三峡水库支流河口淤积及拦门沙形成风险研究

三峡水库库区分布有大小66条支流,水库蓄水后部分支流河口泥沙大幅度沉积,其形成拦门沙坎的可能性亟待揭示.本文以多期次水下地形为基础,辅以原型固定断面观测成果,基于DEM数字高程模型,计算和分析了三峡水库蓄水后库区支流河口段泥沙淤积量及其沿程、平面的分布特征,研究了三峡库区主要支流河口泥沙堆积形态及成因.结果表明,三峡水库蓄水后2003年3月～2011年11月间库区支流累计淤积泥沙1.8亿m3.水库蓄水使得支流河口段水动力条件减弱是泥沙淤积的根本原因,支流来沙、倒灌泥沙及交汇段干支流河势影响泥沙淤积幅度和范围.三峡水库支流河口段淤积的泥沙以干流倒灌为主,支流来沙堆积的现象也存在,随着干支流来沙量趋于减少,支流河口淤积形成拦门沙坎的风险较小.     

三峡库区长江干流及主要支流氮磷叶绿素变化趋势研究

大坝建设对水生态环境的影响一直备受关注.长江三峡工程是目前为止世界范围内最大的水电工程,本文以2006~2015年三峡工程建设和试验性蓄水期长江干流及主要支流共计82个断面水质监测数据为基础进行了分析研究.结果表明,三峡库区长江干流水质保持稳定,支流总体水质有所好转.分年度进行SMK统计分析表明,总氮总磷总体呈上升趋势,且总氮呈现上升断面的数量高于总磷.总氮总磷上升的空间分布明显不同.总氮呈显著上升的断面普遍存在库首和库中地区,并有向库尾延伸的趋势,而总磷呈上升趋势断面在各干支流呈散点分布,在库尾重庆、长寿等地呈现显著升高的断面数量明显高于总氮,而在库首秭归和夷陵等地呈现显著上升断面的占比明显低于总氮.回水区总磷浓度总体高于非回水区,而总氮无明显差异.长江干支流氮磷含量呈上升趋势,但叶绿素a含量仅有约20%断面呈显著上升趋势,且空间分布分散.项目研究结果可为三峡大坝对水环境的影响提供参考,为库区水质管理提供借鉴.     

小浪底水库调水调沙期水沙运动全过程模拟

为模拟调水调沙期小浪底库区水沙运动过程,建立了考虑有干支流倒回灌的明流与异重流交替演算的一维水沙耦合模型.该模型采用了适用于复杂支流水系的零维水库法和考虑支流底坡的流量公式计算干支流倒回灌,采用潜入点判别条件衔接明流与异重流计算,并考虑了非静止水面假定下异重流与上层清水的耦合.应用该模型对选取的2002年及2012年小浪底水库调水调沙过程分别开展参数率定及不同工况下的过程反演.计算结果表明,库区自上而下可划分为零支流库区段、明流段和异重流段,考虑倒回灌过程的模型在3个区段均能较好还原实测水沙过程,不考虑的模型仅在零支流库区段和考虑的模型误差相近;由于其忽略了干支流倒回灌对水沙输移的影响,明流段的水位、流量及含沙量在回灌期偏小,在倒灌期偏大;异重流段的潜入点位置及时间滞后,异重流交界面高程、流速及含沙量偏大,计算排沙比过高.另外,模型相关参数的敏感性分析还表明,交界面阻力系数、倒灌阻力损失系数和水量掺混系数对计算结果的影响依次减小;其中交界面阻力系数的增大,一定程度上导致模型响应的滞后;倒灌阻力损失系数的影响,则需依据支流底坡的具体大小分情况讨论.     

三峡水库二期蓄水初期螺山站水位流量变化响应

三峡工程二期蓄水对坝下游江段水情的变化产生了一定的影响.在水库蓄水的初期阶段,分析螺山江段水位流量的变化响应,采用综合落差指数法描述了该河段水位流量关系的变化,并通过同流量水位法初步撂悉了访河段近几年河床冲淤变化情况.结果表明,水库蓄水后.枯水期该站月径流量占径流量的百分比上升了0.43%,丰水期和平水期分别下降了0.2%和0.23%;从该站水位距平值来看,枯水期有所上升,丰水期和平水期均有所下降.时该站水位流量关系进行单值化处理后,发现蓄水后水位流量关系曲线较蓄水前偏左.同时,同流量下水位的变化也反映了该河段泥沙冲淤情况,对此本文作了初步探悉,发琨在同一江段的不同时段都有冲淤的变化.     

三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究

针对大部分水库调度模型中水沙输移计算大幅简化且与库水位计算过程间只有单向耦合的问题,本研究构建了基于激波捕捉式有限体积法与河网算法的库区水沙调度模型.该模型采用河段连接单元内水沙质量与动量守恒方程的准二维求解算法,河网算法可以反映干支流交汇角的影响,并且使用OpenMP技术实现了并行求解.该模型的水库调度模块将调度方案表示为5个触发条件和4个调度指令参数构成的调度规则表,由水沙动力学模型向调度模块提供入库监测断面的水沙条件与实时更新的水位库容关系,水库调度模块为水沙动力学模型提供库区下游边界条件,从而实现两者双向耦合.采用2020年三门峡库区实测水沙数据进行了模型验证,库区三个河段的水位、流量和含沙量计算结果与实测值相符,在坝前水位最快下降速度达到2.3 m/h的敞泄排沙时段,数值计算过程稳定且成功预测了出库沙峰.针对近年黄河来沙量减少而潼关高程下降趋势并不稳定的问题,应用模型开展了三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究,通过对不同的汛期和非汛期调度方案的模拟分析,初步确定了坝前控制水位对于年内库区冲淤量和潼关高程影响显著的时期,研究结果可以为三门峡水库调度方案进一步优化提供思路.     

北京翠湖国家湿地公园浮游植物群落及水体营养状况分析

北京翠湖湿地是北京市唯一的国家级城市湿地公园,为了给科学管理提供依据,2012年4月至11月对该公园水体中的浮游植物进行了监测。从定性、定量水样中共检出浮游植物8门、73属、154种(包括变种),其中绿藻门占50.6%(78种),硅藻门占24.0%(37种)、蓝藻门占12.3%(19种)。浮游植物平均密度为14 243.62×10～4cell/L,其中绿藻门占41.7%,硅藻门占12.3%,蓝藻门占37.2%。浮游植物群落属于绿藻-蓝藻-硅藻型。优势种群为富营养或严重富营养型水体指示种。翠湖浮游植物密度变化与水温呈显著正相关(P0.05),与叶绿素A呈极显著正相关(P0.01),与透明度呈负相关。浮游植物密度,透明度与叶绿素a的TSI_M指数(56.28;81.63),均显示翠湖为富营养—重富营养型水体。翠湖浮游植物多样性指数平均值:H′=1.50;均匀度指数平均值:J=0.32,显示水体为中污染。翠湖为北京的城市湿地,在保护生物多样性、调节地区小气候、补充地下水、洪灾防控和社会文化等方面有重要作用,亟待治理水体富营养化,构建健康的水生态系统。     

鄱阳湖与长江干流水量交换效应及驱动因素分析

针对长江与鄱阳湖复杂的江湖关系,立足于"湖补江"、"湖分洪"等水量交换过程,基于概念解析、方法定义等手段,提出了顶托强度指数、倒灌强度指数及水量交换系数的概念和计算方法,定量表征了长江与鄱阳湖间顶托、倒灌、"湖补江"、"湖分洪"等水量交换相互作用及年内变化过程,并利用了TFPW-MK和MK趋势分析法研究了水量交换年际变化趋势,从流域来水差异、三峡水库调度及湖区水位容积变化角度,探讨了驱动江湖水量交换效应变化的机制及量化影响.研究成果表明:综合影响下鄱阳湖汛期7~9月多年平均顶托强度27.5%,时常发生倒灌现象,平均倒灌强度8.3%,水量交换以"湖分洪"状态为主;枯水期12~4月多年平均顶托强度8.8%,水量交换以"湖补江"状态为主.2003年三峡水库运行调度以来,增加了长江中下游干流12~3月流量,湖口顶托强度增加6.0%;汛期削峰作用降低湖口顶托强度4.8%,倒灌强度减弱2.3%.近20年来鄱阳湖湖区容积变化导致多年平均顶托强度降低0.14%.长江与鄱阳湖流域来水差异是直接驱动江湖关系变化的主因.本文加深了对通江湖泊水量交换机理的认识,研究成果可为鄱阳湖湖泊综合治理提供借鉴.     

三峡工程泥沙问题解决途径与运行效果研究

泥沙问题是三峡工程的关键技术问题之一,在三峡工程论证、设计、建设和运行的各个阶段,针对重大的工程泥沙问题进行了系统和持续的研究,提出了相应的解决方案.本文对三峡工程采用的减缓水库泥沙淤积与保持长期有效库容的运用方式、水库变动回水区港口与航道泥沙问题治理措施、枢纽引航道与电站引水防沙布置方案、坝下游河道长距离冲刷预测、河势变化及对航道影响的对策等进行了分析总结.2003年三峡水库蓄水运用以来水库淤积和坝下游河道冲刷情况分析表明:水库泥沙主要淤积在死库容,有效库容损失较少,库区航运条件得到大幅改善;坝下游河道发生长距离冲刷,冲刷强度不断向下游发展,河势总体基本稳定;长江中下游航道经过治理,航道维护水深有了较大提高.三峡工程泥沙问题的解决方案已得到初步检验,泥沙问题及其影响基本未超出论证与初步设计的预测.本文还对今后一段时期需要进一步研究的泥沙问题提出了建议,包括水库优化调度、坝下游河道冲刷、江湖关系变化和长江口演变等.     

冲泻区水动力特性的数值分析

基于三维非稳态的Navier．Stokes方程，采用有限体积法进行数值离散，在构造高分辨率STACS格式的VOF方法的基础上，建立基于气液两相流的三维自由面流动模型，并基于该模型对三维剪切流场和圆柱水体坍塌进行了三维模拟，检验其数值精度．应用该模型数值研究冲泻区内涌波（bore）在均匀斜坡上的动态传播过程．对上爬水流自由面水位高度与实验数值进行对比，结果显示数值解与实验解吻合较好，模型能很好描述水流的掺气运动．数值分析了涌波崩塌（BoreCollapse）、上冲流（Uprush）和回落流（Backwash）等过程中的自由水面、瞬时流速及床面最大剪切应力的时空分布．结果表明，冲泻区水动力结构时空变化非常复杂，模型能捕捉到高速薄层水流结构，优于前人的数值结果，研究有利于进一步了解冲泻区内的泥沙输运规律及岸滩演变机制．     

基于不同风险源组合的水库防洪预报调度方式风险分析

水库防洪预报调度方式风险分析是设计与实施水库防洪预报调度方式的重要依据,目前对此问题的研究多数为仅考虑洪水预报的狭义风险,然而水库预报调度过程中存在着多种不确定性因素.为了能够更为全面的得到水库防洪预报调度方式的综合风险率,本文分析了水文、水力、水位-库容和调度滞时4种不确定性因素及其分布特性,建立了考虑上述4种不确定性因素的水库防洪预报调度方式的水库本身和下游综合风险分析模型,采用基于拉丁超立方体抽样的蒙特卡洛方法对模型进行求解,为实施防洪调度方式提供信息支持.结合白龟山水库实例,论证了防洪预报调度方式风险率小于常规调度方式风险率,对水库及其下游是安全的,并给出满足下游防洪安全约束的最高汛限水位抬高值.     

金沙江下游梯级与三峡-葛洲坝多目标联合调度研究

溪洛渡-向家坝-三峡-葛洲坝组成的四库梯级水库群是长江上游水能开发、中下游防洪安全和供水保障体系的重要组成部分,开展四库多目标联合优化调度具有重要意义.考虑防洪、发电和供水3个目标建立多目标联合优化调度模型,采用ε约束法,以四库梯级总发电量最大作为主目标,将防洪、供水等目标作为约束条件生成非劣解集;分别选取三峡汛期最高控制水位、最小下泄流量作为防洪、供水约束的情景因子,通过多情景分析,揭示不同来水条件下各目标的置换关系及其机制.结果表明:(1)设置三峡汛期最高控制水位146.5,150,153 m三种情景,其中,相对于146.5 m情景,汛期最高控制水位每提高1 m,多年平均增发电量约7亿kW h,以丰水年增幅最大;(2)最小下泄流量增加10%,四库总发电量多年平均降低5亿kW h左右;(3)三峡水库供水保证率受最小下泄流量影响比溪洛渡水库更为敏感,各种年型下缺水主要集中在枯水期,抬高三峡汛期最高控制水位,不能缓解消落期供水与发电的矛盾.     

黄河下游河道主河槽萎缩特征及其判别参数研究

采用时间序列分析方法对黄河下游河道断面形态参数变化趋势及其变异点进行了系统分析,结果表明:从20世纪50年代以来,断面形态参数发生了趋势性变化,表现为主河槽呈逐年萎缩的态势,且这种趋势在未来仍将延续;黄河下游主河槽萎缩的主要特征是平滩流量和平滩面积的显著下降,相应的平滩河宽、平均水深、最大水深等出现不同程度的下降,同时还伴随着平滩水位和宽深比的上升.提出了黄河下游河道主河槽萎缩的判别参数与判别标准,分析认为下游河道主河槽在70年代开始初步萎缩,90年代以后进入严重萎缩期;提出了三门峡出库水沙过程不协调指数,表明三门峡水库修建后水沙过程不协调性呈增加的趋势;建立了下游河道主河槽萎缩参数与三门峡水库出库水沙过程的响应关系,指出通过水库调控进入下游的水沙过程,特别是调控出库水沙不协调指数,可以缓解和改善下游河道主河槽的萎缩状况,恢复与维持下游基本的输水输沙通道.     

堰塞坝漫顶溃决机理与溃坝过程模拟

堰塞坝作为自然作用的产物,由于其自身特点,极易发生漫顶溃决.基于小比尺堰塞坝溃决模型试验与唐家山泄流现场实测资料揭示的堰塞坝漫顶溃决机理,建立了一个堰塞坝漫顶溃坝过程数学模型.模型基于堰塞坝的几何特征和坝料物理力学特性,统一分析坝顶与下游坡溃口的发展,并充分考虑堰塞体沿河流运动方向的形态变化;模型可考虑坝体的单侧与两侧冲蚀、不完全溃坝与坝基冲蚀等溃坝模式.选择唐家山堰塞坝泄流案例对模型的合理性进行验证,通比对峰值流量、溃口最终宽度、峰值流量到达时间等参数发现,模型计算结果与实测值的相对误差在10%以内;另外,计算获取的溃口流量过程和库水位变化过程与实测值基本吻合,验证了模型的合理性;参数敏感性分析结果显示,残余坝高、冲蚀系数等参数对溃坝过程具有重要影响,单侧或两侧冲蚀对溃坝过程影响较小.     

黄龙风景区水生藻类生长影响因素研究

近年来,黄龙风景区水生藻类呈现加速生长的趋势,其附着钙华表面,死亡后致使钙华表面由黄变黑,严重影响了黄龙自然风景区钙华景观的观赏价值。为定量化探究水藻加速生长的真正原因,采用野外仪器自动监测、手动采样及室内仪器分析相结合的方法并利用SPSS软件对实验数据进行相关性分析。结果发现:黄龙地表水中的磷酸盐浓度、水温两大环境变量与叶绿素浓度呈显著正相关性,是影响水藻生长的主要原因;近年来黄龙风景区水藻加速生长是全球气候变暖这一自然原因与旅游活动导致水体中磷酸盐浓度变化这一人为原因共同作用的结果。     

基于欧拉模型的淹没射流冲刷数值模拟

采用Eulerian双流体模型对二维淹没射流作用下的无粘性沙床冲刷进行数值模拟,水沙两相间以及沙粒之间的相互作用通过动量交换和相间作用力体现.分别针对Aderibigbe等人的轴对称实验和本文设计的平面二维实验进行计算,动态平衡状态下冲坑剖面形态的计算结果与实验结果吻合较好.分析结果表明：不同冲刷强度下射流水体速度场具有不同的特征;沙粒受水体作用力、重力和沙粒间的摩擦力的综合作用,在沙粒的密度、直径、孔隙度等参数均相同的条件下,水体作用力决定沙粒的运动方式,从而影响冲坑的最终形态;孔隙度是影响冲坑形态的重要因素,在本文的研究范围内,随着孔隙度的增加,孔隙水的流速增大,冲坑深度增加.     

基于总量控制的流域允许取水量与允许排污量统一分配模型

为落实初始水权分配方案,实现允许取水量与允许排污量的统一分配,建立了以初始水权为允许取水量总量控制目标、水量分配仿真模型与纳污能力计算模型相耦合的流域允许取水量与允许排污量统一分配模型;针对模型的复杂性,提出了一套显著提高分配方案可操作性与求解效率的水库群优化调控新技术,该技术综合了系统仿真、轮库迭代与智能计算方法.以北江流域为背景,阐释了模型的建立、求解和应用过程;绘制了大型水库优化调度图,获得了流域水资源系统的长期运行策略,给出了任意年型允许取水量与允许排污量分配方案以及跨行政区断面流量过程,分析了模型的有效性和分配方案的合理性.     

面向流域系统的生态需水量整合研究

水库（群）的运行调度对坝址下游水文情势产生一定影响,维及到下游河流廊道及与河道存在水力联系的生态系统生态用水安全.为保障下游生态用水,需对水库（群）进行生态调度;而生态需水及其整合计算是其关键支撑.生态需水整合的核心是在对各类生态需水进行评价的基础上,以流域/区域水循环及其伴生水生态过程为主线,将各类生态需水整合成满足水资源配置或调度要求的水量过程.本文结合水库（群）生态调度实践需求,以各类生态系统的生态需水规律及水力联系为基础,整体提出流域生态需水的整合模式;在分布式水文模拟技术的支撑下,构建了生态需水整合模型;并就南水北调西线一期工程雅砻江流域的生态需水及其整合计算进行了研究.结果表明,上述整合模式有效结合了各类生态系统生态需水在时空上的水力联系,与基于集总式水平衡分析的生态需水整合模式相比,克服了多时空尺度上生态需水水源及生态供水难以得到有效保障的不足,可满足水库（群）生态调度的需求.     

黄河下游复杂水位过程有效拟合新方法研究

针对黄河下游复杂水位过程的有效拟合, 将多项式回归、逐步回归、参数的岭估计等有机集成, 并引进累进变换, 系统形成了一个新方法. 新方法与同类方法的核心区别, 在于考虑了复杂水位过程中常见的弱影响因素间的强耦合作用; 在于综合采用了多种方法最大限度地降低拟合模型误差; 在于引进了必要的累进变换. 新方法有机集成了多个理论和方法的长处, 且使用方便. 新方法有着充分的理论基础, 有着同类复杂拟合问题下的普遍适用性. 进一步用该方法拟合多组黄河下游复杂水位过程, 拟合精度都较现有其他方法提高显著, 拟合模型各项都有明确的物理意义.     

地下水位气压效应的消除及主要气压影响分波的识别

气压变化对地下水位微动态存在影响,而地下水位微动态变化通常携带了大量构造活动和地震异常信息,消除地下水位的气压效应对于有效识别地震异常信息具有重要意义.通过识别地下水位中主要气压影响分波并分析其变化,可以进一步探求地震过程中含水层介质的变化,进而达到预测地震的目的.本文以2008年5月12日汶川地震为例,利用南溪、巢湖与邛崃井的地下水位与气压观测数据,进行了地下水位的气压效应消除和影响地下水位的主要气压分波识别研究.通过2种回归方法得到了消除气压影响后的校正水位;利用调和分析法结合频谱分析识别了影响水位波动的气压分波;对地震前后影响井水位变化的气压分波进行了对比研究,发现地震前后主要气压影响分波发生了改变,各气压分波振幅也有不同程度的增减,这可能与气压分波各自周期性变化有关,也可能是地震造成含水层特性发生改变从而使井水位对气压的响应改变所致.     

黄河主要来沙区林草植被变化及对产流产沙的影响机制

2000年以来,黄土高原林草植被状况明显改善,同期黄河水沙也明显减少.本文基于20世纪70年代末、90年代末、2010年和2013年卫星遥感影像,引入易侵蚀面积、林草地比例、林草地植被盖度和林草植被覆盖率等概念,并结合实地调查,分析了20世纪70年代以来黄河中游多沙区林草植被的规模、盖度和结构变化;引入产沙系数、径流系数和产洪系数等概念,在流域层面上剖析了黄土丘陵沟壑区林草植被覆盖状况与产沙、产洪和产水的响应关系,揭示了研究区近年水沙大幅减少的原因.研究认为,与20世纪70年代末相比,1998年以前林草植被变化不大,但1998~2013年林草植被覆盖率却由11%~25%增加到35%~55%,该改善过程恰是植被变化影响产沙的敏感阶段;高含沙洪水仍然是未来黄土高原支流的常遇洪水,但含沙量会降低.