區域水平衡基本原理及理論體系

左其亭1,2，吳青松1，金君良3，馬軍霞1,2，陶  潔1,2

（1. 鄭州大學水利科學與工程學院，河南  鄭州  450001；2. 河南省水循環模擬與水環境保護國際聯合實驗室，河南  鄭州  450001；3. 南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇  南京  210029）

摘要：實現健康的區域水平衡是中國水利工作的重要內容和挑戰，對保障國家水安全、國民經濟和社會持續穩定發展具有重要意義。在總結前期水平衡理解和認識的基礎上，定義了區域水平衡的概念，從水收支平衡、經濟社會供需水平衡、經濟與生態用水平衡、人水關系和諧平衡4個方面和時間、空間、系統3個維度解讀其內涵。提出了區域水平衡的基本原理，包括水量平衡原理、供需平衡原理、協同平衡原理及和諧平衡原理，分析了以基本原理支撐實現區域水平衡需要重視的科學問題。從理論基礎和基本理論2個方面論述了區域水平衡的理論體系，其中，理論基礎包括水文學、水資源學、生態學、經濟學、社會學等理論，基本理論包括水資源收支時空均衡理論、水資源供需優化配置理論、經濟與生態用水協同論、人水和諧論等，并展望了基本理論的應用前景。研究成果可進一步拓展區域水平衡研究思路，為今后開展區域水平衡管控與實踐提供研究框架和理論基礎。

關鍵詞：區域水平衡；基本原理；理論體系；人水關系；基本理論

青藏高原多年凍土區熱喀斯特湖水文特征及環境效應

高澤永1，牛富俊1，王一博2，王  瑋3，林戰舉1，羅  京1，呂明俠2

（1. 中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室，甘肅  蘭州  730000；2. 蘭州大學西部環境教育部重點實驗室，甘肅  蘭州  730000；3. 長安大學旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室，陜西西安  710054）

摘要：全面認識熱喀斯特湖水文過程的季節變化特征是準確評估其生態環境效應的關鍵。以青藏高原典型熱喀斯特湖為例，基于2018—2020年水文氣象要素的野外觀測及計算，分析熱喀斯特湖的水文特征及產生的環境效應。研究結果表明：①春季降水補給熱喀斯特湖，迅速升高湖塘水位，其中湖塘的儲水量與湖塘水位之間存在較好的冪函數關系；②湖面年均蒸發量和湖冰年均升華量分別可達738mm和198mm，受溫度升高的影響，未來有增多的可能；③熱喀斯特湖水中離子質量濃度在暖季初期和后期較高，冷季湖冰形成過程中自凈作用和地球化學過程的影響使各離子表現出不同的遷移機制。受局地因素的影響，熱喀斯特湖的水文要素呈明顯的季節變化特征，水文循環過程會引起多年凍土退化、湖岸坍塌后退、水環境惡化、溫室氣體釋放、土壤鹽漬化、植被退化等，未來研究需對整個高原地區熱喀斯特湖的環境效應進行全面評估。

關鍵詞：凍土退化；凍融過程；環境效應；熱喀斯特湖；青藏高原

基于大范圍地面墑情監測的鄱陽湖流域農業干旱

虞美秀1,2，董吳欣1,2，張建云2，韋  麗3，吳  智3，王國慶2

（1. 河海大學水文水資源學院，江蘇南京  210098；2. 水利部應對氣候變化研究中心，江蘇南京  210029；3. 江西省水資源監測中心，江西南昌  332000）

摘要：以鄱陽湖流域為研究區，基于2011—2020年22個墑情站的逐日地面墑情監測數據、1956—2020年49個雨量站的日降雨數據及2016—2019年墑情站所在灌區的氣象數據，采用考慮植被生理狀態的土壤水分虧缺指數（SWDI）表征農業干旱，分析不同尺度下墑情、包氣帶缺水量和降水量的時空分布，評估SWDI在鄱陽湖流域農業干旱監測中的適用性，揭示該流域農業干旱時空演變特征及其對氣象干旱的響應規律，初步探討土壤質地與農業干旱強度的相關性。結果表明：①SWDI 對鄱陽湖流域農業干旱診斷具有較好的適用性；②近10 a該流域農業干旱呈顯著加重趨勢，其中2019—2020年發生流域性重度農業干旱，且夏、秋、冬連旱，是近10 a的主導季節性農業干旱，對水稻、油菜等糧食產量影響顯著；③相較于氣象干旱，農業干旱發生、結束時間分別平均約晚2.5周和3周，歷時長10.1周，頻次更低，干旱等級更??；④砂土持水性最差，易發生特大農業干旱，黏土、黏壤土保水性最好，輕旱和中旱發生概率較大，壤土、砂壤土和壤砂土則介于二者之間。

關鍵詞：農業干旱；氣象干旱；土壤墑情；地面監測；鄱陽湖流域

基于匯水區分級劃分的城市洪澇模擬

王小杰1，夏軍強1，董柏良1，侯精明2，李啟杰1

（1. 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北  武漢  430072；2. 西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，陜西  西安  710048 ）

摘要：為了有效提高城市暴雨洪澇模擬的精度，針對城區復雜下墊面和雨水井數據缺失情況，分別提出雨水井節點數據的確定方法和基于空間信息的匯水區分級劃分方法。以武漢市青山區為研究區域，選取2場典型降水過程，開展SWMM 模型的參數率定和驗證工作，并將基于不同方法劃分的匯水區模擬結果與實際漬水數據進行對比。結果表明：①提出的雨水井節點數據確定方法，在雨水井實測數據缺失的城市洪澇模擬中具有一定的可靠性和適用性。②基于空間信息分級劃分法、水文分析結合泰森多邊形法和泰森多邊形法所劃分的匯水區，模擬的最大積水深度中分別有100%、63%和75%的典型驗證點與實際漬水程度相符，模擬的溢流點中分別有80.0%、76.4% 和77.4%的溢流點位置與5年一遇降雨漬水風險圖相符?；诳臻g信息分級劃分法所得的匯水區比較符合真實匯水情況，且模擬結果比其他2種方法更加準確。③5年一遇降雨重現期下，3種方法劃分的匯水區所模擬的積水對研究區域影響程度相對較小，但遇到高于此重現期的暴雨會出現不同程度的內澇。本研究可為城市暴雨洪澇模擬中雨水井節點數據確定與地表空間離散化提供新方法，模擬結果可為城市防洪減災提供參考。

關鍵詞：城市洪澇模擬；SWMM 模型；匯水區劃分；雨水井；武漢市

基于變動飽和帶的產匯流模型及其參數確定方法

李彬權1,2，梁忠民1，付宇鵬3，王  軍1，胡義明1

（1. 河海大學水文水資源學院，江蘇  南京  210098；2. 河海大學水科學研究院，江蘇  南京  211106；3. 水利部珠江水利委員會水文水資源局，廣東  廣州  510611）

摘要：當前分布式水文模型的參數確定仍主要依賴率定方式，在缺資料地區應用受到限制。建立一種基于變動飽和帶產流模式和網格水滴匯流方法的分布式產匯流模型，提出利用下墊面特征來確定模型參數的方法。結合野外入滲試驗和參數敏感性分析，建立地表飽和水力傳導度（K0z）和飽和水力傳導度隨深度衰減系數（f）2個敏感性產流參數與地形參數、土壤類型數據的定量統計關系，利用野外坡面流觀測試驗確定坡面匯流參數，并在多個實際流域進行應用驗證。結果表明：①利用地形參數確定K0z與使用遙感資料確定K0z的模型精度進行對比，在姜灣實驗流域場次洪水模擬的平均確定性系數從0.82提高至0.86，洪峰與洪量誤差的平均絕對值分別降低了2.2%和0.95%，但峰現時間誤差平均絕對值增大了4%（仍控制在2 h內）。②建立姜灣等14個流域參數 f 率定值與不同深度土壤類型數據的定量關系，移用至七鄰等6個流域進行驗證，表明參數 f 關系式與模型率定的精度非常接近，相對誤差的平均絕對值為2.8%，場次洪水模擬的平均確定性系數為0.83，洪峰與洪量誤差的平均絕對值為10.07%和6.86%，峰現時間誤差的平均絕對值為2.61h。提出的敏感性產流參數確定方法與野外實測、模型率定、遙感資料推求等方式進行對比，均具有較高的參數估計精度和場次洪水模擬精度，在缺資料地區具有適用性。

關鍵詞：分布式水文模型；變動飽和帶；網格水滴匯流；參數確定；缺資料地區

基于SoilGrids的柵格新安江模型參數空間分布估算

童冰星，李致家，姚  成

（河海大學水文水資源學院，江蘇  南京  210098）

摘要：為實現中小流域降雨徑流過程精細化模擬，合理估算水文模型參數的空間分布具有重要意義?；谛掳嫒驍底滞寥乐茍D系統（SoilGrids）構建柵格新安江模型（GXM）參數化方案，對陜西省陳河流域2003—2012年16場洪水進行模擬，與新安江模型計算結果進行對比，開展基于洪水過程劃分的自由水蓄水容量敏感性及空間分布特征量化分析。結果表明：GXM 模擬的峰現時間誤差水平降低約0.31h，洪峰和洪量模擬精度較高，模型能夠對土壤水飽和度等水文要素的動態空間分布進行較合理的模擬；自由水蓄水容量參數對洪峰和漲洪過程的確定性系數以及漲洪段的洪量相對誤差影響較大，對退水過程影響??；自由水蓄水容量在陳河流域河谷和山脊附近較大，坡段中部較小。

關鍵詞：數字土壤制圖系統；柵格新安江模型；參數空間分布；自由水蓄水容量；陳河流域

毛烏素沙地凍融期氣態水遷移機理及影響因素

鄭  策1,2，高萬德1,2，陳云飛1,2，盧玉東1,2，劉秀花1,2

（1. 長安大學旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室，陜西  西安  710064；2. 長安大學水利與環境學院，陜西  西安  710064）

摘要：受冰-水間相變影響,凍融期內土壤水、熱傳輸過程變得復雜，研究氣態水分布特征與運移規律，可為厘清凍融過程中沙地包氣帶水文循環機理提供關鍵信息。通過在毛烏素沙地建立原位監測點，并利用修改后的Hydrus-1D凍融程序建立包氣帶水-汽-冰-熱耦合數值模型，對凍融期包氣帶氣態水遷移過程展開研究。結果表明：模擬與實測土壤水分及溫度變化擬合較好，證實所建立的模型具有良好的精度以及適用性；對比典型未凍結、初始凍結、向下凍結以及融化時段結果可知，凍融過程會改變剖面土壤水分、含冰量以及水汽密度分布，其中水汽密度變化與溫度聯系緊密；凍結后，由溫度梯度驅動的非等溫氣態水通量在總水分通量中的占比超過90%，表明氣態水占據主導地位，其運移過程對于剖面土壤水分分布以及高含水量帶出現有重要影響。

關鍵詞：凍融過程；水熱耦合傳輸；水汽通量；數值模擬；毛烏素沙地

長江荊江河段灘槽演變與航道水深資源提升關系

楊云平1，李  明2,3，劉萬利1，朱玉德1，楊麗潔4，余文鈞2,3

（1. 交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津  300456；2. 長江航道勘察設計院（武漢）有限公司，湖北  武漢  430040；3. 國家內河航道整治工程技術研究中心，湖北  武漢  430040；4. 天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津  300072）

摘要：長江是中國的“黃金水道”，通過系統性航道整治和疏浚維護，長江荊江河段航道水深已由2002年的2.9 m提升至2020年的3.5~3.8 m，但仍低于上游三峽大壩庫區（4.5 m）及下游河段（4.5 ~6.0 m），航道水深與上下游不銜接且制約長江航道綜合效益發揮。為了適應上下游航道水深，需提升荊江河段航道尺度，亟需明確航道水深資源、礙航特征與河道演變等關系。以長江荊江河段為對象，分析1960—2020年水沙及地形等資料，開展長江中游荊江河段灘槽演變與航道水深資源提升關系研究。研究表明：三峽工程運行后荊江河段以枯水河槽沖刷為主，沖刷量占全部沖刷量的90.97%，江心洲和邊灘面積減少18.3%，其中江心洲、邊灘面積減幅分別為9.4%和24.9%；在河床沖刷與航道整治工程實施條件下，以4.5 m×200 m（水深×寬度）進行航道尺度核查，荊江河段礙航總長度占全河段5.3%；4.5 m水深礙航特征包括砂卵石河段枯水位下降幅度高于河槽下切深度引起航道水深不足，沙質河床內彎曲河段“凸岸側邊灘沖刷、凹岸側深槽淤積”引起灘槽形態及航道邊界不穩定，以及分汊河段內洲灘萎縮與汊道間不均衡沖刷引起枯水航路不穩定及水深不足。

關鍵詞：灘槽演變；汊道分流關系；航道水深資源；荊江河段；長江中游河段

三峽庫區黃花城河段環流結構與渦尺度特征初探

王永強1，胡春宏2，張  鵬3，楊勝發3，胡  江3，李文杰3

（1. 重慶交通大學河海學院，重慶  400074；2. 中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京  100048；3. 重慶交通大學國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶  400074）

摘要：彎道水流結構在天然河流形態演變過程中起著重要作用，為進一步深化對彎道環流結構與紊動特性的認識，以三峽庫區黃花城河段具有的連續彎道為研究對象，采用聲學多普勒剖面流速儀（ADCP）開展原型三維瞬時速度測量，初步分析彎道環流結構與湍流結構尺度分布特性。研究結果表明：三峽庫區黃花城河段存在河道層面宏觀尺度的彎道環流結構；受局部壅水以及河床地形影響，在測量垂線上表現為全水深環流結構或雙環流結構特征；超大尺度湍流結構仍然存在于庫區連續彎道河流中，但尺度以及分布受彎道環流結構影響較大。

關鍵詞：環流結構；湍流結構；渦尺度；連續彎道；三峽庫區

三峽水庫泄水-蓄水過程香溪河庫灣水流振蕩特性

徐  慧1，龍良紅1,2，紀道斌1,2，楊忠勇1,2，楊正健1,2，劉德富2,3，湯正陽4

（1. 三峽大學水利與環境學院，湖北  宜昌  443002；2. 三峽大學三峽水庫生態系統湖北省野外科學觀測研究站，湖北  宜昌  443002；3. 湖北工業大學河湖生態修復與藻類利用湖北省重點實驗室，湖北  武漢  430068；4. 中國長江三峽集團公司，北京  100038）

摘要：深入認識水庫的水動力過程一直是研究和解決其水環境問題的基礎。通過對三峽水庫香溪河庫灣2019年泄水期（5月）和蓄水期（9月）高頻、連續的水位和流速剖面監測數據進行分析，獲得了該支流庫灣振蕩的物理特性。研究發現：①高頻的庫灣振蕩在垂向上表現為正壓波，在水平模態上表現為最基本的Helmholtz模式（n = 0），該振蕩是香溪河庫灣顯著存在的重要水動力過程之一；②庫灣振蕩的周期約2h，在庫灣上游其振蕩流速可達±0.05 ~ 0.1 m/ s，水位波動振幅可達0.2 m；③支流庫灣振蕩由庫區干流重力波驅動，重力波產生于大壩下泄流量的日調節過程。本研究不僅加深了對水庫及其支流水動力過程的認識，同時也進一步揭示了香溪河庫灣水動力過程對三峽水庫日調度的響應機制，為后續水庫生態調度研究及其應用提供了新的視角。

關鍵詞：水流振蕩；水位波動；水動力；水庫調度；三峽水庫

山溪性強潮河口分汊河道演變機制——以甌江江心嶼河段為例

劉  菁1,2，左利欽1，徐  群1，陸永軍1，侯慶志1

（1. 南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇  南京  210024；2. 河海大學水利水電學院，江蘇  南京  210098）

摘要：山溪性強潮河口是中國東南沿海的一種典型河口，水動力強勁、泥沙運動活躍，對人類活動響應迅速。自然條件與人類活動共同驅動下山溪性強潮分汊河道演變機制尚需進一步研究。以徑潮流作用下灘槽演變劇烈的甌江江心嶼分汊河段為例，采用實測資料分析與二維水沙數學模型計算的方法，分析了20世紀70年代以前自然演變、70年代至90年代末上村丁順壩建設影響期、21世紀以來人工采砂等影響下的河道演變機制。結果表明，丁順壩建設等人類活動改變了該河段自然條件下主支汊周期性交替的演變規律；21世紀以來人工采砂等造成河床大幅下切，近20 a來潮差增大0.5 m、漲潮流量增大約47%，分流與分沙不均勻性分別減弱0.08 ~0.30和0.28 ~0.54，漲落潮流速差異減小，有利于減緩支汊萎縮態勢，河道演變機制受到自然-人類活動雙重因素主導。研究成果可為類似河流演變和保護利用提供借鑒。

關鍵詞：分汊河道；分流比；分流不均勻；人類活動；山溪性強潮河口；甌江

黑河下游頸口裁彎后河道三維水流結構研究

李志威1，文  杰2，陳  幫2，魯瀚友2，胡旭躍2

（1. 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北  武漢  430072；2. 長沙理工大學水利與環境工程學院，湖南  長沙  410114）

摘要：黃河源黑河下游于2018年7月汛期發生1次頸口裁彎的極端地貌過程，裁彎河段的水流結構發生強烈調整，開展原型觀測裁彎后河道水流結構具有重要科學意義。2019年和2020年采用聲學多普勒流速剖面儀對裁彎河段共計45個橫斷面進行野外測量，對比分析裁彎后河道三維水流結構與環流強度。結果表明：受河道形態、邊界條件、水文條件等因素影響，裁彎口上游順直河段的水流結構受頸口裁彎的影響較小，而彎道段水流結構于裁彎后明顯調整。具體表現為頸口裁彎對順直河段的流速、環流強度空間分布無較大影響，會改變彎頂段最大流速的橫向分布和環流結構的斷面分布、影響分離區的規模和分布位置。研究結果加深了頸口裁彎后水流結構調整對牛軛湖淤積、分離區河床沖淤以及新河道沖刷影響的認識。

關鍵詞：水流結構；彎曲河流；頸口裁彎；環流強度；聲學多普勒流速剖面儀；黃河源

基于條件風險價值理論的水庫群防洪庫容協同作用

張曉琦1,2，劉  攀2，陳  進1,2，許繼軍1，王永強1，姚立強1，洪曉峰1

（1. 長江水利委員會長江科學院水資源與生態環境湖北省重點實驗室，湖北  武漢  430010；2. 武漢大學水利水電學院水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北  武漢  430072）

摘要：將經濟學條件風險價值（CVaR）理論引入防洪評價領域，提出基于CVaR的水庫群防洪庫容協同作用研究方法，辨識各水庫防洪庫容值對庫群系統防洪損失的影響程度及各水庫間協同防洪的互饋方式。以漢江流域五庫群系統為案例研究，結果表明：①庫群系統防洪損失CVaR對各水庫防洪庫容變動的敏感度排序依次為三里坪、鴨河口、丹江口、安康、潘口水庫；②當總防洪庫容不變時，變動各水庫防洪庫容組合方案所對應的防洪損失CVaR不一定相同，且各水庫防洪庫容組合存在可行區間；③若選取相同CVaR為約束條件，相比于兩庫系統（安康-丹江口水庫），五庫系統由于考慮了更多水庫（潘口、三里坪、鴨河口水庫）的防洪協調作用，丹江口水庫自身防洪庫容可調節的靈活空間更大。

關鍵詞：防洪庫容；水庫群系統；條件風險價值；防洪損失；漢江流域

波流共同作用下反斜樁局部沖刷特性試驗研究

程永舟1,2，程海洋1，王曉光1，黃筱云1,2，呂  行1

（1. 長沙理工大學水利工程學院，湖南  長沙  410114；2. 水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室，湖南  長沙  410114）

摘要：在波流環境中，反斜樁周圍的渦流結構及波浪傳播特性與垂直樁存在較大差異，進而影響到樁基局部沖刷進程。為了解波流共同作用下反斜樁局部沖刷特性，在波流水槽中針對不同傾角的反斜樁開展了局部沖刷試驗，初步探究了局部沖深歷時特性、影響因素及床面形態特征。研究結果表明：在清水沖刷條件下，反斜樁局部沖刷深度始終小于垂直樁；當樁身傾角增加時，平衡沖刷深度逐漸減小，相對時間尺度逐漸增大；沖刷坑寬度相對垂直樁更小，呈現“水滴狀”形態，尾后沙丘呈現出更長的單峰“帶狀”結構，不規則性較為突出；局部沖深與弗勞德數之間存在著較高的相關性，但向上游傾角產生的波浪變形效應使得沖刷深度與流速比和Keulegan-Carpenter 數的具體函數關系更難以確定。

關鍵詞：斜樁；局部沖刷；波流作用；傾角；時間尺度

氣候變化對湖泊藍藻水華的影響研究綜述

劉雪梅，章光新

（中國科學院東北地理與農業生態研究所，吉林  長春  130102）

摘要：在全球氣候變化的影響下，湖泊藍藻水華面臨著規模擴張、頻率增加和持續時間延長的發展趨勢，嚴重威脅著湖泊生態系統服務功能和人體健康。系統闡述了外部環境因子和內部生理生態特征對湖泊藍藻水華發生的作用機制，探討了氣溫升高、CO2濃度增加、極端氣候事件頻發對湖泊藍藻水華發生機制的影響途徑和過程，初步搭建了以“機理解析—模型構建—模擬預測—風險評估”為主線的氣候變化對湖泊藍藻水華的影響研究框架，并提出了應對氣候變化的湖泊藍藻水華防控策略。針對目前研究存在的問題，從大數據監測平臺搭建、機理模型構建及風險預測、營養鹽控制標準制定、防控政策制定等方面提出了未來研究的重點方向，以期為湖泊藍藻水華的綜合防治提供科學支撐。

關鍵詞：氣候變化；湖泊藍藻水華；驅動因素；發生機制；防控策略

大尺度水文模型參數不確定性分析的挑戰與綜合研究框架

茍嬌嬌1,2，繆馳遠1，徐宗學2,3，段青云4

（1. 北京師范大學地理科學學部，北京  100875；2. 城市水循環與海綿城市技術北京市重點實驗室，北京  100875；3. 北京師范大學水科學研究院，北京  100875；4. 河海大學水文水資源學院，江蘇  南京  210098）

摘要：水文模型是對自然界復雜水文現象與過程的一種綜合近似描述，在水旱災害防治、水資源管理與開發利用等方面應用廣泛。本文分析了大尺度水文模型應用的難點，總結了參數不確定性研究的主要進展，介紹了參數不確定性分析框架“敏感性分析—參數優化—參數區域化”（SOR）的基本概念、重要性與應用情況。論文基于已有認識，建議在水文建模優化過程中引入更全面的參數不確定性分析SOR 框架，并加強新一代分布式水文模型與更加成熟的水文氣象數據觀測系統的開發，以減少來自模型結構與模型驅動數據的不確定性，提高全球變化背景下大尺度水文模型水循環過程模擬和預測的準確性。

關鍵詞：大尺度水文模型；參數不確定性；分析框架