强化水循环要素时空变异的诊断分析，量化变化环境下的水循环过程的时空变异特征，并揭示变化条件下的极端水文气象事件变化规律，准确把握气候变化和人类活动影响下的水资源演变规律，保障人类社会发展的水资源安全；（3）深化水文模型技术及不确定性研究，进一步提高模型模拟效果，深入探讨模型的不确定性影响，进而提高模型研究的可靠性。

来源出版物：水利学报, 2013, 44(7): 779-790

入选年份：2015

大规模滩涂围垦影响下近海环境变化及其对策

张长宽，陈欣迪

摘要：目的：沿海滩涂是重要的土地后备资源，具有拓展生存空间的巨大潜力。大规模围海造地虽然可以为人类生存提供新的空间，为我国沿海地区社会经济发展提供重要的土地资源支撑，这是可见效益的一面，但同时也可能导致负面的近海环境变化。以江苏大规模滩涂开发利用为例，提出滩涂围垦开发的指导思想、基本原则、布局方案等，讨论大规模人类活动影响下近海环境变化及其对环境影响的评价方法，提出相应的滩涂资源保护措施。方法：通过对江苏沿海滩涂开发利用历史资料进行收集和分析，在充分研究江苏沿海滩涂地貌与动力特征，江苏潮间带冲淤演变特征，围垦与湿地保护、自然区保护、河口治导线保护的关系等的前提下，分析沿海的生态环境承载力，提出江苏沿海滩涂围垦开发总体构想及空间布局特点。结合大规模滩涂开发利用对沿海环境已产生的影响，并根据江苏沿海水动力泥沙环境、生态环境特征，基于海岸动力学等理论，提出未来可能产生的环境影响。通过对现有围填海环境影响评价方法或围填海适宜性评估模型的特征进行分析，给出影响评价结果科学性与实用性的主要因素。基于对历史滩涂围垦工程建设的主要负面影响的研究，提出江苏沿海滩涂开发利用的保护措施。结果：江苏近海海域受2个潮波系统的影响，形成以弶港为顶点的辐射状潮流场，为辐射沙脊群的形成和维持提供了必要的动力环境，是形成江苏丰富滩涂资源的前提条件。江苏沿海滩涂面积约5000 km2，滩涂资源丰富，约占全国滩涂总面积的1/4，居全国各省之首。江苏沿海滩涂围垦空间布局的主要特点为：以髙滩围垦为主、维持潮流通道畅通、保护并开发港口资源、注重生态保护。大规模滩涂围垦开发利用将对近海环境产生一定的影响。江苏沿海的海洋动力环境相当独特，历史研究成果表明，围垦方案实施后，海域地形和海洋动力环境之间将通过相互作用达到一个新的平衡状态：（1）对移动性驻潮波而言，围垦方案实施后，除局部范围有较小差别外，对近岸的潮波系统几乎没有影响。（2）对泥沙输运和海岸演变而言，总体上，进入辐射沙脊群区域的泥沙量大于输出的泥沙量，辐射沙脊群中区区域仍处于缓慢淤涨状态，但沿海围垦开发等大规模人类活动将引起大陆海岸线格局发生变化，沿岸围垦会导致海岸剖面的重塑。围填海工程海堤前沿滩面淤涨速度几乎不可能跟上围填海实施前滩面淤涨速度，潮间带面积的永久丧失，使得原来一直受广阔滩涂保护的海岸失去了天然屏障，更多的堤防暴露于较深的水中，风暴潮、台风浪等海洋灾害问题会变得严峻。（3）对海洋生态环境而言，滩涂围垦占用了一定面积的滩涂空间，必然对滩涂湿地和生物多样性、海岸带水陆环境、自然保护区以及海岸生物资源产生一定的影响。围填海环境影响的评价方法或围填海适宜性评估模型一般包括目标层、一级指标层和二级指标层等3个层。科学、准确地选取指标是体现评价结果科学性与实用性的主要因素，而各评价因子或评价指标的赋分则是另一个重点。一般运用层次分析法对不同层次各个评价指标的相对重要性进行比较、判断，得出各个指标的权重值。对滩涂开发利用的环境保护措施，应坚持对滩涂湿地资源可持续发展的保护原则，在充分研究相关社会经济发展、生态环境保护等方面的规划、区划的前提下，分析沿海的生态环境承载力，提出滩涂资源适度开发利用的规划方案，采取切实可行的滩涂保护措施，实现滩涂资源的可持续利用，减少围垦对生态环境的不利影响。同时，要加强我国围填海管理，加强海洋资源的管理。结论：我国浅海滩涂分布广，面积大，是潜在的后备土地资源。选择适宜的区域围垦开发，形成大规模的土地后备资源，对有效拓展人类的生存空间，促进沿海地区经济发展具有十分重要的意义。大规模人类活动，特别是超越滩涂自然淤涨速率的大规模滩涂围垦会对海岸天然湿地、近海海洋和海岸生态系统、近岸生物资源等带来负面影响，充分认识这些影响，更好地推进可持续发展战略，加强海洋和海岸环境保护十分必要。科学确定围垦布局是实现大规模滩涂围垦目标的第一步，围垦布局是一项有利也有弊，处理不当甚至有害的系统工程，它不仅涉及围垦区的水动力、泥沙等自然条件，生物生态环境，还与社会经济发展联系紧密。围垦工程涉及自然科学、工程技术、社会科学的多个学科，一般情况下又是正面效益强调多，负面影响研究不足，更需要足够的时间思考、研究，目前的评估理论、方法、模型均不足以清楚地回答人们的疑虑。开展大规模滩涂开发利用的环境影响及其评价方法的深入研究刻不容缓。江苏大规模沿海滩涂的开发、利用及保护的经验可为我国其他沿海地区滩涂的可持续发展提供一定的借鉴意义。

来源出版物：河海大学学报（自然科学版）, 2015, 43(5):424-430

入选年份：2015

中国大陆降水时空变异规律：I.气候学特征

任国玉，战云健，任玉玉，等

摘要：目的：了解中国大陆及其主要流域大气降水季节性和空间分异特征有助于深入认识区域水循环过程和流域水资源、水灾害等现实问题。方法：采用1956—2013年2325个站网日降水资料，对全国和十大流域现代大气降水气候学特征进行了综合分析。日降水量是指一天24 h降水的累计量；降水日数是指24 h内降水量达到或超过0.1 mm的天数；小雨日数是指24 h内降水量在0.1～10.0 mm的天数；暴雨日数是指24 h内降水量达到或超过50.0 mm的天数。降水变异系数是任意分析时段内台站或流域平均降水量（日数、强度）序列标准差与均值的比值。在分析各个流域平均降水量季节循环时，将流域候平均日降水量达到4.0 mm作为雨季开始和结束时间，流域候平均日降水量达到6.0 mm作为丰雨期的开始和结束时间，流域候平均日降水量达到8.0 mm作为特丰雨期的开始和结束时间。全国降水指标平均值的计算均采用面积加权平均方法。12月—翌年2月为冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季。结果：（1）东部沿海日降水强度明显高于中西部内陆，最大值出现在华南沿海；暴雨量、日数和强度最高站点分布在华南沿海，而小雨量、日数最多出现在江南内陆山地、丘陵；东部季风区山地、丘陵更易出现低强度降水，而平原和沿海更易发生高强度降水；西北诸河的年降水量、日数和强度，以及年暴雨量、日数和强度，年小雨量和强度，均为各大流域中最低；多数降水指标在珠江流域和东南诸河流域最高，但小雨日数在长江流域最多，海河流域最少。（2）各季节降水量都从西北内陆向东南沿海方向逐渐递增；春季江南和华南降水量最高，青藏高原东南部次高；夏季降水量在全国各大流域均显著高于其他季节，表明所有大河流域都是典型的夏季降水类型区；南方秋季雨量明显小于春季，但华西和江南沿海条带区域秋雨相对较多；冬季降水主要出现在江南地区，东南丘陵是高值中心。（3）各大流域平均降水量年内分布具有明显不同的特征。珠江、东南诸河和长江流域一年出现2～3个峰值；东南诸河最大峰值出现在6月中下旬，次峰值在8月末，冬季降水全年最少，但仍为所有流域中最高；珠江流域存在6月和8月中双峰值，后者略低；长江流域总体表现为单峰型，峰值出现在6月下旬和7月初，对应梅雨季节；淮河流域最大降水出现在7月上中旬；其他流域在7月末降水量达到最大值。（4）南方各大河流域从2月末到6月中下旬陆续进入雨季，北方各大河流域进入雨季时间集中于6月末、7月初，黄河流域作为整体没有严格意义上的雨季，西北诸河流域全年没有雨季。北方河流雨季结束时间集中于8月中下旬，南方各大河流域雨季结束时间分布在9月初到10月初，均比雨季开始时间集中得多。我国各大河流域从南到北进入雨季时间前后持续120 d以上，而从北到南退出雨季时间则持续不足45 d。（5）珠江流域在5月初进入丰雨期，9月上旬后期结束，丰雨期最长；东南诸河5月上旬进入丰雨期，7月上旬结束，8月末再度短暂出现，9月初最终退出；长江流域6月中下旬入丰雨期，7月中旬结束；西南诸河丰雨期始于7月中旬，结束在8月下旬；淮河流域在7月上旬入丰雨期，7月底、8月初退出；北方各河流域只有辽河在8月初出现极短暂丰雨期。珠江和东南诸河流域还分别出现1个月（6月上旬到7月上旬、8月中旬）和半个月（6月中到6月末）的特丰雨期。（6）降水年际变异性最高的区域出现在青藏高原西南部、塔里木盆地、阿拉善高原，华北平原北部和汾河谷地，江南地区降水年际变异性较小。在十大流域里，海河流域平均年降水量和降水强度均具有最大的变异系数，长江流域年降水量、日数和强度变异系数最小。结论：华南沿海暴雨量、日数和强度最高，南方内陆山区、丘陵小雨量、日数最多；东部季风区平原和沿海易出现高强度降水；南方秋季降水量明显小于春季，华西和江南沿海秋季降水较多，东南丘陵冬季降水出现高值中心；珠江和东南诸河流域降水量年内存在2个峰值，长江流域总体表现为单峰型，西南诸河流域和北方所有流域均为典型的夏季单峰型；南方各大河流域从2月末到6月中下旬陆续进入雨季，北方各大河流域进入雨季时间集中于6月末、7月初；从南到北进入雨季时间持续120 d以上，而从北到南退出雨季时间则仅持续不到45 d；青藏高原西南、塔里木盆地、阿拉善高原、华北平原北部和汾河谷地降水年际变异性高，尤以海河流域为最。

来源出版物：水科学进展, 2015, 26(3): 299-310

入选年份：2015

流域城市化进程中雨洪综合管理量化关系分析

王虹，李昌志，程晓陶

摘要：目的：针对城市化进程中流域尺度暴雨洪涝水文特征的变异及径流峰值与总量的增加，应用GIS技术与数值模拟方法从流域尺度进行雨洪蓄滞渗用排量化研究，将简单的场地蓄滞控制转变为流域范围内的雨洪总体调蓄管理。利用流域内“上蓄下排”，子流域区之间“错峰削峰”的原理以及LID措施对蓄滞渗用排及进行优化分析，以减少流域尺度所需的蓄滞容积。方法：选择一个185 km2的典型流域并应用DEM数据、土壤数据及GIS技术建立流域尺度水文数值模型。以2005年土地利用状态为开发前情景，2040年预测的土地利用状态为开发后情景开展研究。以100年一遇24 h降雨条件下，开发后的降雨径流峰值不超过开发前为控制条件来确定开发后整个流域内必须提供的雨水蓄滞容积，并在此基础上加入多种组合的LID措施进行蓄滞渗用排优化分析。主要组合方案包括：（1）传统场地储蓄方式，控制每个子流域的排放径流量；（2）传统场地储蓄方式，控制主干流8个支流汇流点处排放径流量；（3）根据流域内“上蓄下排”“削峰错峰”的原理模拟不同子流域蓄滞容积的优化组合；（4）在方案C的基础上增加LID入渗措施，以控制25 mm的雨水量；（5）在方案D的基础上增设雨水回用措施以控制10 mm的雨水量。结果：流域水文数值模拟显示，开发后流域尺度的洪峰值比开发前增长85%；峰现时间提前5 h 20 min。传统的径流场地蓄滞理念旨在保持城市开发后的降雨径流峰值与开发前相同，以消除城市化对水文水环境的影响，却忽略子流域径流形成及汇流时间的影响，没有考虑河道行洪过程与各个子流域径流峰值在汇流点的叠加影响，导致河道洪峰值增加，流域出口处的洪峰值增加27.8%。采用控制河流洪峰流量的方法，每个子流域允许排放的径流峰值相应减少，蓄滞容积增加，整个流域所需蓄滞容积增加49.7%。以流域为整体综合蓄滞，利用“错峰削峰”原理，采用流域内“上蓄下排”措施，根据每个子流域的汇流时间，径流峰值与流量，河流的洪水演进过程等因素对每个子流域的蓄滞容积进行优化分析，流域整体蓄滞容积减少24.7%。增加LID及雨水回用优化分析显示，这类措施在削峰的同时，还可以延长峰现时间，缩短高流量持续时间，减少流域整体蓄滞容积。增加LID及雨水回用后，流域整体蓄滞容积减少60.3%。结论：模拟流域城市化条件下不同的雨洪管理方案显示，单纯控制开发场地的径流排泄峰值虽然控制了场地的径流排泄峰值，在流域范围内，尤其是河流下游，仍会产生较大洪水。控制河流汇流点处洪峰流量，可以保持河流的洪峰流量等同于开发前，减缓大洪水对河流的威胁，但是河流高水时间延长。结合流域范围内“削峰错峰”“上蓄下排”的原理在流域尺度上优化安排雨洪蓄滞，可以充分利用河流的行洪能力，显著降低流域尺度所需的蓄滞容积。在流域范围内优化蓄滞的基础上进一步采取LID入渗及雨洪利用措施可将整个流域所需的蓄滞容积减少60.3%，并显著缩短高水持续时间。

来源出版物：水利学报, 2015, 46(3): 271-279

入选年份：2015

海河流域河川径流对气候变化的响应机理

贺瑞敏，张建云，鲍振鑫，等

摘要：目的：以气温升高和降水变化为主要特征的全球气候变化对地球系统产生了深远的影响，其中水文过程是受气候变化影响最直接和最重要的领域之一。气候变暖将加剧水文循环过程，影响降水、蒸散发、土壤含水量和河川径流等的时空分布特征，并且影响区域水资源的状况，从而影响到国家的中长期发展战略。研究河川径流对气候变化的响应机理是有效应对气候变化的重要基础工作，不仅可以在很大程度上增强对流域水文循环过程机理的认识，同时对于未来气候变化背景下的水资源规划及管理等具有重要意义，从而能够促进流域的社会经济发展，改善区域生态环境，实现水资源的可持续性开发利用。方法：在海河流域的选取了6个水文站，从南到北基本覆盖了整个海河流域，能够很好地反映海河流域不同区域的属性代表全流域的空间特征。利用可变下渗容量（Variable Infiltration Capacity，VIC）模型，根据河川径流对气候变化响应的定义，利用观测的水文气象数据来率定VIC模型的参数，然后假定降水和气温的变化来产生未来的气候变化情景，利用假定的气候情景来驱动率定好的水文模型，最后通过比较水文模型模拟的未来情景下的河川径流量和基准期的河川径流量来分析河川径流对气候变化的响应。结果：（1）构建的海河流域大尺度影响评价模型对于径流过程有较好的模拟结果，可以用作气候变化的影响评价工具。（2）在年平均气温升高2℃时，海河流域的径流量将减少6.5%。径流量对气候变化响应的空间差异性也较大。流域西北部径流对年平均气温的升高更敏感，径流最大减少了15%；而流域东南部对年平均气温升高的敏感性较弱，最小的变幅仅为－1%。（3）当年降水量增加或者减少10%时，海河流域的径流量将分别增加26%和减少23%。径流对年降水量变化响应的空间分布较复杂，总体上，流域北部、西北部和西南部山区对年降水的敏感性较大，而东部平原区对降水的敏感性较弱。（4）在年平均气温升高2℃的前提下，年降水量增加或者减少10%会引起海河流域径流量增加18%或者减少28%。当年平均气温升高2℃同时年降水量增加10%时，径流的敏感性从流域东南部向流域西北部递减。当年平均气温升高2℃同时年降水量减少10%时，径流敏感性的空间分布散乱，总体上西部山区的敏感性较大。（5）在年降水量不变的前提下，当汛期降水占年降水量的比例 分别增加或者减少10%时，全流域的径流量将会增加12%或者减少7%。当汛期降水占年降水量的比例增加10%时，流域东部和东北部的径流增加幅度最大达到了24%，而流域西部山区的径流量几乎没有发生变化。当汛期降水占年降水量的比例减少10%时，流域东部的径流减少程度最大为－19%，而流域西部的径流量呈增加趋势。结论：气候变化与水文过程是一个复杂的问题，涉及到多学科的交叉和融合。就目前的认知水平，评估气候变化对水文水资源的影响具有非常大的不确定性。如何定量估计并减少这种不确定性是未来需要着重研究的方向之一。

来源出版物：水科学进展, 2015, 26(1): 1-9

入选年份：2015

气候变化下水资源动态承载力研究

左其亭，张修宇

摘要：目的：气候变化是目前国内外公认的最主要全球性环境问题之一，未来的气候变化将进一步加剧水资源的供需矛盾，影响着水资源承载力的变化。定量研究气候变化下水资源承载力动态变化过程十分困难。本文提出基于预测-模拟-优化的控制目标反推模型方法（简称PSO-COIM），并以塔里木河流域为实例，探索气候变化下水资源动态承载力计算途径。方法：采用基于预测—模拟—优化的控制目标反推模型方法（PSO-COIM），来构建气候变化下水资源动态承载力计算模型。该模型考虑到气候变化和人类活动对水资源系统的双重影响作用，以气候模式输出模块作为陆面系统的输入，根据多年观测资料构建气温、降水等气象因子与陆面水资源系统（河川径流）之间的输入—输出关系子模型，搭建起大气系统“气候变化”因子与“水资源系统”因子之间的定量联系；以气候模式输出结果为基础计算陆面水资源系统未来演变预测结果；将“水资源系统、经济社会系统、生态系统相互制约、互为参数建立的耦合系统（模拟）模型”作为基础模型，以“构建的维系生态系统良性循环控制方程组或指标阈值”为控制约束，将“复合大系统支撑的最大经济社会规模”作为优化目标函数，建立大系统最优化模型。通过该最优化模型求解（或控制目标反推）得到的“最大经济社会规模”，就是水资源动态承载力。将该方法在塔里木河流域进行应用检验。首先，以2012年中国气象局国家气候中心制作并发布的中国地区气候变化预估数据集（第3版）作为气候模式输出模块的数据来源，结合塔里木河流域代表性水文站1961—2010年的多年观测资料构建气温、降水气象因子与陆面水资源系统（河川径流）之间的输入—输出关系子模型（采用多元平稳时间序列（ARIMAX）模型方法）。接着，以气候模式输出结果为基础计算不同水平年的RCP8.5、RCP4.5、RCP2.6三种情景下塔里木河流域水资源量动态预测值。然后，建立PSO-COIM大系统优化模型。最后，通过迭代数值法计算得到2010年、2020年、2030年3种不同情景下可承载的人口总数，进而对水资源动态承载力进行分析。结果：从塔里木河流域水资源动态承载力计算结果可以看出：（1）塔里木河流域2010年、2020年、2030年RCP8.5、RCP4.5、RCP2.6三种情景下水资源总体情势相对稳定，其中阿克苏河、开孔河水资源量呈增加趋势，而和田河、叶尔羌河水资源量呈减少趋势。（2）2010年、2020年、2030年RCP8.5、RCP4.5、RCP2.6三种情景下塔里木河流域水资源承载力呈动态变化趋势，和田河流域水资源承载度变化不大，虽略有好转，但经济社会的发展规模一直处于水资源承载力的临界状态；开孔河流域、叶尔羌河流域水资源承载度变化比较明显，经济社会的发展规模逐渐控制在水资源承载力的范围之内；阿克苏河流域水资源承载度变化最为明显，但经济社会的发展规模仍然超出水资源承载力的范围。尽管阿克苏河水量多，但需水量大、主要是农业用水多，导致承载压力较大。通过多方面的分析认为，计算结果能够清晰地反映出该流域水资源的变化情势、经济社会的发展规模和流域水资源承载力的变化趋势。结论：基于提出的气候变化下水资源动态承载力的概念、内涵、理论框架和模型方法，在塔里木河流域开展实例研究。研究表明：提出的PSO-COIM计算模型充分考虑了气候变化和人类活动的不确定性作用，计算结果体现出水资源承载力的动态变化特征，适合于复杂流域水资源动态承载力的计算。该模型既能表达过去水资源承载力动态演进过程，也能充分反映未来不同气候模式情景下水资源承载力变化过程和趋势。

来源出版物：水利学报, 2015, 46(4): 387-395

入选年份：2015