基于SWMM的城市河网情景调控与分析研究

【目的】城市河网调控与分析是防治城市洪涝灾害与水环境恶化问题的重要非工程措施,对不同情景对城市河网进行调控与分析是很有必要的。针对淮安市淮安区洪涝频发与河网水动力不足的问题。【方法】基于SWMM建立了淮安区某片区城市水文模型、一维河网水动力模型,并进行耦合,并以2021年6月17日实测降雨及河道水位数据对模型参数进行了校验,设计并模拟了3种晴天工况和3种雨天工况。构建城市河网水文水动力耦合模型,结合城市河网调控手段,设计并模拟多种工况,对河网流速及水位超警历时进行量化计算与空间分析。【结果】结果显示：模拟模型纳什效率系数为0.79;3种晴天工况调控下,全区河网流速分别达到0.413 m/s、0.509 m/s和0.576 m/s; 3种雨天工况调控下,河网关键断面水位平均超警历时分别为88 min、68 min、51 min。【结论】结果表明：晴天工况调控下,工况3较工况1全区河网流速总共增加了0.163 m/s,河网水动力条件得到明显改善;雨天工况调控下,3种雨天工况河网关键断面水位平均超警历时较无调控工况分别减少13.72%、33.33%和50.00%,总体下降50%,河道在暴雨前...     

自然排水区域内涝模拟技术研究

平原河网地区降雨过程中地面汇集、蓄滞,最终排出到河道是一个复杂的过程,不仅受地形的影响、还受外河水位影响,单纯的一维水动力模型或二维水动力模型无法模拟地面积水与河道水位的同步、实时变化。为了准确模拟降雨过程中自流排水区域地面汇流和河道水位的变化过程、优化区域河道布局规模和调度方式,本文综合一、二维水动力数学模型的优点,将河道与地面进行侧向耦合计算,地面低洼区域与河道进行正向耦合计算,模拟不同工况条件下区域内涝分布情况。结果表明：一、二维水动力数学模型侧向耦合和正向耦合技术可以模拟自然排水区域内涝实时分布情况,并可对不同河道规模和调度方式下区域内涝风险进行判别,为区域城市河网水系布局规划提供技术支撑。     

基于MIKE 21的圩区河网水动力调控方法研究

【目的】我国南方平原地区地势低缓，河网结构复杂，为快速解决该地区因河网水动力不足而引起的水环境问题，急需研究河网水体运行状况调控方案。【方法】以太湖流域南浔区沈庄漾“溇港圩田”河网作为研究对象，构建Mike 21 FM二维河网水动力模型，结合研究区河网改造后的水利工程布置和调度规则，提出定位增压的7种水动力调控方案，模拟分析河网在不同方案下流场分布规律，探究圩区河网水动力提升和流场改善的优化调度方法。【结果】模拟结果表明：活水和引排水方案虽能有效改善河网水动力，但对于中心水塘的水动力驱动效果不佳。在开启西南侧河道水泵和西部泵闸的情况下，河网内大部分区域的流速基本能维持在0.05 m/s左右，部分河道的流速能达到0.3 m/s以上，并且对中心水塘水体驱动效果最好。【结论】综合分析表明：所设计的7种调控方案均能有效地提升河网水动力，在开启西南侧河道1台水泵和西部泵闸时，流场分布最均匀且水动力整体提升效果最佳。研究结果可为南方平原河网的水利工程水动力调控提供参考。     

潮汐河网地区雨天黑臭治理数学模型研究

雨天溢流截流是控制城市水体雨天黑臭的重要手段。针对潮汐河网地区水闸调控及降雨径流污染排放与河道水质的动态响应问题,基于开源式水动力水质模型系统HEC-RAS并耦合降雨径流模块,建立了实现雨天河道水质控制目标的雨水截流方案论证数学模型。以我国福州市某潮汐河流区域为例,利用自然潮汐与内河水位差,通过动态控制闸门开度,建立三种引排水方案(南引北排、北引南排和南引南排-北引北排放)的水动力和水质模型,模拟雨天不同降雨截流量水平下的河道水质情况,进行最优方案比选分析。结果表明:①在双向引排水模式下,中部区域水动力条件不佳,污染物回荡累积导致水质日趋恶化;②在相同降雨截流量水平下,南引北排调度时的河道断面水质达标率均高于北引南排调度时的达标率;③以场次降雨低于15 mm为基准,按照雨后72 h80%以上的河道断面水质达标为考核条件(氨氮浓度低于4.0 mg/L),在南引北排调度方案下,临界雨水截流量为6 mm。     

平原河网地区水库溃坝洪水数值模拟分析——以江西省柘林水库为例

为了克服传统一维水动力学模型在模拟平原河网地区溃坝洪水中的不足，准确模拟洪水漫溢堤防后泛洪区溃坝洪水演进过程，建立了平原河网地区水库溃坝洪水计算的一维-二维耦合模型。以江西省柘林水库为例，计算了水库不同工况下的溃坝洪水及其在下游洪泛区的演进过程，分析了溃坝洪水的淹没风险。结果表明：柘林水库遭遇可能最大洪水漫顶溃决和管涌渗透破坏溃决工况，坝址洪峰流量分别为87 000 m³/s和46 000 m³/s;修河干流柘林坝址至虬津河段两侧有山头控制，溃坝洪水可被约束在狭窄的山谷内，水位涨幅较大；虬津以下为开阔的滨湖平原，水位涨幅下降明显。研究成果可为平原河网地区溃决洪水计算提供借鉴，并为柘林水利枢纽工程突发溃坝事件应急处置提供技术支撑。     

台州主城区河道生态需水计算与水量调度

为保障台州市主城区河道的生态服务功能,在分析该地区河道特点的基础上,构建了一种适用于该地区的生态需水计算方法,该方法综合考虑了流速、水位和水质3个方面的要求,并利用MIKE11水动力水质模型,定量确定了能够达到生态流速、生态水位和水质目标的河道水量调度方法。计算结果表明,主城区河网的生态流速为0.1 m/s,生态水位阈值范围为1.8~2.24 m,在充分发挥再生水清洁水源的基础上辅以河道补水,台州主城区河网在丰水年、平水年、枯水年均能够同时满足水位、流速及水质的目标要求,可为城市河网合理调配水资源维持河湖生态健康提供决策依据。     

湖泊-河网耦合水动力水质模型研究

根据太湖地区水系复杂、湖泊众多、河道水流方向复杂多变且受到人为干扰的特征,基于一维河网水质模型,二维湖泊水质模型,采用有限控制体积法获得离散的水动力学和水质模型控制方程,通过河网与湖泊连接断面上河流的流量、水位、水质与湖泊的流速、水位和水质耦合求解,解决了河网湖泊水质模型的耦合,并将闸站控制对河流湖泊水动力水质影响过程进行了时间空间的线性化处理,以边界条件方式将闸站控制带入模型代数方程中进行统一求解,建立了适合于太湖流域的湖泊河网耦合水动力水质模型.采用太湖典型流域河网区2007年实测水文水质资料对耦合模型进行率定和验证.结果表明,模型计算值与实测资料吻合较好.该模型适用于复杂湖泊-河网区的水动力和水质变化的模拟和研究.     

基于RMA2模型的镇江内江水动力模拟

应用RMA2模型建立了镇江内江水动力数学模型.模型在CAD图形上对河道进行概化,划分网格,并采用流量水位控制边界条件.模拟结果表明,验证点的水位和流速相对误差都小于10%,在总体上能够比较真实地反映内江的水动力学状况,可为下一步内江水量、水质调控提供科学决策依据.     

黄河河口平原多闸坝河道水流数学模型

针对黄河下游河口平原区河流的特点,在充分考虑多闸坝及潮汐作用的影响下,采用MIKE11软件构建多闸坝河道水动力模型,同时利用实测资料进行参数率定及模型检验。结果表明:广利河河网下游水位变化趋势受上游来水流量的变化趋势影响较大,水流状况受人工调控明显;大部分典型断面的模拟结果较好,所确定的参数基本可以反映河道及流域特征。模型可以为下一步进行水量水质耦合模拟及河网库群与闸坝调度方案研究提供较为准确的水动力条件。     

宁波市海绵城市试点区域内涝研究

为了支撑宁波市海绵城市试点区域规划设计,针对宁波市河网密布、水系连通的特点,文章基于流域河网水动力模型,设定试点区域雨洪模型边界,模拟试点区域内涝积水点分布情况。模拟结果表明,排水口受河道水位顶托和洪水漫堤是宁波市海绵城市试点区域大部分内涝积水点成因,可为宁波市海绵城市试点区域内涝治理提供参考。     

基于水动力耦合的明渠调水工程节制闸安全调控

针对明渠调水工程中流量切换时，由于调控不当导致闸前水位突破水位上下限的问题，提出安全调控可行 域的概念及其划分原则，通过一维水动力模型耦合二分法建立明渠调水工程节制闸的安全调控模型，实现流量切 换时节制闸调控开度、安全水位和调控时间区间的计算，进而得到节制闸的安全调控可行域和调控方案，并以南 水北调中线工程陶岔渠首至淇河节制闸 4 个节制闸开展实例研究。研究过程中根据各节制闸流量变化情况，分 别设置 12 种工况进行计算，结果表明：经模型计算的调控方案调控后，闸前水位控制在安全水位区间内，划分的 安全水位区间-Ⅱ较水位区间-Ⅰ起到了降低水位变幅的作用，模型运算速度快，最长时间为 8.99?s。给出了柔性调 度方案，使得调度更为灵活，面向实际工程更实用、操作性强，为调水工程的调度决策提供了支撑。     

永定河北京段生态补水流量及模式

以永定河北京段为例，建立水文学和水力学相结合的水流演进模型，利用生态补水实测监测数据率定并验 证模型。利用建立的模型研究永定河北京段的生态补水规律及模式，结果表明：在持续稳定流量补水条件下，固 安（出境断面）通水后 11d 左右达到稳定状态，停止放水后可维持河道 12~13d 有水；在持续稳定流量下，随着补水 流量的增大，河道首次贯通的时间和损失水量占比均降低，且降低速率逐渐减缓，官厅补水下泄流量以 30~35 m3/s 为宜；在生态补水总水量受限条件下，先以大流量下泄再调整为小流量的补水方式，对快速实现全线通水、河道渗 漏回补地下水等效果更佳；平原段同步加入再生水和南水北调水，将进一步缩短全线通水时间；在官厅水库和平 原段再生水、南水北调水向河道补水 2.24 亿~4.14 亿 m3条件下，全线通水时间约需要 15d，固安断面出境水量约 1.05 亿~2.22 亿 m3，蒸发和渗漏水量 1.19 亿~1.93 亿 m3，且补水水量越大，下渗和蒸发水量的占比越低；卢沟桥-六 环路河段的入渗能力最强。本研究对永定河北京段生态补水水量、下泄过程及补水方式的确定具有实践意义。     

考虑河流生态需水约束的调水规模研究

为减少以调水和蓄水工程为主体的区域水网建设对生态环境的影响，以大通河为研究对象，筛选 9 种水文 学方法计算青石嘴、天堂、享堂 3 个关键控制断面 12 种不同的生态流量过程，基于过去 60 年径流时空分布以及 水-能源-生态（water-energy-ecosystem，WEE）纽带模型，开展生态调度计算分析。结果显示：大通河干流河道内生 态流量过程沿程增加，青石嘴、天堂、享堂 3 个断面年生态需水总量分别为 1.62 亿~14.54 亿 m3、2.46 亿~22.04 亿m3和 2.88 亿~25.46 亿 m3，且均以 Q90_Q50方法为最大，Tennant（10%）方法为最小；在不同生态需水约束下，引大济 湟工程调水规模介于 2.25 亿~8.81 亿 m3，占流域多年平均径流量的 7.8%~30.5%；生态需水保障率整体表现为非汛 期高于汛期，上游高于下游。兼顾生态环境保护与经济社会发展双重目标，为合理确定调水规模提供技术支撑。     

水面光伏抑制蒸发作用对应节水量的优化配置 −以白洋淀湿地补水为例

水面光伏可通过组件等的遮挡作用减少建设水域蒸发损失，规模开发后形成显著的抑制蒸发的节水潜力， 如何再配置上述节水量以实现最佳水资源利用是亟待解决的问题。基于此，结合湿地生态补水问题，以湿地优势 物种价值增量最大、湿地水资源保障能力增量最大和水源地用水效益损失最小为目标，构建水面光伏抑制蒸发作 用对应节水量的优化配置模型，并以典型湿地——白洋淀进行案例分析。结果表明：水面光伏抑制蒸发的节水可 在改善湿地生态补水工作中发挥关键作用。白洋淀低、中和高补水需求下，芦苇经济价值最大增加 0.5 亿、2.6 亿 和 5.5 亿元，水资源保障能力提高 61%、42% 和 28%，丹江口水库在丰水年、平水年和枯水年的平均最小发电损失 为 0.25 亿、0.38 亿和 0.43 亿 kW·h。白洋淀补水需求和丹江口水库来水的不同遭遇情景的配置方案表明：白洋淀 在低补水需求时，建议高流量补水时段为 3—6 月和 9 月；在白洋淀中、高补水需求时，建议高流量补水时段为 10 月— 次年 2 月或 3—6 月。     

基于SWAT的沁河流域水源涵养能力分析及预测

水源涵养能力是生态系统服务功能的重要体现,为探究变化环境下的流域水源涵养状况,支撑流域生态保护和经济发展,构建沁河流域SWAT(soil and water assessment tool)模型,基于元胞自动机马尔科夫（celluar automata-Markov,CA-Markov）模型预测未来2030年土地利用状况,结合第六次国际耦合模式比较计划(coupled model intercomparison project phase 6,CMIP6)气象数据,模拟流域未来降水、蒸发和径流,依据水量平衡原理,分析历史和未来年份流域水源涵养能力的时空变化特征。时间维度上：2010—2016年沁河流域水源涵养能力呈波动上升趋势,多年平均水源涵养量为49 mm,多年平均水源涵养率为8%;2024—2030年水源涵养能力呈波动下降趋势,多年平均水源涵养量为51 mm,多年平均水源涵养率为10%。空间维度上：2010、2015和2025年流域水源涵养能力呈现从上游到下游递增的趋势,2030年则呈现从上游到下游递减的趋势。整体来看,流域多年平均水源涵养量不足100 mm,且各年份均有子流域的水...     

闸站并列布置工程泵站前池流态改善

为研究闸站并列布置工程泵站运行时清污机桥位置对前池内水流流态的改善效果，以南水北调东线刘山泵 站工程为例，基于 Navier-Stokes 方程和 Standard?k-ε 湍流模型对前池原设计方案和改进设计方案的进水流场进行 了定常数值模拟，分析比较不同开机组合时前池流场分布和流道进口后断面的流速分布均匀度及速度加权平均 角度，并进行水工模型试验验证。结果表明：原设计方案前池在 4 号和 5 号机组进水流道进口前存在回旋区，4 号 机组流道进口前产生有害吸气旋涡；改进设计方案前池将清污机桥整体向泵房方向移动 25?m，并将节制闸与泵站 间导流墙长度减短使其头部与清污机桥墩齐平，不仅消除了 4 号机组流道进口处有害吸气涡，还将 4 号机组进水 流道进口流速分布均匀度平均提高 2.5%，泵站进水流态改善显著。通过调整泵站进口清污机桥桥墩位置解决了 前池流态存在的问题，不需再另增底坎、立柱和导流墩等措施，研究成果可为同类型工程研究提供参考。     

海河流域土地利用与生态系统碳储量变化及预测

以海河流域为研究区域，通过 InVEST 模型对 1990—2020 年碳储量状况进行分阶段定量反演，并结合 Markov-PLUS 模型从数量与空间角度进行未来模拟，最终明确流域碳储量发展趋势及关键驱动因素。结果表明：1990— 2020 年海河流域碳储量共减少 1.30 亿 t，耕地碳储量损失最大；碳储量高值主要集中在西部与北部山地地区，低值 分布于东南部平原地区。人口密度在各阶段解释力占比均超过 20%，且呈现增加趋势；年均降水对碳储量空间分 异影响最小，最低占 0.21%。各因子相互作用对碳储量空间分异解释力显著提高，人口密度与其他因子交互作用 对碳储量变化的解释力最强。Markov-PLUS-InVEST 预测结果显示，在城市快速发展情景下，2030 年碳储量与 2020 年基本持平，但生态保护情景增加 0.88 亿 t。相关结论可为海河流域进行土地类型间的生态调控及未来规划 发展提供理论支撑。     

内蒙古高原浑善达克沙地典型湖泊萎缩机制

以内蒙古高原浑善达克沙地内骏马湖水下地形测绘数据为基础，构建湖泊结构特征曲线；基于遥感数据提 取 1991—2021 年骏马湖面积，反演出 30 年来其水位与容积的演化特征；建立其水量平衡方程，定量分析降水、蒸 发和地下水补给量等水量平衡要素的变化趋势及相互作用模式，识别出不同阶段湖泊萎缩的主控因素。计算结 果显示：骏马湖容量由 1991 年的 1?450 万 m3波动下降至 2021 年的 380 万 m3，年均变化率为?34 万 m3/a，降水量、 蒸发量和地下水补给量均呈现减少趋势，年均变化率分别为?10 万、?7 万和?5 万 m3/a。2006 年前，湖泊呈微弱的 负均衡状态；2006 年后，地下水补给量显著减少，导致湖泊水量负均衡加剧、萎缩速率加快。结果表明：2006 年前， 气候暖干化是导致湖泊萎缩的主要因素；2006 年至今，流域地下水资源大量开采导致湖泊水量失衡，人类活动成 为湖泊萎缩的主控因子。降低地下水资源开发利用量，提高水资源利用效率，可有效减缓浑善达克沙地湖泊群的 萎缩退化进度。     

基于降雨情景模拟的城市社区尺度暴雨内涝研究

全球变暖背景下城市暴雨内涝灾害频发,对我国东部沿海城市影响显著。根据暴雨内涝的致灾因子进行分类,基于SWMM（Storm Water Management Model）对宁波地区分别构建了台风和非台风暴雨情景内涝响应模拟模型,并对比分析了台风暴雨内涝和非台风暴雨内涝的特征及其差异。结果表明:（1）台风和非台风暴雨在变化趋势、分布特征和时程分布上差异显著。（2）台风暴雨情景下,河道水位和流量主要受潮位影响,在高潮位时发生倒灌。在非台风暴雨情景下,河道水位和流量主要受降雨影响,并随着重现期的增大而增大。（3）台风和非台风暴雨情景下,研究区发生内涝的子汇水区数量和等级随着重现期的增大而增加,积水区域逐渐连片分布,最多有17个子汇流区发生内涝,占总内涝区域的80%。而在相同重现期的台风暴雨情景下,排水管网负荷率更高、节点洪流更大、内涝更重、积水历时更长、积水深度更深,积水历时超过10.7 h,积水深度超过67 cm。本研究丰富了研究暴雨洪涝的方法,可为社区尺度的内涝研究提供参考。     

面向温室气体管控的汉江中下游水工程群 多目标优化调度

针对现有的水工程调度研究缺乏考虑温室气体管控目标，构建面向温室气体管控的水工程多目标优化调度 模型。采用第二代非支配排序遗传算法（Nondominated?Sorting?Genetic?Algorithm-II，NSGA-Ⅱ）高效求解调度模型， 推求考虑温室气体管控、水华防控与发电调度目标的 Pareto 前沿解集，解析调度目标之间的协同与竞争关系，以 汉江中下游 2017—2021 年枯水期的水华事件为实例开展相关研究。结果表明：温室气体管控目标同水华防控、 发电调度目标均呈现竞争关系；相比常规调度方案，优化调度方案可增加发电量 0.3 亿 kW·h（增幅 4.5%）、可减少 温室气体净排放 CO2当量 1.56?Gg（减幅 1.2%），协调方案的三目标效益均更优；协调方案可有效提升水工程综合 效益。研究成果可为实现碳减排与河流水环境水生态保障调控提供技术支撑。