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  • 水利学报
  • 2020年 第51卷 第9期
  • 出刊日期:2020-09-30
《水利学报》创刊于1956年,是中国水利学会、中国水利水电科学研究院、中国大坝工程学会主办的综合性学术刊物,是水利行业创刊最早、国内外最具影响的学术期刊,在水利工程类核心期刊中排第一位,被国内外多家检索系统收录。《水利学报》刊登反映水利、水电、水运领域较高水平的学术论文、专题综述和工程技术总结,开展学术论文的讨论和评论,介绍国内外科技动态和消息。主要专业范围包括:水文及水资源、防洪减灾、灌溉排水、水力学、泥沙、河港水运、岩土工程、水工结构及材料、水利水电施工及监理、水力机电、水利经济、水环境、水利史研究等。

2020年第51卷第9期

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  • 水循环视角下的黄河流域生态保护关键问题
    王浩,胡鹏
    流域作为陆地水循环的基本单元,其在生态保护修复中的地位和作用越来越得到重视。随着人类活动影响的加剧,流域水循环逐步演变为“自然-社会”二元模式,流域生态系统也在结构和功能上逐步转化为自然-社会复合结构和功能。本文基于对自然-社会二元水循环与流域生态保护关系的分析,针对黄河流域生态本底和特征,分别从空间格局和时间过程上提出了维护黄河流域生态系统完整性的主要原则和重点,并针对三江源区、祁连山-秦岭、黄土高原、黄河三角洲几个流域生态保护重点区域,分析了各区域目前存在的主要问题,提出了下一阶段保护治理的措施建议,以消耗一定的水资源为代价,实现坦化水循环极值性、大幅度减少冲沙用水、恢复自然生态三大功效,促进黄河流域生态保护和高质量发展。
    2020  Vol.  51(9):    1009-1014    [摘要](1598)    [PDF](857)
  • 论黄河河道平衡输沙量临界阈值与黄土高原水土流失治理度
    胡春宏,张治昊
    本文采用实测资料分析与理论分析相结合的方法,系统研究了黄河干流河道平衡输沙量临界阈值及其与黄土高原水土流失治理程度的关系,结果表明,黄河河道冲淤平衡输沙量临界阈值是随着不同时段来水来沙条件的变化而变化的。今后一个时期内,黄河上游宁蒙河段平衡输沙量临界阈值为0.4亿t/a左右;黄河中下游河道及河口平衡输沙量临界阈值为3亿t/a左右。通过水沙调控和河道整治等综合措施,未来将黄河上游宁蒙河段年输沙量控制在0.4亿t/a左右,可塑造与维持平滩流量约2000 m3/s左右的输水输沙通道,宁蒙河段基本实现河道冲淤平衡;将黄河中下游河道及河口年输沙量控制在3亿t/a左右,则潼关高程可基本实现升降平衡,稳定在328 m左右,下游河道可塑造与维持平滩流量4000 m3/s左右的中水河槽,基本实现河道冲淤平衡;河口基本实现海岸淤蚀平衡,保持流路相对稳定。黄土高原水土流失治理也存在达到一定程度后治理效果不显著的临界状态,表明黄土高原水土流失治理存在治理度,针对黄土高原水土流失治理各种措施减沙的临界阈值,本文提出未来通过科学调整黄土高原水土流失治理格局,将入黄年沙量控制在3亿t/a左右,达到黄土高原水土流失治理程度与黄河干流河道输沙的平衡,为未来黄土高原水土流失确定了治理目标。
    2020  Vol.  51(9):    1015-1025    [摘要](1331)    [PDF](663)
  • 流域系统科学初探
    江恩慧,王远见,田世民,李军华,许琳娟,张向萍
    随着人类社会对河流乃至流域影响广度、深度和强度的不断增加,对流域系统内部不同要素之间的互馈关系和博弈关系研究的不断拓展和深入,以致流域系统治理及其战略研究已经超过传统学科的范畴,亟需建立新的学科支撑体系。本文基于近十年的探索研究,提出了流域系统科学的概念,并对其研究对象、科学内涵、科学问题、研究方法及研究前景进行了全面阐释。流域系统科学以物质、能量、信息、价值流动过程为纽带,以行洪输沙-生态环境-社会经济三大子系统组成的流域复杂巨系统为研究对象,其基础研究需求包括各子系统内部演化过程与机理、各子系统间相互作用关系与协同演化机制、流域系统协调发展策略与战略布局3个层面。流域系统科学以传统学科为基础支撑,基于系统理论和方法探索制约流域治理保护和区域社会经济高质量发展的协同博弈关系,通过全流域系统观测网络和大数据平台建设,构建流域系统治理集成研讨厅,为流域系统治理保护与管理的战略研究提供科学的理论方法体系。
    2020  Vol.  51(9):    1026-1037    [摘要](1191)    [PDF](1166)
  • 黄河流域生态保护和高质量发展制约因素与对策——基于“要素-空间-时间”三维分析框架
    杨开忠,董亚宁
    针对黄河流域生态保护和高质量发展的国家重大战略需求,本文指出缓解生态系统负荷“过满状态”和发展的矛盾是黄河流域生态保护和经济社会发展的主要矛盾,推进社会经济生态转型是解决这一矛盾的根本出路。在此基础上,首先,提出“要素-空间-时间”三维分析框架,明确推进黄河流域社会经济生态转型、实现生态保护和高质量发展应运用这一框架;其次,识别出落后的社会经济物质代谢、低效的人与自然共生空间格局、低效的路径依赖是制约黄河流域社会经济生态转型、实现黄河流域生态保护与高质量发展的关键因素;最后,提出了推进黄河流域经济物质代谢转型、空间重构和路径创造的关键性战略对策,即:做实以水定城、以水定人和以水定产,加快建设能源互联网黄河流域,推进别具一格创新驱动发展,打造信息网络强河以及推进流域经济深度一体化全球化。本文对深刻认识和把握黄河流域生态保护和高质量发展机理和方略具有一定理论和现实价值。
    2020  Vol.  51(9):    1038-1047    [摘要](1142)    [PDF](641)
  • 黄河流域近40年气候变化的时空特征
    黄建平,张国龙,于海鹏,王闪闪,管晓丹,任钰
    黄河流域是我国主要的气候敏感区之一,气候变化对其生态环境演变与经济社会发展有显著影响。本文利用欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料分析了黄河流域过去40年的温度、降水、水汽通量散度、蒸散和荒漠化风险等的演变特征,结果发现:1979—2019年黄河流域四季均呈现明显增温趋势,其中春季增温最为明显;季节性降水的变化差异显著,春季和夏季降水呈现下降趋势,秋季降水增加;黄河流域空中水汽以辐合为主,过去40年黄河流域上游水汽辐合年际波动最小,中游次之,下游最大;黄河流域蒸散整体呈现减少趋势,其中增加趋势集中在上游地区;黄河流域荒漠化风险整体处于中等风险以上,呈现由南向北加剧的空间分布,1982—2014年黄河流域荒漠化风险呈现下降趋势。本研究厘清了全球气候变化背景下黄河流域蒸散、水汽输送和降水等水循环过程的变化规律,能够为维护黄河流域地区生态安全、防范重大气象灾害风险提供科学依据。
    2020  Vol.  51(9):    1048-1058    [摘要](1204)    [PDF](1160)
  • 黄河流域作物生产与消费实体水-虚拟水耦合流动时空演变与驱动力分析
    卓拉,栗萌,吴普特,黄红荣,刘艺琳
    愈加有限的水资源是黄河流域生态保护和高质量发展面临的最主要矛盾和瓶颈。在部门用水竞争持续加剧的同时,内嵌在农产品中的虚拟水流动现象日趋频繁。本文以作物生产水足迹和虚拟水流动为表征参数,量化2000—2014年间黄河流域主要作物实体水-虚拟水耦合流动关键过程及其时空演变;从人口、社会经济、农业发展和居民消费4方面,运用扩展STIRPAT模型辨识其关键社会经济驱动因子。结果显示:黄河流域作物单产水平增加有效降低了作物单产水足迹,有效控制了作物生产总水足迹规模;随小麦、玉米和苹果等作物输出,流域作物虚拟水流动规模显著增加,2014年流域虚拟水总输出量占流域作物生产耗水的41%;人口和人均GDP对作物生产水足迹和虚拟水进出口量均起促进作用。
    2020  Vol.  51(9):    1059-1069    [摘要](1115)    [PDF](1108)
  • 黄河流域干旱区湖泊冰封期浮游植物群落结构特征及影响因子研究
    王司阳,张笑欣,田世民,曹永涛,陈融旭
    为研究黄河流域上游干旱地区湖泊冰封期浮游植物群落结构及影响因子,选取干旱区典型湖泊——乌梁素海、奈伦湖为研究对象,于2019年3月冰封期进行采样调查,分析冰封期湖泊营养状态特征与浮游植物物种组成、数量及多样性指数,利用冗余分析(RDA)揭示浮游植物物种与环境因子影响关系,并运用方差分解分析主要环境因子的影响程度。结果表明,冰封期水体浮游植物共6门21属29种,其中硅藻12属16种,占据全部物种的55.2%;不同采样点浮游植物数量、生物量变化范围为3.2×104~1.4×105 cells/L和0.047~0.328 mg/L,主要优势种以尖针杆藻(Synedra acus)、美丽星杆藻(Asterionella formosa)、双头辐节藻(Stauroneis anceps)等硅藻为主;不同浮游植物多样性指数H'范围0.70~1.74,介于中度污染,表明研究湖泊浮游植物多样性相对较差;不同采样点位之间浮游植物群落相似性主要处于Ⅱ、Ⅲ等级,即极不相似和轻度相似,表明各采样点之间浮游植物群落结构具有较为明显的差异。RDA分析结果表明,影响浮游植物物种分布的主要环境因子水温、总氮和硝酸盐;方差分解分析进一步显示,营养因子(总氮和硝酸盐)单独对优势种物种分布解释量达到33.66%,理化因子(水温)单独对优势种物种分布解释量达到13.24%。
    2020  Vol.  51(9):    1070-1079    [摘要](1113)    [PDF](608)
  • 水系连通性的指标体系及其应用
    王延贵,陈吟,陈康
    水系连通指标是分析和评价连通性的关键。本文基于水系连通性的内涵、分析模式和连通机理,从河流边界、水流、泥沙、生态环境等方面提出河道(湖库)连通指标;根据连通指标的基本含义、计算过程和层次属性,将连通指标分为基本指标、过渡指标和功能指标,建立了水系连通性的功能评价指标体系;针对黄河下游河道的特点,建立了河道连通性的评价模型,对近几十年黄河下游河道连通性的变化过程进行了分析评价。评价结果表明,黄河下游河道连通性在1959年前为优等状态,1960年至1985年期间基本处于中等以上状态,1986至1990年代末由状态迅速恶化为差的状态,2000年以后河道连通性又逐渐恢复变为优良状态。
    2020  Vol.  51(9):    1080-1088,1100    [摘要](1152)    [PDF](629)
  • 黄河什四份子弯道冰期水流及冰塞特征研究
    罗红春,冀鸿兰,郜国明,张宝森,牟献友
    覆冰条件下,弯道水流固有的三维特性更为复杂,对河流弯道冰下水流特征及冰塞的研究有助于推进防凌减灾工作。依据2020年1月稳封期的原型观测数据,对黄河什四份子弯道冰下水流及冰塞特征进行了详细分析。结果表明,弯顶节点工程引起的回流是阻冰的重要条件,上游下潜的冰花因水动力不足及河势等因素影响发生堆积,冰塞在弯内形成并沿凹岸主槽逐渐向上游发展,同时,弯顶卡冰封河与下游较大的水流流速,促进了清沟的形成;入弯至弯顶区间,冰下水流流速垂线分布基本服从双对数分布规律;受凹岸冰塞及回流影响,纵向上,水流流速呈减小趋势,在弯顶附近开始恢复;径向上,河道主流被冰塞压迫并逐渐趋于凸岸,致使弯道主流易位,凸岸水流流速大于凹岸,清沟向凸岸偏移;弯道水流湍动能与雷诺应力主要在近底处存在较大的变幅,表明近底水流运动活跃,且二者大小与流速大小在径向与纵向分布上具有较好的一致性,受冰盖影响,水流湍动能沿水深近似呈“S”形分布,雷诺应力分布无明显规律。
    2020  Vol.  51(9):    1089-1100    [摘要](1103)    [PDF](1089)
  • 黄河河口生态需水研究进展与展望
    于守兵,凡姚申,余欣,窦身堂
    黄河河口生态需水包括河流生态需水、湿地生态需水和近海生态需水。系统梳理了近20年来黄河河口生态需水目标、需水类别和需水量计算结果;结合黄河河口演变特点,提出生态需水研究的重点和主要方向。河流生态需水以满足重要渔业物种生境为主,重点研究指示物种对天然径流量节律的响应特征,量化水文-生态响应关系,在某种程度上恢复自然水文情势的生态功能。湿地生态需水应深入研究植被、土壤、水体的水盐平衡和蒸散发规律,从植被和鸟类生态位的合理设计以及生物多样性维持出发构建生态系统结构,确定湿地合理规模。近海生态需水应研究入海冲淡水对渔业物种低盐产卵育幼场的塑造和维持机制,以及重要渔业物种习性、适宜营养盐水平与磷酸盐输送扩散机制。小浪底水库运用以来,利津断面径流量满足已有生态需水径流量各项研究成果要求的年份比例为37%~58%,春季经流过程经常缺乏流量脉冲。初步分析以湿地、河道鱼类和近海鱼类为主要目标的全年生态需水量为86亿m3,径流过程需要阶段性场次洪水。建议对小浪底水库调度方案进行多年优化调整,兼顾春季流量脉冲的塑造,在更大程度上满足河口生态需求。
    2020  Vol.  51(9):    1101-1110    [摘要](1132)    [PDF](622)
  • 黄河下游宽滩区滞洪沉沙功能与减灾效应二维评价模型及其应用
    王远见,江恩慧,李新杰,张向萍
    黄河下游宽滩区既是大洪水行洪滞洪沉沙的通道,又是滩区群众赖以生存和发展的家园,如何合理运用宽滩区是长期备受关注和争议的话题。本文在水沙统筹、空间统筹和时间统筹原则的指导下,建立了黄河下游宽滩区滞洪沉沙功能与减灾效应二维评价指标体系,构建了基于Pareto最优解的黄河下游宽滩区滞洪沉沙功能与减灾效应二维评价模型,利用1958、1982、1992和1996年4场洪水实测资料,对该模型的合理性进行了验证。应用上述模型对黄河下游宽滩区不同运用方式的12组二维数学模型计算方案进行了评价,结果表明,洪水量级对减灾效应影响显著;相同洪水条件下设防护堤并控制闸门运用(有闸)或分区运用(5滩、10滩)方案能在滞洪沉沙功能和减灾效应之间取得更好的平衡,可作为未来滩区优化运用的决策参考。
    2020  Vol.  51(9):    1111-1120    [摘要](1129)    [PDF](588)
  • 小浪底水库下游浮游生物及细菌群落对水沙调控的响应规律
    宋劼,易雨君,周扬,贾文飞,高艳宁,李军华
    浮游动物、浮游植物和细菌群落广泛分布于河流生态系统,发挥着初级生产者、初级消费者和分解者的重要作用,对于环境条件的波动较为敏感。本文于2018—2019年黄河小浪底水库调水调沙前、中、后期对下游河流进行了调查采样,得出水环境因子、浮游生物与细菌群落的定量结果,以明确在不同调水调沙阶段下游河流水环境因子,浮游生物和细菌群落的演变规律及相互作用。通过结构方程模型(SEM)和基于距离的冗余分析(db-RDA)、分别明确了调水调沙影响下浮游生物以及细菌群落对水环境因子的响应规律。结果表明,调水调沙不同阶段下,浮游植物、浮游动物和细菌对于环境因子的响应方式具有较大的差异,溶解氧(在调水调沙前影响系数最大,为0.86)、温度(在调水调沙期间影响系数最大,为0.76),以及电导率(调水调沙后影响系数最大,为0.82)等环境因子对浮游生物的生物量影响最明显,而溶解氧(在调水调沙前)和叶绿素a(调水调沙期间至调水调沙后)对于细菌群落的影响最大。此外,调水调沙过程改变了浮游生物群落内部关系,削弱了浮游动物对浮游植物的捕食,同时也使得悬浮和沉积状态的细菌群落在样点之间的差异性增大。本研究明确了浮游生物及细菌群落在水沙调控不同阶段下对水环境因子的响应规律,对下游河流生态修复具有一定的理论意义。
    2020  Vol.  51(9):    1121-1130    [摘要](1117)    [PDF](1091)
  • 滩区自然-经济-社会协同的可持续发展模式
    岳瑜素,王宏伟,江恩慧,彭绪庶,时芳欣
    黄河下游滩区既是行洪、滞洪、沉沙场所,又是滩区民众生产生活的家园。多年来滩区行洪输沙的自然功能,与社会经济发展的社会服务功能协同发展问题一直是黄河下游滩区治理关注的焦点。本文在分析黄河下游宽滩区滞洪沉沙和社会经济发展的基础上,以自然-经济-社会协调发展为目标,构建适用于黄河滩区的系统动力学模型,针对黄河下游滩区最近10年间的社会经济数据进行仿真模拟研究。基于不同来水状态下的治理方案,分析不同量级洪水对滩区经济社会系统发展产生的影响,发现构建8000 m3/s防护堤方案对于稳定提高滩区农业收入水平具有重要作用,并提出新形势下滩区可持续发展的优化治理模式。
    2020  Vol.  51(9):    1131-1137,1148    [摘要](1086)    [PDF](1077)
  • 黄河泥沙对氮迁移转化的影响及环境效应
    夏星辉,王君峰,张翎,张思波
    黄河具有高泥沙含量的特点,泥沙对营养元素和污染物的迁移转化具有重要的影响。含氮化合物是我国河流的主要污染物之一,是国家重点防控污染物,是影响河流水体健康的重要因素。本文基于实验室模拟实验和野外采样研究成果系统综述了泥沙对河流氮迁移转化的影响及其环境效应。重点分析了(1)黄河水体含氮化合物的时空分布特征及来源;(2)含氮化合物的悬浮泥沙-水界面过程以及悬浮泥沙对氮转化过程的促进作用;(3)悬浮泥沙含量和粒径等对有机氮降解、硝化作用、反硝化作用、耦合硝化反硝化作用以及厌氧氨氧化作用的影响;(4)泥沙对温室气体N2O产生和排放的影响,以及(5)水沙条件变异对氮迁移转化作用的影响。研究结果可为气候变化和人类活动双重作用下河流氮污染治理以及温室气体的排放控制提供科学依据。
    2020  Vol.  51(9):    1138-1148    [摘要](1109)    [PDF](593)
  • 大暴雨作用下黄土高原典型流域水土保持措施减沙效益研究
    肖培青,王玲玲,杨吉山,焦鹏,王志慧
    正确评估大暴雨条件下流域水土保持措施的减沙作用,可为科学揭示流域侵蚀产沙变化的驱动机理提供理论支撑。综合采用改进的水土保持成因分析法、林草植被减沙模型和分布式土壤侵蚀模型,对近10年大暴雨作用下4个典型流域的水土保持措施减沙作用进行了系统分析和研究。结果表明:佳芦河流域水土保持措施在“2012.7.27”大暴雨中减沙效益为65.4%;杏子河流域在“2013.7.12”“2013.7.25”和“2013.7.27”三场连续降雨中,水土保持措施减沙效益分别为56.5%、40.7%和36.5%;西柳沟流域上游在“2016.8.17”大暴雨中,林草植被措施减沙效益达84.2%;岔巴沟流域在“2017.7.26”大暴雨中,水土保持措施减沙效益为79%。大暴雨作用下水土保持措施减沙效益明显,但遭遇连续极端降雨情况,水土保持减沙效益会降低。
    2020  Vol.  51(9):    1149-1156    [摘要](1152)    [PDF](583)
  • 近20年黄河流域陆表水域面积时空变化特征研究
    高吉喜,王永财,侯鹏,万华伟,张文国
    黄河流域生态保护和高质量发展是国家重大战略之一。开展陆表水域的动态变化监测,有助于掌握黄河流域水资源分布与变化状况,对于了解人类活动对水资源的影响,保障流域生态安全具有重要意义。本文基于Landsat数据提取2000—2019年黄河流域陆表水域分布,分析了黄河流域陆表水域面积的动态变化状况,结果表明:(1)流域陆表水域空间分布不均衡,上游陆表水域面积占流域陆表水域总面积的60.3%、中下游占39.7%,其中青海省和内蒙古自治区的陆表水域面积占比最高,分别占40.3%和17.0%;(2)近20年间,流域陆表水域面积总体呈增加趋势,增幅约为49.0%,其中上游地区对流域陆表水域总面积增加的贡献度最大,达到47.7%,中游地区贡献度次之,为42.7%,下游地区贡献度较小,只有9.6%;(3)从流域来看,渭河和汾河流域的陆表水域面积增加较为明显,2000—2019年期间,分别扩大了113.17 km2和55.75 km2,增幅约为139.9%和152.4%。
    2020  Vol.  51(9):    1157-1164    [摘要](1115)    [PDF](590)
  • 黄河下游高村-陶城铺河段边界阻力能耗与河床稳定性分析
    白玉川,李岩,张金良,白洋,冀自清
    从河床边界阻力能耗角度研究河床形态调整规律,引入河床稳定性指标,探讨与边界阻力能耗率的相关性。以黄河下游高村至陶城铺河段为研究区域,采用实测资料、理论解析与数值模拟相结合方法,基于不同年份河道地形,计算出不同流量条件下的水力要素与边界阻力能耗率,分析河床形态调整过程及边界阻力能耗率响应,讨论了边界阻力能耗率与河床稳定性关系。结果表明:边界阻力能耗率沿程均值和波动强度随着流量增大而增大;阻力能耗率随着过水面积或宽深比呈先减小后增大趋势,且与河床稳定指标呈正相关关系,但能耗率趋近最小值时,河床也可能发生下限失稳。通过优化河床断面形态,维持河床稳定情况下寻求边界阻力能耗率最小,能够提高河槽的输水输沙能力。
    2020  Vol.  51(9):    1165-1174    [摘要](1121)    [PDF](1088)
  • 基于黄河鲤栖息地水文-生态响应关系的黄河下游生态流量研究
    王瑞玲,黄锦辉,葛雷,冯慧娟,李若男,沈红保
    本研究采用野外生物监测、栖息地同步观测和实验室控制实验等技术手段,应用生物学、鱼类生态学、生态水力学、水文学等多学科理论,基于河流栖息地模拟法,研究了黄河下游指示物种黄河鲤生态学特性及其栖息生境与流速、水深、水温等水文水环境因子之间的关系,将径流条件与目标物种不同生长阶段生物学信息相结合,建立了代表物种繁殖期、越冬期栖息地适宜度指数,构建了黄河下游重点河段河流栖息地模型,建立了指示物种栖息地状况与河川径流条件定量响应关系,提出黄河下游花园口和利津断面繁殖期最小生态流量为300 m3/s和100 m3/s、适宜生态流量为600~700 m3/s和190~250 m3/s。该研究在水生生物习性及其与河川径流响应关系方面实现突破,解决了黄河生态需水研究中关键技术问题。
    2020  Vol.  51(9):    1175-1187    [摘要](1194)    [PDF](1106)

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