极端气候对自然生态系统、社会经济发展、人类健康福祉和生物多样性的影响最为严重且具有破坏性。对广东省1961—2016年期间极端气候的时空变化进行了研究。结果表明,大部分极端降水指标在时间序列上保持一致,但5 d最大降水量(R_X5day)和持续湿润指数(CWD)序列发生突变;除平均日较差(DTR)外,大部分极端气温指标在时间序列上存在突变。除CWD外,各项极端降水指数基本呈现不显著上升趋势;各项极端气温指数基本呈现不同程度的上升趋势,但DTR和作物生长期(GSL)呈现不显著下降趋势。极端降水指标主周期在2.03~4.00 a范围内;而极端气温指标主周期在2.00~3.50 a范围内。极端降水指标和极端气温指标在空间分布上存在差异,各有特点。

基于研究区28个采样点2012—2018年的监测数据,对流溪河流域地下水三氮分布特征及影响因素进行了分析。结果表明:研究区地下水中氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的质量浓度均随时间呈下降趋势,年下降幅度分别为0.220、0.120、0.001 mg/L;中游氨氮和硝酸盐氮的质量浓度分别是下游的1.1倍和1.6倍;基岩裂隙水中氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的质量浓度均值分别是松散岩类孔隙水的3.2、0.1和0.7倍;氨氮与农药化肥施用量的关联度更大,硝酸盐氮和亚硝酸盐氮与废污水排放量的关联度更大;三氮在一定程度上受降雨的影响,但相关性较差;氨氮和硝酸盐氮与地下水的氧化还原条件关系和地下水径流条件关系密切。

极端暴雨与潮位遭遇的灾害将导致滨海城市的洪涝加剧。为了探究滨海城市雨潮遭遇对城市防洪排涝的影响,基于深圳市赤湾站1967—2018年年最大1 d降雨量及其相应潮位资料,采用Copula函数构建年最大1 d降雨量和其相应潮位的联合分布模型,计算分析了深圳市雨潮遭遇的同现风险、防涝风险、条件风险和组合风险。结果表明,深圳市雨潮遭遇的风险较小,其中超标准(100年一遇)降雨与超标准(200年一遇)潮位的同现与组合风险概率极小,仅为0.12%和0.09%;发生超标准降雨或潮位的概率为1.09%,小于100年一遇,且在发生超标准降雨的条件下,遭遇超标准潮位的概率较大,为12.33%,同时,随着降雨量级的增大,遭遇风险也随之增大,因此,在城市防洪潮排涝规划、设计中,应重点关注与防范。

对珠江主要支流西江、北江、东江在变化环境下的径流丰枯遭遇展开研究,有利于在枯水期进行水资源分配和调度,保障珠三角城市群供水安全;利用月平均流量作为基础数据,使用Copula函数构建了三江年、汛期和非汛期径流的二维及三维联合分布,并分析了三江的丰枯遭遇规律;结果表明,Frank Copula函数能较好地拟合二维与三维的径流联合分布;在二维丰枯组合下,三江两两间径流丰枯同步概率较大;在三维丰枯组合下,三江径流丰枯同步概率较低,三江在枯水年间更易出现“特枯-特枯-偏枯”和“特枯-偏枯-偏枯”的径流组合;在“特枯-特枯-偏枯”和“特枯-偏枯-偏枯”来水条件下,三江非汛期来水量较少,将会对珠三角城市群非汛期供水安全造成不利影响。

为探讨沿海地区大型水库强风暴雨遭遇问题,以广东省台山大隆洞水库为研究案例,分别采用P-III、Gamma和GEV 3种极值分布模型对3组降雨极值和1组最大风速序列进行边缘分布拟合,通过Archimedean Copula函数和Kendall分布函数分析最大风速和不同时段最大降雨量的重现期水平,计算了二者联合分布下的“或”“且”和Kendall重现期及其最可能的风速和降雨量设计值。结果表明:大隆洞水库年最大日降雨呈显著上升趋势(p<0.05),年最大风速则总体呈下降趋势,而风速和暴雨序列的相关性极弱,但出现年最大风速和年最大暴雨遭遇的情况。联合分布的“或”“且”和Kendall重现期推算的风速和降雨量低于单变量边缘分布的结果。当采用100年一遇的“或”联合分布的最大风速所计算出来的主坝高程比实际高程要高,建议未来水库大坝高程设计应考虑强风和暴雨遭遇的情况。

为定量分析区域水资源压力大小,评价水资源可持续发展现状。基于水资源生态足迹模型,分析2005—2019年期间,广州市生态足迹和生态承载力的时间变化及空间差异,结果表明:广州市人均水资源生态足迹逐年减小,人均水资源承载力同水资源总量变化一致,波动较大,水资源呈现盈余状态,万元GDP水资源生态足迹逐年降低,广州市水资源账户总体处于安全状态。广州市人均水资源生态足迹较大的区域分布在黄埔区和南沙区,白云区、天河区、海珠区水资源生态足迹较小。各区人均水资源承载力分布为:从化区>增城区>花都区>南沙区>黄埔区>番禺区>中心区。根据分析结果,建议广州各行政区根据政府规划,结合水资源实际分布与利用状况,进行产业升级,提高用水效率,实现水资源可持续利用。

中山市滨江临海,河网密布,易受台风、暴潮、洪水等影响。针对中山市超标准洪水防御问题,系统分析了防洪现状和短板,并以问题与目标结合为导向,结合国外应对超标准洪水的经验,因地制宜且有针对性地从防洪理念、工程措施、非工程措施以及应急措施4个方面进行研究,提出巩固堤防、整治河道、河口建闸、构建流域精细化预报调度模型、开展堤围闸泵库联合调度、加强风暴潮及海洋水文监测能力等超标准洪水防御策略,对解决中山市超标准洪水防御突出短板具有一定的指导意义。

澳门特别行政区地处珠江出口,属于典型的滩涂地,从1840年的2.78 km²扩充至现时超过32 km²土地,均由填海而来,是世界上填海造陆比例最高的区域之一。通过回溯澳门特别行政区填海造地历史,审视水域水质现状,挖掘海域发展的现存问题,提出了需统一设立主管的行政架构,加强排污管制,改善雨污分流处理和排放能力,建立排污许可制度,促进区域法制合作及联动执法,构建数据平台,实现多方数据融合等措施,以实现海域预先规划、问题科学决策,从而达至向海而生,提高澳门特别行政区防洪防潮的抗灾能力,更好地服务澳门特别行政区海域发展及多元化经济建设的目的。

基于伶仃洋河口湾控制站点历年设计频率潮位、风暴潮增水统计、上游洪水来流等分析显示,伶仃洋海域近年0.5%~2.0%设计频率潮位抬升幅度为0.2~1.0 m,风暴潮极值增水都在2.5 m以上,现状相邻设计频率的潮位差不超过0.2 m,风暴潮极值增水与洪水基本不遭遇,与天文潮中潮遭遇概率最大。因此,针对设计频率潮位在河口海域应用中存在相邻频率潮位差过小、强台风期间潮水位跳频严重、不能直接体现风暴潮极值增水在海堤高程设计中的主导作用等问题,提出了海堤风暴潮安全设计潮位的概念,由海域多年平均高潮位与风暴潮最大极值增水叠加组成,概念清晰,使用简单,突出海堤抵御风暴潮灾害的主要功能,计算值与伶仃洋口门、狮子洋及三角洲网河区主要站点2020年复核后的100~200年一遇设计潮位较为接近且略大,证实了其安全可靠,初步分析认为2020年复核后的赤湾站设计频率潮位成果偏大。海堤安全设计潮位的概念可推广应用在海堤达标加固设计、海堤风暴潮安全风险评估以及风暴潮灾害预警及应对等领域。

为研究全风化软岩填料的电阻率特性,对其开展不同粒径和不同级配的室内试验,探明含水率、粒径和粗颗粒含量等因素对风化软岩填料电阻率特性的影响。试验结果表明:全风化软岩填料颗粒粒径越大、粗颗粒含量越多越不容易导电,全风化粉砂岩导电性略低于全风化泥质砂岩。总体来说电阻率随含水率的增大而减小,其下降趋势大致分为3个阶段,即快速下降、缓慢下降和平缓稳定阶段。全风化泥质砂岩填料的电阻率与其粗颗粒含量有关,当含水率小于14%时,粗颗粒含量对电阻率产生较大影响。土体电阻率与含水率之间呈幂指函数相关,并初步揭示了土体电阻率与干密度、含水率、粗颗粒含量之间的联系,为全风化软岩填料路基填筑及其压实质量检测提供理论依据。

为方便对现行水利行业溢洪道设计规范中宽顶堰流量系数表格的使用,采用二元有理函数逼近对现行水利规范表格数据进行拟合得到宽顶堰流量系数公式。将拟合公式与现行电力规范公式进行验证比较,结果显示拟合公式计算结果优于电力规范公式;经比较拟合公式及电力规范公式误差指标,拟合公式在r/H各取值下各误差指标均在较优的范围内,而电力规范公式仅在r/H≥0.20时各误差指标偏离最优值较小;应用拟合公式计算某水库溢洪道宽顶堰在不同圆角半径时一系列堰顶水头对应流量系数,并对计算结果进行分析,结果表明在工程设计中可用拟合公式替代查水利规范表格确定宽顶堰流量系数。

排水效果评估是海绵城市建设的必要环节,城市雨洪模型则是评估工作的重要支撑工具。以北京市某小区为例,基于一二维耦合的城市雨洪模型构建了研究区域精细化排水模型,模拟分析了海绵化改造方案实施前后小区降雨径流、排水和地表积水等要素的变化情况。结果表明构建的排水模型可以较好地反映小区排水现状,拟定的排水系统海绵化升级改造方案可以有效地改善研究区域的排水情况,管网溢流和地表积水情况明显减少。研究结果可为排水小区管网水力状况数值分析及海绵城市建设与管理提供一定的技术参考。

受防波堤建设影响,半封闭式港湾往往出现水体交换不畅,自净能力较弱的现象,为研究防波堤不同型式对湾内水动力环境的影响,以珠江河口典型的半封闭式港湾香洲渔港为例,计算分析全闭合式防波堤、不同开口宽度(20、40、60、100 m)的防波堤布置方案下,湾内水体交换条件及污染物输移扩散规律的差异。结果表明:与全闭合式防波堤方案相比,在设置20、40、60、100 m的开口宽度方案下,湾内水体半交换周期分别提高5.0、11.0、14.0、14.5 h。开口40 m以上的方案对水动力改善效果明显优于开口20 m的方案,但开口40、60、100 m的3个方案效果并无明显差异。考虑区域污染源输入的影响,防波堤开口设置方案下,开口附近水域的无机氮浓度增加0.2～0.4 mg/L,将进一步加剧湾内北部区域的无机氮污染压力,而南部区域水环境质量则因湾内水体交换能力加强而有所改善。

计划用水是合理开发利用水资源和提高水资源使用效益,促进节水型社会建设的有效途径,目前用水计划核定下达工作体系不完善,不符合当下节水优先、限额管理的要求。为分析取用水户用水影响因素,确定用水计划申请、下达与实际用水等多个方面的合理性,建立了用水计划合理性分析的多维指标体系,以贵州发耳电厂为对象进行了指标体系应用,通过用水总量、用水效率和用水效益3个维度的分析,认为电厂通过构建的以用水总量和用水效率2个维度为约束条件,用水效益维度为目标值的用水计划合理性分析,电厂2020年度用水计划合理。

漂卵砾石地层具有沿河流下游方向渗透性更强的特点,在垂直河流方向的防渗帷幕难以形成。为解决这一问题,对基于预埋花管技术的灌浆管进行定向机械改造,利用脉冲灌浆的有限能量,使浆液沿垂直方向渗流,做到方向可控;并对灌浆材料及工艺流程进行了优化,以一定压力和单段吸浆量2个指标作为灌浆结束标准,有效解决了漂卵砾石等大粒径地层传统灌浆方法难以起压、水泥耗费量大、浆液渗透路径通常向河流下游延伸等问题。灌浆试验表明,定向帷幕灌浆技术对大粒径占比多的漂卵砾石地层具有较好的适用性,经灌浆处理后透水性大幅降低,满足中低坝地基防渗要求,对类似工程具有参考意义。

采用Ansys有限元计算软件,以某框架梁为例,建立其有限元的三维模型,分别对框架梁在未加固的裸梁、普通碳纤维加固以及预应力碳纤维加固情况下进行了静力分析、模态分析以及时程分析,从而研究了纤维布加固框架梁的动静力特性。研究表明:碳纤维加固可以大幅提高框架梁的极限承载力,但是会相应地降低框架梁的延性;预应力碳纤维加固对框架梁的自振频率影响较大,大幅提高了框架梁的刚度;普通碳纤维加固几乎不能提高框架梁的抗震性能,而预应力碳纤维加固则可以大幅提高框架梁的水平抗震性能,在设计时要遵循“强柱弱梁”的抗震准则。

弧形闸门重力矩是影响启闭力的重要因素。从理论上推导了弧门重力、重心和重力矩的解析公式,分析了确定弧门重心的2个参数(半径r_G、倾角θ_G)对启闭力的影响,在此基础上提出了计算弧门重心的简易法,并结合潘口水电站溢洪道和泄洪洞弧门验证了其合理性和优越性。研究结果表明:与经验公式和三维模型的计算结果相比,组合法和旋转法兼具高精度和通用性强突出优点;旋转法比组合法计算更简便,是弧门重心较优的计算方法;重心2个参数中,半径r_G误差对弧门启闭力影响较大,倾角θ_G误差对弧门启闭力影响较小;简易法适用于无局部加重块的弧门,可以克服旋转法计算复杂的缺点;设计中应综合利用经验公式、旋转法及简易法各自的适用性和优点,以达到高精度高效率的目的。

根据中央关于统一规划体系、建立国土空间规划体系并监督实施的有关部署,更好解决水利规划编制基础资料不统一、水利规划提交成果格式不规范、多层级水利规划成果衔接与协调困难、水利规划成果聚合展示效果差等问题,利用大数据、3S、VR等新一代信息化技术,构建水利空间规划一张图平台,开发时空大数据门户、规划成果辅助审核、规划编制成果管理、规划聚合展示、统计与后评估等功能模块,实现在一张图上对水利规划数据的辅助审核、评估以及可视化表达,实现水利规划从规划编制-实施-后评估全生命周期的一体化管理,为“工作基从图上来、工作过程以图协同、工作成果到图上去”的水利空间规划业务目标提供关键技术手段,最终提升水利规划管理工作精细化、智能化水平。

根据流域水利管理工作需要和智慧水利建设要求,采用“共同建设、共享使用,业务化更新、集约化维护”的模式,在全国水利一张图基础上,构建“动态鲜活、三维立体、智慧使能、安全可靠”的流域水利一张图。通过数据、模型、平台、应用等领域的技术创新,指导珠江水利一张图建设实践,建成珠江流域一张图大数据中心、一张图服务云平台、一张图智能应用、一张图规范制度体系等,支撑多维信息查询与分析、专题应用快速搭建、基于统一地图的专业系统构建以及业务成果全聚合展示,促进数字孪生流域建设。