气候变化背景下的水资源管理与粮食安全保障

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作者 刘俊国 刘明欢 徐沙沙 《中国水利》 2024年第17期21-28,共8页

气候变化对全球水循环和粮食生产模式产生了深远影响,从而增加了水资源管理和粮食安全的不确定性及挑战。分析了气候变化对降水、径流、蒸散发、土壤水及地下水等水循环要素的影响,评估了温度上升、温室气体排放及极端天气事件对作物生... 气候变化对全球水循环和粮食生产模式产生了深远影响,从而增加了水资源管理和粮食安全的不确定性及挑战。分析了气候变化对降水、径流、蒸散发、土壤水及地下水等水循环要素的影响,评估了温度上升、温室气体排放及极端天气事件对作物生长、产量以及粮食安全的潜在影响。针对上述挑战,提出了包括推进国家水网建设、实施农业节水措施、减少农业排放及固碳、培育抗逆性强的作物品种和协同管理水-粮-能系统等应对策略,并建议根据不同的气候模式和水资源管理条件进行差异化研究,制定因地制宜的气候变化适应性策略。 展开更多

关键词 气候变化 水资源管理 粮食安全 水安全

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近61年郑州市极端降水事件时空变化特征分析

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作者 鞠俊彦 刘俊国 +2 位作者 张晓雷 户东东 李正阳 《水电能源科学》 北大核心 2025年第4期45-49,共5页

基于郑州市7个地面气象观测站1961~2021年逐日降水数据,利用极点对称模态分解(ESMD)方法分析郑州市多年降水的时变特征,使用RClimDex模型计算郑州市近61年的极端降水指数,采用变异范围法(RVA)对极端降水指数的变化程度进行综合定量评价... 基于郑州市7个地面气象观测站1961~2021年逐日降水数据,利用极点对称模态分解(ESMD)方法分析郑州市多年降水的时变特征,使用RClimDex模型计算郑州市近61年的极端降水指数,采用变异范围法(RVA)对极端降水指数的变化程度进行综合定量评价,并通过复Morlet小波变换方法相互验证,采用反距离加权解释降水指标的空间变化特征。结果表明,郑州市的8项极端降水指数在近61年来有7项呈小幅上升趋势,持续干燥指数呈小幅下降趋势,其中最大5 d降水量的增幅最大,为4.16 mm/10a;郑州市极端降水指数大部分呈低度改变,持续干燥指数、极端降水量和最大1 d降水量呈中度改变;在空间分布上,持续干燥指数呈现由北向南递减的趋势,其他极端降水指数基本呈现北部低南部高的空间分布格局。研究结果不仅阐明了郑州市近61年极端降水指数在时间和空间的变化特征,还可为郑州市防灾减灾工作提供科学参考。 展开更多

关键词 极端降水 RClimDex模型 极端降水指数 时空变化 郑州市

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基于物理信息神经网络的长距离顶管施工顶力预测

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作者 李博 刘宇翔 +2 位作者 陈建国 杨耀红 张哲 《人民长江》 北大核心 2025年第1期147-155,共9页

长距离顶管施工过程中,准确预测顶力是有效控制施工安全质量及进度的关键问题。基于知识数据融合的机器学习建模方法,将顶力计算物理模型与多层感知机相融合,构建了物理-数据双驱动的物理信息神经网络模型(PINN),用物理机制约束神经网... 长距离顶管施工过程中,准确预测顶力是有效控制施工安全质量及进度的关键问题。基于知识数据融合的机器学习建模方法,将顶力计算物理模型与多层感知机相融合,构建了物理-数据双驱动的物理信息神经网络模型(PINN),用物理机制约束神经网络的训练机制,并引入改进的麻雀搜索算法(ISSA)对模型超参数取值进行优化,建立了ISSA-PINN顶管施工顶力预测模型;以河南省郑开同城东部供水工程顶管施工为例,选取524组工程实测数据验证了模型的有效性。计算结果表明:ISSA-PINN模型具有较高的预测精度,相较于单纯数据驱动模型,在测试集和新数据集中的预测性能分别提升了0.07和0.17,说明物理模型的融入对降低机器模型的过拟合风险和提高泛化能力有积极影响;相比于SSA和粒子群算法,ISSA算法寻优速度更快、适应度更好。研究结果可为顶管工程施工顶力控制提供参考。 展开更多

关键词 顶管施工 顶力预测 物理信息神经网络(PINN) 改进麻雀搜索算法(ISSA)

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渐进式生态修复理论与河湖复苏关键技术

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作者 刘俊国 杨育红 陈守开 《中国水利》 2024年第21期14-23,共10页

复苏河湖生态环境是推动新阶段水利高质量发展和全面推进美丽中国建设的关键路径。基于对河湖生态环境演变趋势及复苏理论发展趋势的分析,提出渐进式生态修复理论框架和河湖复苏技术体系。渐进式生态修复理论充分考虑流域生态系统退化... 复苏河湖生态环境是推动新阶段水利高质量发展和全面推进美丽中国建设的关键路径。基于对河湖生态环境演变趋势及复苏理论发展趋势的分析,提出渐进式生态修复理论框架和河湖复苏技术体系。渐进式生态修复理论充分考虑流域生态系统退化的历史背景和现实状况,强调分阶段、分步骤、因地制宜实施环境治理、生态修复、自然恢复的治理模式,具有“分类施策、目标导向、系统治理、持续监测”四大特征,循序渐进地修复受损生态系统。在渐进式生态修复理论的指导下,研发了“动态补水-植生护岸-原位除藻”核心环境治理技术,发明了基于土著微生物的河湖生态修复技术,为永定河、茅洲河等河流生态环境复苏提供了理论和技术支撑。 展开更多

关键词 生态修复 河湖复苏 参考生态系统 美丽中国 关键技术 渐进式

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溃堤洪水在有压雨水管网街区演进的试验研究

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作者 张晓雷 刘书瑜 +2 位作者 董柏良 赵建坤 张立涛 《工程科学与技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期228-236,共9页

溃堤洪水在有压雨水管网街区的演进过程十分复杂,城市街区建筑物及雨水管网改变了洪水的演进规律,影响了街区排涝的水力特性。本文基于典型城市街区建立了包括房屋、人行道及雨水管网在内的概化水槽模型,测量了不同溃堤洪水在典型城市... 溃堤洪水在有压雨水管网街区的演进过程十分复杂,城市街区建筑物及雨水管网改变了洪水的演进规律,影响了街区排涝的水力特性。本文基于典型城市街区建立了包括房屋、人行道及雨水管网在内的概化水槽模型,测量了不同溃堤洪水在典型城市街区演进过程中的街区水深、雨水管网流量及压强,探究了不同蓄水高度、前池进口流量对街区水位波动变化及有压雨水管网下泄流量的影响。溃堤洪水在水槽侧壁、房屋的作用下形成了大面积的水跃,并且在房屋建筑物附近出现了薄层状水片,水跃区域伴随着洪水演进过程先是在人行道处发生横向的迁移合并,再是在街区道路的纵向方向上逐渐耗散直至消失,街区水位在100 s后基本稳定,从上游至下游呈“先增大、再减小”的变化趋势。溃堤洪水在街区演进过程中,不同蓄水高度对有压雨水管网的泄流量影响相较于不同前池进口流量更加显著,街区上游雨水口的峰值流量在最大蓄水高度条件约为最大前池进口流量的1.5倍。研究结合街区水位及有压雨水管网压强采用欧拉数对短管淹没出流公式的泄流系数进行了率定,修正后的理论计算值的误差由32%降低至2%,能够较好地反映出街区雨水口的泄流能力。研究成果不仅能为数学模型提供翔实的验证资料,还可为城市洪涝治理提供理论指导。 展开更多

关键词 溃堤洪水 有压雨水管网 雨水口 概化水槽模型

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床沙级配调整对黄河下游洪水演进的影响

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作者 张晓雷 徐志恒 +1 位作者 杨晨 毕峥峥 《水力发电学报》 CSCD 北大核心 2024年第3期14-23,共10页

小浪底水库运行以来,进入黄河下游的水沙条件出现了较大变化,受水库清水下泄影响,黄河下游床沙粒径出现了明显的粗化。为了探讨床沙级配粗化对黄河下游洪水演进的影响,本文首先建立了适用于黄河下游的一维水沙耦合数学模型,然后采用花... 小浪底水库运行以来,进入黄河下游的水沙条件出现了较大变化,受水库清水下泄影响,黄河下游床沙粒径出现了明显的粗化。为了探讨床沙级配粗化对黄河下游洪水演进的影响,本文首先建立了适用于黄河下游的一维水沙耦合数学模型,然后采用花园口至孙口河段2020年4—10月的实测洪水过程对模型进行了验证;其次根据河段床沙粗化特点,并以花园口床沙粗化过程为代表,设计了4组床沙级配作为模拟计算的初始床沙条件;最后采用验证后的模型进行了模拟计算,分析了床沙级配调整对洪水演进的影响。结果表明:床沙级配调整对黄河下游的流量、水位、含沙量、洪水演进时间以及河段冲淤量均有影响,但是对流量影响较小,而水位、含沙量、洪水演进时间与河段冲淤量对床沙级配的改变响应较为敏感。床沙中值粒径d_(50)由0.076 mm(级配1)增至0.242mm(级配4)时,夹河滩断面水位增高0.89 m,花园口至孙口河段冲淤量由冲刷0.679亿m^(3)转变为淤积0.059亿m^(3),冲刷量减幅为109%。研究结果可为新水沙情势下黄河下游河道治理提供借鉴与参考。 展开更多

关键词 一维水沙耦合模型 床沙粗化 洪水演进 冲淤变化 黄河下游

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分布式SCS-CN有效降雨修正模型建立及应用 被引量：8

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作者 申红彬 徐宗学 +1 位作者 曹兵 王海周 《水科学进展》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第4期553-561,共9页

为解决SCS-CN模型改进后方程结构复杂的问题,基于SCS-CN标准模型,经与SCS-CN改进模型比较,引入有效降雨修正系数建立SCS-CN有效降雨修正模型,并对城市低影响开发复杂区域综合考虑LID设施蓄存容积对降雨径流的影响,构建基于水文响应单元... 为解决SCS-CN模型改进后方程结构复杂的问题,基于SCS-CN标准模型,经与SCS-CN改进模型比较,引入有效降雨修正系数建立SCS-CN有效降雨修正模型,并对城市低影响开发复杂区域综合考虑LID设施蓄存容积对降雨径流的影响,构建基于水文响应单元的分布式SCS-CN有效降雨修正模型,以北京双紫园小区为例开展降雨径流模拟与效果检验。分析SCS-CN有效降雨修正模型,当对修正系数取值等于1.0时其等同于标准模型,当对修正系数取值小于1.0时其等效于改进模型;修正系数表征了径流系数随降水量增大而变化趋向稳定的极限值。模型应用结果表明,分别对渗透地表有效降雨修正系数取值等于1.0与小于1.0,两者对不同场次降雨径流深的计算值与实测值散点均位于45°线附近、符合较好,确定性系数与Nash-Sutcliffe效率系数值分别为0.91与0.83、0.92与0.91,后者效果优于前者,说明对渗透地表有效降雨修正系数取值小于1.0能够有效提高模拟效果。 展开更多

关键词 SCS-CN模型 有效降雨 修正系数 分布式 低影响开发

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复合地层小直径隧道掘进机掘进速度区间预测 被引量：1

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作者 杨耀红 韩兴忠 +2 位作者 张智晓 刘德福 孙小虎 《科学技术与工程》 北大核心 2023年第34期14638-14650,共13页

合理准确预测隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)的掘进速度是实现TBM智能化控制的关键问题之一,复合地层小直径TBM施工的不确定性较常规地质条件更强,而传统预测方法对施工过程的不确定性考虑不足。在此通过引入区间预测方法,提出... 合理准确预测隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)的掘进速度是实现TBM智能化控制的关键问题之一,复合地层小直径TBM施工的不确定性较常规地质条件更强,而传统预测方法对施工过程的不确定性考虑不足。在此通过引入区间预测方法,提出基于4种不同Bootstrap方法结合KELM-ANN模型的TBM掘进速度区间预测模型,并以南水北调安阳输水隧洞工程为例,选取142组工程实测数据验证区间预测模型的有效性。研究结果表明:基于Rademacher分布建立的模型预测结果优于其他3种方法,不仅可以得到较好的点预测结果,还可以构造出较为清晰可靠的区间将掘进速度实测值完全包络在内;随着置信水平的提高,区间可容纳的不确定性和风险也逐渐上升,通过变化区间宽度,能较好地量化和解释TBM施工过程中的不确定性因素对掘进速度的影响。研究结果可为TBM掘进性能预测和掘进参数优化提供参考。 展开更多

关键词 复合地层 小直径隧道掘进机(tunnel boring machine TBM) 掘进速度 区间预测 BOOTSTRAP方法 核极限学习机(kernel based extreme learning machine KELM) 神经网络

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解密全球河川径流季节性对气候变化的响应机制

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作者 刘俊国 王泓 来和鑫 《科学通报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第25期3686-3688,共3页

地球水循环犹如我们身体内不断流动的血液,为地球上的生灵创造了生机.河川径流作为水循环的主要环节,为人类和生态系统提供了宝贵的水资源,并在调节洪涝灾害方面扮演着重要角色.河川径流是衡量人类和环境可用水资源量的重要指标.人类活... 地球水循环犹如我们身体内不断流动的血液,为地球上的生灵创造了生机.河川径流作为水循环的主要环节,为人类和生态系统提供了宝贵的水资源,并在调节洪涝灾害方面扮演着重要角色.河川径流是衡量人类和环境可用水资源量的重要指标.人类活动通过修建水库等水利工程可以直接调控河川径流,同时也能通过改变气温、降水、土壤湿度、融雪状况或土地利用方式间接地影响径流. 展开更多

关键词 水循环 洪涝灾害 河川径流 土壤湿度 对气候变化的响应 生态系统 水资源量 水利工程

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定岗湖湿地水动力及水体交换特性分析

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作者 李正阳 刘俊国 +2 位作者 张晓雷 鞠俊彦 户东东 《环境工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第6期1614-1623,共10页

为最大程度地发挥生态湿地的净化潜能,缓解并改善水体质量。以深圳市定岗湖湿地公园为例,通过不同河床糙率、阶梯水位等因素制定了4种补水方案,基于有限体积法建立了包含水龄模块的二维水动力数学模型,结合3~5 m的网格尺度对湖区开展了... 为最大程度地发挥生态湿地的净化潜能,缓解并改善水体质量。以深圳市定岗湖湿地公园为例,通过不同河床糙率、阶梯水位等因素制定了4种补水方案,基于有限体积法建立了包含水龄模块的二维水动力数学模型,结合3~5 m的网格尺度对湖区开展了精细模拟,对比分析了沉淀塘、砾石床、沉水塘和出水塘的水动力空间分布以及水体交换特性。结果表明,在湖区高处的狭长水域开展生态补水措施,在水动力上能提高水体的流动性与交换效果,湖区54.23%的水动力得到明显提升,较其他方案分别提升22.9%、2.6%、1.7%;在水龄上能使84.79%水域在10 d内完全更新一次,远高于其他方案73.66%、82.96%、84.55%。受限于出水塘的东部地形边界局部存在凹岸,4种生态补水措施的形成的滞留区占比分别为0.84%、0.80%、0.79%和0.78%。研究成果不仅可为定岗湖水体流动特性及生态补水效果提供决策支持,还可对城市景观设计以及环境保护提供科学指导。 展开更多

关键词 二维水动力数学模型 生态补水方案 水龄 数值模拟

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水源涵养功能概念的生态和水文视角辨析 被引量：16

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作者 高红凯 刘俊国 +1 位作者 高光耀 夏军 《地理学报》 EI CSSCI CSCD 北大核心 2023年第1期139-148,共10页

水源涵养是评价陆地生态系统服务功能的重要指标,然而学界对水源涵养功能概念和计算方法仍存在诸多争论。这一方面说明水源涵养功能评估具有重要的现实意义,同时也说明其概念的复杂性和模糊性,亟需从生态学和水文学的基本理论出发,厘清... 水源涵养是评价陆地生态系统服务功能的重要指标,然而学界对水源涵养功能概念和计算方法仍存在诸多争论。这一方面说明水源涵养功能评估具有重要的现实意义,同时也说明其概念的复杂性和模糊性,亟需从生态学和水文学的基本理论出发,厘清水源涵养功能概念的内涵和评估方法,促进科学决策和有效管理。研究水源涵养功能时,生态学家更关注陆地生态系统的蓄水能力(S_(max)),而水文学家更关注流域的产流量(Q),两者均具有合理性,但各有侧重,若不分别辨析,极易造成概念混淆。理论和数据分析表明,蓄水能力和产流量虽然联系紧密,但概念完全不同。陆地生态系统的S_(max)决定了流域对降水的分配:即蒸散发(绿水)和Q(蓝水),S_(max)和Q在降水量一定的情况下往往存在此消彼长的关系。研究发现生态系统的根区蓄水能力(S_(Rmax))是联系绿水和蓝水的核心要素,是水源涵养功能评估的关键变量。大尺度根区蓄水能力主要由气候决定,可借鉴工程水文中设计水库的累积曲线法,根据生态系统用水的生存策略通过气候反演。最后,本文提出3点建议:①在实践中分别评估生态系统的绿水和蓝水涵养功能;②进一步全面考虑冰川积雪、地下水等多要素的水源涵养功能;③协同耦合自然和人工水源涵养功能,提高水资源在生态和经济社会系统中的高效优化利用。 展开更多

关键词 水源涵养功能 生态水文 根区蓄水能力 水量平衡方程 蓝水—绿水

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