學(xué)術(shù)概覽

大范圍地下水枯竭條件下土壤水分蒸發(fā)和徑流響應(yīng)模擬研究

20世紀(jì)的地下水開采造成含水層含水量大幅降低，而且破壞了地下水依賴型經(jīng)濟(jì)活動的多樣性，含水量的降低重塑了水文地貌，改變了地下水與地表水的交換和地表水的可利用量。為了增強(qiáng)水資源管理的有效性并提高模擬精度，需要對近期地下水損耗進(jìn)行綜合系統(tǒng)性研究。對100 a來美國本土地下水減少產(chǎn)生的影響進(jìn)行了評價，模擬了流域尺度的變化特性。結(jié)果表明，次表層水的損失會對整個水文系統(tǒng)造成影響，使徑流量以及土壤水分蒸發(fā)減少。在枯水期以及淺層地下水區(qū)域，重點(diǎn)對土壤水分蒸發(fā)的減少進(jìn)行了研究。地下水開采會造成大范圍、大量的徑流減少，其影響不只局限于開采點(diǎn)，而是整個水系。該方法對地下水水位影響下地表變化的敏感性進(jìn)行了模擬，并提出了大尺度模型研究各種相關(guān)關(guān)系。

https：//advances.sclencemag org/contentj5/6/eaav45 74

不同氣候變化情景下城市排水管網(wǎng)防洪能力研究——以印度沿海城市防洪為例

目前，氣候變化不確定條件下的城市暴雨洪水防控研究受到廣泛關(guān)注。印度沿海大城市金奈（ Chennai）有多次被暴雨洪水襲擊的歷史記錄。近幾十年來，金奈的洪水災(zāi)害愈加頻繁。在當(dāng)前和未來兩種氣候情景條件下，對金奈弗拉切瑞（ Velachery）區(qū)易受洪水侵襲地區(qū)暴雨洪水排水管網(wǎng)現(xiàn)狀進(jìn)行了評估，提出了加強(qiáng)洪水防御的相關(guān)措施。利用聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（ IPCC）的CMIP5模型（RCP=4.5）表達(dá)該市未來氣候變化情景?；谟《葰庀缶?975-2015年日降雨數(shù)據(jù)，通過極端降雨值得到強(qiáng)度一歷時一頻率（ IDF）曲線，同時，得到當(dāng)前和未來兩種氣候情景下2 a-遇、5 a一遇、10 a一遇、50 a一遇和100 a一遇IDF曲線。采用差分全球定位系統(tǒng)（ DGPS）描繪暴雨洪水排水管網(wǎng)。通過水力模擬和水文模擬的耦合，對當(dāng)前和未來氣候情景下的城市管網(wǎng)防洪能力進(jìn)行了評估，指出了管網(wǎng)存在的薄弱環(huán)節(jié)并提出了降低弗拉切瑞區(qū)洪水風(fēng)險的有效措施。

基于自上而下及自下而上評估法的氣候變化風(fēng)險分析及敏感地區(qū)應(yīng)對措施

目前，大多采用“自上而下”方法對不同情境下未來特定時間段氣候變化預(yù)警進(jìn)行模擬和研究。而與之相對應(yīng)的“自下而上”方法的重點(diǎn)在于研究過去（近期）和當(dāng)前氣候變化的影響。研究了不同預(yù)警升級情況下的氣候特征，闡述了將“自上而下”與“自下而上”方法相結(jié)合的必要性。綜合考慮了3種氣候變化一敏感性系統(tǒng)的最新研究成果，提出了人類一環(huán)境系統(tǒng)永恒變化的特點(diǎn)。將“自上而下”與“自下而上”方法相結(jié)合可全面了解受氣候變化風(fēng)險影響的對象。通過對以上兩種方法的結(jié)果進(jìn)行整合，可得到具有指導(dǎo)性的信息以便及時采取應(yīng)對措施。

全球水資源循環(huán)表述和預(yù)測中人類主導(dǎo)作用的缺失研究

水資源利用、氣候變化以及土地轉(zhuǎn)換使全球范圍內(nèi)數(shù)以億計的人群和很多生態(tài)系統(tǒng)面臨水資源危機(jī)。通常利用計算機(jī)模型或經(jīng)驗(yàn)公式估算全球水資源儲量和徑流量，再以水循環(huán)圖表形式送到政策制定者和研究者手中。通過對比全球464個水循環(huán)圖表，對全球水循環(huán)進(jìn)行了綜合分析。結(jié)果表明：雖然全球河流徑流量的一半是可供人類使用的淡水資源，但只有15%的水循環(huán)圖表描述了人類與河川徑流的聯(lián)系;只有2%的水循環(huán)圖表表述了氣候變化和水污染這兩種引發(fā)全球水資源危機(jī)的最重要因素，傳達(dá)了錯誤的水安全信息;95%的水循環(huán)圖表只描述了單一流域，無法展示海洋一陸地相互影響以及陸地水量循環(huán)等重要因素。以上不足與水資源管理不當(dāng)?shù)哪承┓矫婢o密相關(guān)，即水循環(huán)圖表中出現(xiàn)的錯誤反映了甚至加劇了政策制定者、研究者和公眾對于全球水文情勢的誤解。對于水循環(huán)的正確表述，雖然無法完全解決全球水危機(jī)，但有助于實(shí)現(xiàn)水資源的合理化管理和可持續(xù)發(fā)展。

金沙江“10·10”白格堰塞湖漬洪水反演分析

準(zhǔn)確預(yù)測堰塞湖潰壩洪水流量過程在堰塞湖應(yīng)急搶險過程中極其重要。以白格堰塞湖下游水文站實(shí)測的洪水過程為依據(jù)，通過DB-IWHR潰壩洪水分析程序和GST洪水演進(jìn)模型，分別采用不同沖刷侵蝕參數(shù)對“10·10”白格堰塞湖漫頂自然泄流過程進(jìn)行了反演分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：沖刷參數(shù)a=1.100 0、b=0.000 6時，葉巴灘、拉哇水文站模擬結(jié)果與實(shí)測流量結(jié)果最為接近。由此判斷“10·10”白格堰塞湖潰決洪峰流量為10 882.78 m3/s，潰決歷時6.2 h到達(dá)洪峰流量，最終潰口水面寬度為99.66 m。運(yùn)用DB-IWHR潰壩洪水分析程序結(jié)合基于GPU加速技術(shù)的GST洪水演進(jìn)模型，計算效率得以大大提高，可以在應(yīng)急搶險工作中實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)的預(yù)測。

梯級水庫短期優(yōu)化調(diào)度模型的精細(xì)化與GPU并行實(shí)現(xiàn)

目前制約梯級水庫短期優(yōu)化調(diào)度在實(shí)際工程中應(yīng)用的主要瓶頸有：所構(gòu)建的優(yōu)化模型存在不合理的簡化策略，所選擇的求解算法無法保證解的質(zhì)量以及模型的計算時間遠(yuǎn)超規(guī)定時長。為解決上述問題，本文首先構(gòu)建精細(xì)至水電站各機(jī)組工作特性的優(yōu)化調(diào)度模型，接著通過二重嵌套動態(tài)規(guī)劃（ DP）計算給定模擬精度下的高質(zhì)量解，并針對算法固有的”維數(shù)災(zāi)”問題，一方面通過數(shù)據(jù)壓縮與數(shù)據(jù)庫技術(shù)降低程序的內(nèi)存占用量，另一方面將GPU并行加速技術(shù)首次引入水庫調(diào)度領(lǐng)域，通過OpenACC實(shí)現(xiàn)算法的GPU并行以減少計算時間。最后通過潘口、小漩梯級水庫日優(yōu)化調(diào)度的實(shí)例研究與對比分析得出：精細(xì)模型較傳統(tǒng)模型能更好地貼合電站的實(shí)際工況，提高梯級系統(tǒng)的發(fā)電效益;內(nèi)存占用縮減策略的引入能有效降低算法的空間復(fù)雜度;GPU并行較傳統(tǒng)的CPU并行能大幅提升算法的求解速度。由此為短期優(yōu)化調(diào)度的理論發(fā)展與算法“維數(shù)災(zāi)“的處理提供借鑒。

北京城市洪澇問題與成因分析

利用社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和水文氣象資料，探討城市化背景下北京城市洪澇特征、形成機(jī)制及影響因素。近50年來城市內(nèi)澇逐漸成為北京洪澇災(zāi)害的主要類型，隨著城市化迅猛發(fā)展，城市內(nèi)澇積水點(diǎn)數(shù)量在時間上表現(xiàn)為顯著增加趨勢，在空間上呈現(xiàn)出由內(nèi)環(huán)逐步向外環(huán)擴(kuò)張趨勢，與城市化發(fā)展空間格局關(guān)系密切。從水循環(huán)的角度分析城市洪澇形成機(jī)制，指出區(qū)域氣候變化和城市化發(fā)展改變了城市降水格局，汛期降水量和極端降水事件呈現(xiàn)下降趨勢，但城區(qū)短歷時強(qiáng)降水事件呈現(xiàn)增加態(tài)勢;城市化發(fā)展改變了區(qū)域下墊面條件、城市流域產(chǎn)匯流特性和城市排水格局，進(jìn)而影響了區(qū)域水循環(huán)過程和水量分配，在一定程度上增加了城市洪澇災(zāi)害風(fēng)險;同時城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平不足、排水排澇標(biāo)準(zhǔn)偏低、應(yīng)急管理能力不足等因素，導(dǎo)致城市洪澇發(fā)生風(fēng)險增加，降低了城市洪澇綜合應(yīng)對能力。

高應(yīng)力下大型硬巖地下洞室群穩(wěn)定性設(shè)計優(yōu)化的裂化一抑制法及其應(yīng)用

針對高應(yīng)力下大型硬巖地下洞室群突出的圍巖災(zāi)害性破壞問題，在多個深部/高應(yīng)力地下洞室群開挖方案與支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究及實(shí)踐基礎(chǔ)上，提出高應(yīng)力下大型硬巖地下洞室群穩(wěn)定性優(yōu)化的裂化抑制設(shè)計方法新理念及其基本原理、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)施流程。該方法認(rèn)為高應(yīng)力下地下洞室硬巖大變形與災(zāi)害性破壞本質(zhì)上是其內(nèi)部破裂發(fā)展和開裂的外在表現(xiàn)形式，為此建立以抑制硬巖內(nèi)部破裂發(fā)展為關(guān)鍵切入點(diǎn)的理念，以硬巖的開裂測試分析、減裂開挖調(diào)整、止裂支護(hù)控制為三要素，提出：（1）通過系統(tǒng)地開展洞室群開挖方案優(yōu)化分析，從開挖角度盡量減少和避免圍巖開裂的規(guī)模、深度和程度技術(shù)體系;（2）通過支護(hù)參數(shù)、支護(hù)時機(jī)優(yōu)化，從支護(hù)角度抑制圍巖進(jìn)一步裂化并強(qiáng)化松弛/開裂圍巖的整體性從而抵抗地層壓力，將圍巖從被支護(hù)對象轉(zhuǎn)換為承載結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)充分調(diào)動圍巖自身承載性能來維護(hù)和再造圍巖承載拱，達(dá)到工程安全、高效和經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。拉西瓦水電站地下洞群開挖順序優(yōu)化、白鶴灘水電站地下廠房頂拱支護(hù)方案優(yōu)化、中國錦屏深地實(shí)驗(yàn)室的圍巖支護(hù)參數(shù)復(fù)核等工程實(shí)踐表明了其合理性和實(shí)用性。

《巖石力學(xué)與工程學(xué)報》2019年第6期（作者：江權(quán)，馮夏庭，李邵軍，等）