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南水北调中线工程规划中的几个问题内容摘要：摘要：在党中央、国务院的领导和关怀下，广大科技工持续进行了的南水北调前期工作，在大量的野外勘测和分析比较了50多种方案的基础上，获得了一大批富有价值的成果，最终形成了南水北调东线、中线和西线调水的“四横三纵”基本格局。
经党中央国务院审议并原则同意南水北调工程总体规划,举世瞩目的南水北调工程已由规划转入实施。
但对中线工程规划中的工程规模、分期实施和输水方式还有一些不同的看法，文章结合总体规划的研究情况对“中线工程规模、丹江口水库大坝加高和管道与明渠的比选”等问题谈了几点认识。
关键词：南水北调中线工程规划总体规划1中线工程规模对南水北调中线工程的规划目标与调水规模，有两种不同意见:一种认为目前我国的工农业用水已出现“零增长”，今后随着城市化水平的提高，仅仅是生活用水将有一定的增长，南水北调东线、中线工程的总调水规模只需30亿m3，只需60亿m3。
另一种认为黄淮海平原是国家的粮食基地，目前生态环境问题已经十分严重，不能只解决城市缺水，要求中线工程按调水145亿m3的规模一次建成。
经过反复的分析、研究，我们认为南水北调工程的根本目标是要改善和修复黄淮海平原的生态环境，近期应以解决城市缺水为主。
确定中线工程的规模应采取适度偏紧的方针。
所谓适度，就是要满足北方省市社会经济和环境的缺水需要，要有一定的规模，否则，南水北调工程就没有意义。
但长距离跨流域调水会打破原有的各种平衡，我们将要付出一定的代价才能建立新的平衡。
这次总体规划按照先节水后调水、先治污后通水、先环保后用水的精神，对中线工程进行分期建设，将一期工程调水量从145亿m3压缩到95亿m3，不是因为投资，主要是从促进调入区的节水和汉江中下游的生态环境考虑。
1.1南水北调中线第一期工程规模是经济社会环境的最低需求有些专家认为总体规划预测的城市需水量偏高（受水区城市需水量年平均增长率为5%）、节水潜力估计不足、污水再生利用量偏低，使工程规模偏大。
南水北调中线丹江口段水质安全评价模型研究引言南水北调中线是我国历史上最大的一项水利工程，其建设目的是解决中国北方地区严重的水资源短缺问题。
丹江口段是南水北调中线的源头，也是水资源调配的关键节点。
对丹江口段水质安全的评价和管理显得尤为重要。
本文旨在研究丹江口段水质安全评价模型，为保障南水北调中线的水质安全提供理论支持。
一、研究背景南水北调中线丹江口段的水质安全问题一直备受关注。
这里是长江的支流之一，上游受到农业、工业和城市化的影响，水质受到很多因素的影响。
水质安全的评价不仅关乎供水安全，也涉及到整个生态环境的保护和修复。
研究丹江口段水质安全评价模型对于调控水质、保护水资源、维护生态平衡具有十分重要的意义。
二、研究方法1. 数据收集我们需要对丹江口段的水质数据进行全面收集。
这包括水质监测数据、流域面积、降雨量、水文特征等因素。
也需要收集丹江口段周边工业排放、城市污水排放等相关数据。
这些数据是搭建评价模型的基础。
2. 数据预处理收集的数据需要进行预处理，包括数据清洗、异常值处理、数据标准化等，以保证数据的准确性和一致性。
3. 模型构建在数据预处理完成后，我们可以开始构建丹江口段水质安全评价模型。
模型的构建需要考虑多个因素，如水质监测指标、生态环境状况、人类活动影响等。
我们可以借鉴多种数学建模方法，如神经网络模型、灰色模型、支持向量机等，结合实际数据进行模型训练和验证。
4. 模型应用我们可以将构建好的模型应用到实际丹江口段水质安全评价中。
通过模型预测和分析，可以为水资源管理部门提供科学的决策支持，及时发现水质问题并采取相应的措施。
三、研究成果本研究采用多种数学建模方法构建了丹江口段水质安全评价模型，利用历史监测数据和实际情况进行了模型验证和评估。
通过模型分析，我们可以对丹江口段水质进行有效评价，并提出了一些相关的控制措施和管理建议。
我们通过模型分析发现，丹江口段水质受到了工业排放、城市污水排放和农业活动的影响，其中重金属、氮、磷等成分超标问题比较突出。
南水北调中线分布式水文模型构建的开题报告一、研究背景及意义随着中国经济的持续快速发展，水资源的供需矛盾日益加剧。
而南水北调工程作为中国政府重点推行的战略性工程之一，能够为北方缺水地区提供大量的水资源。
为了科学合理地规划南水北调工程的建设和运营，需要对南水北调中线的水文过程进行深入研究。
水文模型是研究水文过程的重要工具，在水资源管理以及水文预测和防洪减灾方面都有着重要的应用。
而分布式水文模型是一种较为先进的水文模拟方法，其能够对区域水文过程进行细致的刻画和分析，对于大规模管网系统的设计、运营、水资源规划等方面都具有重要的意义。
因此，建立南水北调中线分布式水文模型，对于科学预测南水北调中线的水资源供需状况，有效规划南水北调中线的建设和运营，具有重要的实践意义。
二、研究内容和技术路线（一）研究内容1.建立南水北调中线的区域地形模型（DEM）和土地利用模型（RUSLE模型），确定水文模型的空间尺度和物理参数；2.选择合适的分布式水文模型，如SWAT、WEP-L等，结合南水北调中线的水文特点进行参数化和改进；3.利用遥感和气象数据对南水北调中线的气象、补水等关键参数进行获取和预测，建立南水北调中线的水量模拟模型；4.基于模型模拟结果，对南水北调中线水文过程中的典型问题进行分析和预测，包括径流演变、洪水分析、水质分析等。
（二）技术路线1.数据采集与处理。
获取南水北调中线的GIS数据、遥感数据、气象数据等，建立DEM和RUSLE模型，获取流域物理参数和土地利用状况数据。
2.分布式水文模型选择。
比较Swat、WEP-L、PIHM等分布式水文模型的特点，选择适合南水北调中线的水文特征和数据要求的模型。
3.模型参数化和改进。
根据南水北调中线的水文特点和数据要求，进行模型参数化和改进工作，包括降雨、蒸散发等要素的处理，对模型的物理过程进行改进，并建立新的计算公式。
4.水资源数据获取和预测。
利用遥感和气象数据，在时间和空间上对水资源进行数据获取和预测，建立南水北调中线水量模拟模型。
南水北调中线明渠工程服役性态综合评价方法
张伟;万耀强;秦向南
【期刊名称】《人民黄河》
【年(卷),期】2023(45)3
【摘要】为实现南水北调中线输水工程的安全运行和长效服役,规避明渠异常状态给整个输水工程的服役性态造成影响,针对明渠工程评价指标的模糊性以及单一评价方法的片面性,利用目标分析法构建了输水明渠工程服役性态评价指标体系,基于可拓理论对传统的层次分析方法进行区间化,提出了改进可拓层次分析模型,用于指标主观权重的确定,与客观权重进行融合,并将模糊综合评价法和灰色聚类评价法进行优势组合,构建输水明渠服役性态的灰色-模糊评价模型。
以南水北调中线某明渠工程段为例,应用建立的方法和模型对其进行服役性态评价,评价结果证明了该方法和模型的有效性及实用性,可为南水北调中线明渠工程的运维提供依据。
【总页数】5页(P156-160)
【作者】张伟;万耀强;秦向南
【作者单位】南水北调中线干线工程建设管理局河南分局郑州管理处;郑州大学水利科学与工程学院;河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TV62
【相关文献】
1.南水北调中线穿黄工程南岸明渠高边坡稳定性研究
2.南水北调中线明渠工程运行风险评价方法研究
3.南水北调中线一期总干渠明渠渠道工程设计有关问题的探讨
4.南水北调中线穿黄工程南岸明渠降排水设计与施工
5.南水北调中线京石段应急供水工程之保定段输水明渠
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水质模型的分类及研究进展王海涛;金星【摘要】模拟和预测水质参数的变化趋势对环境污染的预防和治理十分重要,水质模型是利用物质和能量守恒原理预测水质变化的有效工具.本文论述了水质模型的发展趋势和重要性,依据不同标准对水质模型进行分类,详细分析目前国际上应用比较广泛的水质模型系列和发展现状,展望未来水质模型和信息及与卫星技术结合的发展趋势.【期刊名称】《水产学杂志》【年(卷),期】2019(032)003【总页数】5页(P48-52)【关键词】水质;模型;水质模型;发展趋势【作者】王海涛;金星【作者单位】中国水产科学研究院黑龙江水产研究所,黑龙江哈尔滨 150070;中国水产科学研究院黑龙江水产研究所,黑龙江哈尔滨 150070【正文语种】中文【中图分类】S949;X832海洋、河流、湖泊、水库等水体是维持生物生存的基础物质水的来源，也是地表热量传递的重要一环，担负着保持地表温度的重任，在地球生物的繁衍生息和进化中也扮演了十分重要的角色。
随着人类文明的发展，尤其是工业革命以后，这些水体的水越来越多地作为工业的生产材料或降温等作用的辅助材料，生产和生活的废物也排放到这些水体中，使水质发生了变化，甚至污染[1-3]。
21世纪以来，工业用水需求的增加促进了水污染的修复和预警技术迅速发展。
相对于修复技术，能预判水质变化，尽早做出应对措施的预警技术吸引了科学界的注意，水质变化预测和模型因此快速发展起来。
Reder等[4]认为，水质模型能被用来分析污染物排放量和受纳水体水质的关系，预测水质的变化趋势，为水域管理部门提供技术支持。
本文通过分析水质模型的种类，阐述水质模型的发展现状，预测水质模型的发展趋势，以期为水质模型研究提供参考。
1 水质模型的种类自第一次发现水污染开始，人类就试图用简单的模型预测和模拟水质变化情况，所以水质模型发展历史悠久，种类也很多。
按照不同的分类标准，把水质模型进行分类[5,6]。
如按照变量的确定性来分类，可分为确定性模型、混合性模型、随机性模型；按照模拟空间性质来分，可分为零维模型、一维模型、二维模型、三维模型；按照评估水域来分，可分为河流模型、湖泊模型、海洋模型、河口模型；按照对水质变化的了解程度可分为，黑箱模型、白箱模型、灰箱模型；按照模型参数的性质来分可分为物理模型、化学模型等（表1）。
MIKE11水动力水质耦合模型在北方某水源地治理工程的应用俞云飞;赵文婧;李云霞;张扬【摘要】针对近年来水源地周边污染源威胁到供水安全的问题,采用MIKE 11模型软件建立水动力水质耦合模型,以我国北方某水源地为例进行了水质趋势变化模拟,并对治理方案实施后的效果进行了预测,为论证实施的水源地综合整治措施有效可行提供技术支撑.【期刊名称】《水利水电工程设计》【年(卷),期】2016(035)003【总页数】3页(P26-28)【关键词】水源地;水动力;水质;模型;应用【作者】俞云飞;赵文婧;李云霞;张扬【作者单位】中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222;中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222;中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222;中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222【正文语种】中文【中图分类】TV213近年来，随着经济社会的快速发展、国家城镇化进程的进一步加快，城市水源地周边的环境问题日益严重，给供水水质安全带来较大的潜在威胁，水源地综合治理已经迫在眉睫。
治理方案的规模及效果论证是工程论证的必要条件，目前，运用成熟的MIKE、QUAL和WASP综合水质数学模型软件已成为研究该类问题的主要手段。
本文采用MIKE11模型建立水动力水质耦合模型并对水质污染问题进行预测，为论证实施的水源地综合整治措施有效可行提供技术支撑。
本次重点研究我国北方重要水源地潘家口、大黑汀水库水源地（以下简称“潘、大水源地”），它是引滦工程的主体水源工程，担负着天津、唐山两市的城市生活及工农业生产用水，因此，保护好水库的水质，做好水污染防治工作，对津、唐两地人民的生产和生活具有深远的影响。
水库位于河北省迁西县的滦河干流上，水源地地跨河北省兴隆、宽城、承德、迁西4县，控制流域面积33 700km2，占滦河流域总面积的75% ，总库容为2 913亿m3，多年平均库容为24.5亿m3，为多年调节水库。
南水北调中线水源地饮用水源保护区划分研究邢领航;范治晖;陈进;黄国兵;高勇【摘要】丹江口水库水质安全是南水北调中线工程的生命线，开展中线水源地饮用水水源保护区划分是“一库清水”永续北送的重要保障，也是中线工程成功的关键之一。
针对中线水源地特点，以南水北调中线陶岔渠首为核心开展了保护区划分工作，在分析国内外保护区划分成功经验的基础上，提出了南水北调中线水源地饮用水水源保护区划分的基本原则和方法。
结合丹江口水库分流情况、污染源对调水水质的影响以及污染物浓度年龄时空分布特征等，采用类比经验法、不利排污情景法以及应急响应法等3种方法，提出了中线水源地一级保护区水域范围。
在此基础上，应用饮用水水源保护区划分技术规范推荐方法，辅以GIS技术，分别划分一级保护区陆域范围、二级保护区范围以及准保护区范围，并对各方案进行了分析比较。
研究成果有利于协调周边省份和地区的水环境保护管理，推动水源保护立法，为南水北调中线供水水质长期稳定达标提供重要保障，体现新时期“水生态文明建设”理念。
%The water quality safety of Danjiangkou Reservoir is the lifeline of Middle Route Project of South to North Water Di-version. Therefore, to carry out the drinking water source protection zoning is an effective way to guarantee the sustainable diver-sion of clean water to the north, which is one of the keys to the success of the project. Aiming at the special characteristics of wa-ter sources protection areas, the protected areas around Taocha channel head are considered as the core zone, then the basic prin-ciples and methods of the drinking water source protection area division are proposed by referring to the experiences at home and abroad. By combining with the diversion situation of Danjiangkou Reservoir, suchas the impact of pollution on water quality and the spatial and temporal distribution of pollutant concentration age, etc. , the primary drinking water source protection areas are divided by using three methods including the experience analogy method, the unfavorable scenario method of pollutant discharging and emergency response method. On this basis, combining with GIS technology, the primary drinking water source protection are-as, the second drinking water source protection areas as well as quasi-protected areas are divided by using the recommended method from drinking water source protection zoning specifications. The division programs are compared. The results will be ben-eficial to water environmental management coordination of related regions and helpful to the promotion of water protection legisla-tion and also provide guarantee for the qualified water quality of Middle Route Project of South to North Water Diversion in long run, which embodies the concept of "water ecological civilization" in the new era.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2015(000)019【总页数】7页(P83-89)【关键词】饮用水水源保护区划分;应急响应;污染物浓度年龄;丹江口水库;南水北调中线工程【作者】邢领航;范治晖;陈进;黄国兵;高勇【作者单位】长江科学院水力学所，湖北武汉430010;国务院南水北调工程建设委员会办公室环境保护司，北京100000;长江水利委员会长江科学院，湖北武汉430010;长江科学院水力学所，湖北武汉430010;三峡工程鱼类资源保护湖北省重点实验室，湖北宜昌443100【正文语种】中文【中图分类】X521 研究背景丹江口水库作为全国最大的饮用水源保护区，对水质的要求极高，确保一江清水向北流，是南水北调中线工程成败的关键。
第34卷第6期2023年11月㊀㊀水科学进展ADVANCES IN WATER SCIENCEVol.34,No.6Nov.2023DOI:10.14042/ki.32.1309.2023.06.008输水渠系水动力数字孪生模型糙率估计方法管光华1,刘王嘉仪1,陈晓楠2,史良胜1(1.武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室,湖北武汉㊀430072;2.中国南水北调集团中线有限公司,北京㊀100038)摘要:为提高水动力数字孪生模型校正环节中糙率估计的实时性和精细化,考虑糙率值在渠道纵向上的空间变异性,提出基于水力半径变化和估计精度分段估计糙率的思路;基于渠道分段,提出独立估计法和联合估计法2种不同估计框架㊂基于有限的观测水位,在框架内应用集合卡尔曼滤波算法,在线估计各渠段的糙率值㊂结果表明:相比未分段时,2种估计方法可提高模型精度20%~50%,独立估计法误差累积小,适合复杂渠系;而联合估计法适用于观测量缺失的简单渠道㊂研究成果可服务于水动力数字孪生模型的参数估计和变量更新,为建设数字孪生水网提供参考㊂关键词:糙率;输水渠系;数字孪生;南水北调;集合卡尔曼滤波;分段估计中图分类号:TV133㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1001-6791(2023)06-0901-12收稿日期:2023-06-05;网络出版日期:2023-10-24网络出版地址:https :ʊ /urlid /32.1309.P.20231024.0929.002基金项目:国家自然科学基金资助项目(51979202;51879199)作者简介:管光华(1979 ),男,江苏阜宁人,副教授,博士,主要从事灌排自动化及输水调度管理研究㊂Email:GGH@随着物联网㊁大数据等信息技术的发展,数字孪生技术在水利领域的应用为输水渠系智能管理提供了新思路[1]㊂数字孪生技术可使得水动力模型的状态变量在线更新,从而对渠道系统的实时状态进行高精度的监测和预测[2]㊂基于上述特性,研究指出,实时校正是数字孪生模型中必不可少的环节,尤其是模型参数的估计[3]㊂糙率是一维水动力模型中的重要参数,所以构建和校正水动力数字孪生模型时,输水明渠中糙率实时准确的估计十分重要㊂基于观测手段和智能算法的发展,国内外大量研究将实测数据与智能算法相结合以实时更新糙率值㊂李光炽等[4]用卡尔曼滤波求解糙率,提高仿真水位精度;Lai 等[5]应用集合卡尔曼滤波(EnKF)算法将糙率与水力变量都视作状态量同步进行更新,考虑观测误差的不确定性,进一步提升模型精度㊂类似地,扩展卡尔曼滤波㊁神经网络也被用于糙率的实时估计和校正[6-7]㊂徐兴亚等[8]采用粒子滤波方法同化观测水位,有效校正糙率以提高实时洪水预报的精度;王麟等[9]通过神经网络建立糙率与水力要素的关系,从而有效预测人工明渠的糙率变化㊂这些算法可实现在线校正,且结果准确性较高,能克服传统拟合和反演方法计算效率低㊁数据量需求大的问题㊂然而,大部分研究均假定在2个观测点位之间的渠段内,糙率沿纵向是恒定值㊂这个假定偏离了糙率会因环境而变化的情况,从而导致水力模型的仿真误差[10]㊂针对这个问题,陈一帆等[11]以空间分布平滑性作为糙率反演的条件,可同时提高计算的稳定性和精度;高学平等[12]对河道横断面进行分区,并计算等效糙率;Attari 等[13-14]将渠道随机分为若干段,利用迭代寻优的方法确定各渠段的长度和糙率值,进一步得到糙率的沿程分布㊂但是,上述研究多采用随机或假定分段,并未结合影响糙率的水力因素㊂基于以上问题,本文针对实时的糙率分段估计,提出新的分段思路,同时考虑影响糙率的水力因素和估计结果的数值稳定性;为实现数字孪生校正环节的实时性,高效同化观测数据,提出2种采用EnKF 的糙率估计框架;以不同方式结合未测量断面的水位估计和各渠段的糙率估计,分别命名为独立估计法和联合估计902㊀水科学进展第34卷㊀法;以南水北调中线工程京石段为例,分析2种框架各自的效果和适用性㊂其中,联合估计法参考文献[15],将水位与糙率的估计过程进行嵌套㊂1㊀渠道水动力数字孪生模型如图1所示,渠道系统的水动力数字孪生模型应包含4个阶段[16],分别为数据预处理㊁仿真预热㊁模型校正和仿真预测㊂本文针对模型校正阶段,将水位和糙率都视为系统状态量,提出2种新的分段糙率估计框架,提供准确在线的参数估计方法;在仿真预测阶段,对比水力变量的预测精度,检验糙率分段估计方法的有效性㊂图1㊀渠道系统水动力数字孪生框架Fig.1Diagram of the hydrodynamic Digital Twin framework for canal systems1.1㊀数据预处理数据预处理针对实时的观测数据,包括识别并删除异常值㊁插值填充缺失值和去除噪声3个步骤㊂可结合数理统计和水力特征曲线拟合的方法检测异常值㊂当前成熟的去噪方法较多,类似有滤波器㊁时间序列分解等等,可根据实际情况进行选择㊂1.2㊀仿真预热模型的初始状态会影响后续阶段的仿真结果㊂为了降低模型前期的不稳定性,提高初始的仿真精度,需要在水动力数字孪生模型中设置预热阶段㊂在预热阶段,模型与渠道系统同步运行模拟,但不记录仿真结果且不调整模型,提高后续阶段仿真的可靠性㊂1.3㊀模型校正本文将糙率和水位视作状态量,并采用EnKF进行实时更新:水位估计的输入量为观测断面的水位,输出量是未测量断面的水位;糙率估计的输入量为断面间水位差,输出量为该段的糙率㊂EnKF每个时间步长更新一次状态量,时间步长等于传感器采集步长[17]㊂水位和糙率估计对应的关键变量和控制方程如表1所示㊂渠道系统的状态空间方程由一维圣维南(Saint-Venant,SV)方程的离散格式推导而来,由四点Preiss-mann格式求解[18],且忽略侧向入流的影响㊂㊀第6期管光华,等:输水渠系水动力数字孪生模型糙率估计方法903㊀表1㊀水位和糙率估计的输入、输出变量汇总Table 1Summary of input and output variables of water level and roughness estimations估计对象状态量观测量输入量控制方程水位Z j Z U ,Z DQ j SV 连续性方程糙率N j (n 2j )ZQ jSV 动量方程注:Z j 为各断面水位;Z U ㊁Z D 分别为渠首㊁渠尾断面处的观测水位;Q j 为各断面流量;n 为渠段糙率,如n j 为第(j -1)和第j 个断面之间渠段的糙率;N j 为n j 的平方; Z =Z j +1-Z j ,表示相邻两断面的水位差㊂㊀㊀假定相邻水位观测点之间的渠段分为m 段,则包括渠首㊁渠尾断面,共有(m +1)个分段断面㊂每个断面处的水位为状态量,基于离散的SV 连续性方程,则m 个水位状态方程和上游水位边界条件可构成状态空间方程组,如式(1)所示㊂Z k +1=ϕk Z k +U k +1+λ1,k +1yk=H Z k +ξ1,k{(1)式中:ϕk =1C 1C 1C jC jC mC m éëêêêêêêêêùûúúúúúúúú-1ˑ0C 1C 1C jC jC mC m éëêêêêêêêêùûúúúúúúúú;C j =B k ,j +12Δx j2Δtθ;U k +1=1C 1C 1C jC jC mC m éëêêêêêêêêùûúúúúúúúú-1ˑZ k ,1q 1+12Δx 1θ+1-θθQ k ,1-1-θθQ k ,2+Q k +1,1-Q k +1,2q j -12Δx j -1θ+1-θθQ k ,j -1-1-θθQ k ,j +Q k +1,j -1-Q k +1,j q m -12Δx m -1θ+1-θθQ k ,m -1-1-θθQ k ,m +Q k +1,m -1-Q k +1,m éëêêêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúúúú;H =1111éëêêêêêêêùûúúúúúúú(m +1)ˑ(m +1);B 为水面宽度,m;Z 为各断面水位,m;Q 为各断面流量,m 3/s;j 为断面序号;k 为时间序号;θ为时间加权系数,本文设为0.73; x 为分段区间长度,m; t 为计算时间步长,s;ϕ为状态转移矩阵;U 为输入项矩阵;λ1为水位状态预测中添加的白噪声;y 为观测变量,此处为各断面处水位值,m;H 为观测矩阵,由于状态变量与观测变量一致,则为单位矩阵;ξ1为观测噪声;q 为渠道旁侧单宽入流量,m 2/s,本文忽略故q 取为0㊂基于渠段沿程(m +1)断面的水位值,SV 动量方程可估计分段糙率㊂为便于建立状态空间方程,取糙率值的平方作为状态量㊂方程组包含m 段渠段建立的m 个动量方程,如式(2)所示㊂N k +1=N k +λ2,kf (Zk +1)=Z k +1,j +1-Zk +1k +1,j=φk +1N k +1+βk +1+ξ2,k +1{(2)904㊀水科学进展第34卷㊀式中:N k +1=(n k +1)2,n 为渠段糙率;βk +1,j=-Δx jg Δt e A k +1,j (Q k +1,j-Q k ,j )-αQ 2A()k +1,j +1-αQ 2A()k +1,jgA k +1,j;φ为观测矩阵,φk +1,j =-(|Q |Q )k +1,j (A k +1,j )2(R k +1,j )4/3Δx j ;α为动能系数,本文取α=1;A 为断面的过水面积,m 2;g 为重力加速度,m 2/s;R 为水力半径,m;λ2为糙率状态预测中添加的白噪声;f (Z )为观测变量,此处为相邻两断面的水位差,m;β为观测方程中的输入项;ξ2为观测噪声㊂对于不同断面处的流量输入值,本文仅考虑渠段沿程取水的影响㊂已知上游来流量和沿程各分水口的取水流量,各断面处的流量可由下式计算:Q j +1=Q j -Q out(3)式中:Q out 为各断面的分水流量,m 3/s,如果断面不处于分水口处,则Q out =0㊂观测数据较为充足时,分水流量值为分水口处的流量观测值㊂在分水口处流量计不足的情况下,则根据渠段进㊁出口流量假定取水流量㊂本文将渠段内分水总流量设置为渠段上㊁下游闸门处过闸流量之差,过闸流量为闸门处流量计采集的观测数据㊂当渠段内有多个分水口时,取水流量按分水口设计流量的比例进行分配㊂1.4㊀仿真预测在模型仿真阶段,取所有更新时刻糙率估计值的平均值作为参数输入一维渠道水力模型,对比不同参数下的模型误差㊂采用Preissmann 四点差分隐格式的离散圣维南方程求解非恒定流㊂模型的上游边界条件为流量 水位关系(Q =f (Z )),下游边界条件为动态水位边界(Z (t )),其值均为对应的观测数据㊂该水力模型以各时刻渠池的下游水位为输入值来校正模型仿真,预测上游的各断面水位㊂模型的校正间隔等于观测数据采集的时间间隔,且大于仿真时间步长,运算逻辑如下式所示:(Z u , ,Z j , ,Z m-1)=F (Z d ,q ,n ,Δt p ,ΔT ,Δs )(4)式中:F (㊃)为自校正水力模型的运行逻辑;Z u 和Z d 分别为各渠池的上㊁下游水位,m;Z j 为渠池内各断面的水位,m;Z m -1为渠池内最后一个待估计断面的水位,m;q 为分水口的取水流量,m 3/s;Δt p 为预测段的仿真时间步长,s;ΔT 为自校正时间间隔,s;Δs 为仿真空间步长,m㊂2㊀糙率分段估计方法2.1㊀渠道分段方法糙率的变化体现在过流断面水力半径的变化,与流量和水深的变化相关[19]㊂在人工渠道中,糙率值可能在2种节点发生变化:断面尺寸变化处和取水点㊂另外,分段估计糙率以断面间的水位差作为观测量,过小的水位差会导致数值计算不稳定以及估计值失真;过大的水位差则表示两断面相隔较远,估计的糙率分布偏离实际情况㊂渠道中断面水位差与断面间距相关,所以需要探究合适的分段长度㊂结合以上2点,本文提出同时考虑渠道节点和适宜分段长度划分渠段,整体流程如下㊂首先根据糙率估计值的方差确定适合分段长度㊂在已知上㊁下游观测水位的条件下,用未分段时整个渠段的糙率值推算渠道各断面的初始水位㊂整段糙率值可通过式(2)和EnKF 算法得到㊂由于观测量和输入量是随时间变化的,对应的水位差和糙率值是时变量㊂通过下式计算参数估计时期内糙率值的方差,以此确定分段长度,合适的水位差对应的糙率估计结果方差较小:V =1M n ðk Tk =1(n k -n )2(5)式中:M n 为校正段内糙率估计值的总数;k T 为估计期的计算时刻总数;n k 为第k 步的糙率估计值;n 为估计期内的糙率平均值㊂㊀第6期管光华,等:输水渠系水动力数字孪生模型糙率估计方法905㊀寻优过程中相邻循环之间设置的水位差关系和循环的终止条件如式(6) 式(7)所示:ΔZ r=ΔZ r-1+Δz(6)V r-V r-1ɤμ(7)式中: Z r和 Z r-1分别为在第r次和第(r-1)次循环中设置的水位差,m; z为水位差在下一个循环的增量,设置为2个相邻控制闸门之间水位差的5%,m, Z1= z;V r和V r-1分别为在第r次和第(r-1)次循环中糙率估计值的方差;μ为相邻循环之间方差差值的阈值,本文设置为10-7㊂循环终止时输出第r次循环中的 Z作为参考㊂为适应不同长度规模的渠池,合适的分段长度可在一定范围内选择,对应水位差在 Z r~ Z r+1之间,即分段长度在与之对应的 x r~ x r+1之间㊂采用人工渠道中常用的明渠渐变流公式将水位差转换为区间长度:-ΔZΔx=(α+η)Δv22g()Δx+Q2c2A2R(8)c=1n06R(9)式中:η为节点水头损失系数,此处忽略节点能量损失,故η=0;v为过水断面流速,m/s;c为谢才系数; n0为未分段时整个渠段的糙率估计值㊂该方法确定的分段长度可应用至同一渠道的不同渠段中,并且方法应在正常工况下使用㊂确定合适的分段长度后,可根据以下步骤划分渠道:步骤一:根据适宜的分段长度㊁断面尺寸变化处和分水口处预划分渠段,生成若干分段断面㊂步骤二:将相邻两断面之间的渠段距离设为 x j,适宜的分段长度用 x r表示㊂当 x jɤ0.5 x r时,则根据以下3种情况对断面进行适当的删减,其余情况则不进行进一步处理:(1)若分段区间两侧任一断面位于节制闸处,则删除断面变化和分水口处的断面,保留基于适宜分段长度而设置的断面;(2)若分段区间两侧任一断面因适宜长度而设置,则删除因适宜长度而设的断面,保留断面变化或分水口处的分段断面;(3)若分段区间两侧断面均处于断面变化或分水口处,则删除上游侧断面,保留下游侧断面㊂基于以上分段步骤,渠道可分为长度不等的若干渠段㊂一般地,模型校正期应处于同一工况下,故应用以上分段方案时,在糙率估计的过程中分段结果保持不变㊂当运行工况发生明显变化时,应重新进行模型校正,分段方案不变,由于观测数据和糙率方差可能有明显不同,分段结果也会发生相应变化㊂2.2㊀糙率估计框架受传感器数量的限制,大部分水位传感器仅设置在每个渠段的段首和段尾断面(节制闸附近),渠段中间断面的水位缺少直观测量㊂因此,在估计分段糙率值时,还需要估计未测量㊁处于中间断面的水位值㊂基于此需求,本文提出了2种不同的糙率估计框架,分别为独立估计法和联合估计法,2种方法的具体步骤如图2所示㊂为体现糙率估计值的物理意义,在2种框架中均设置约束糙率变化范围为0.012~0.025[20]㊂2.2.1㊀独立估计法对于水位㊁糙率这2个状态量的初始状态,本文提出初值的计算方式㊂初始糙率值为通过渠段上游端㊁下游端观测水位估计的整段糙率值,此时各段糙率值一致;初始水位则为由初始糙率值根据明渠恒定非均匀流方程推求的各断面水位㊂得到初始状态后,使用式(1) 式(3)和EnKF算法,估计各时刻的断面水位,而后再估计各时刻的分段糙率㊂水位和糙率值的估计是分别完成的,水位估计时仅引入下游断面水位观测值对水位进行更新估计,糙率更新值不参与水位计算㊂2.2.2㊀联合估计法联合估计法获得初始状态的步骤与独立估计方法一致,且同样基于式(1) 式(2)和EnKF更新状态量㊂906㊀水科学进展第34卷㊀图2㊀分段估计糙率框架示意Fig.2Schematic diagram of frameworks for segmented estimation of roughness二者的不同在于后续步骤:每个时间步长内,在水位估计时用糙率推求的水面线代替观测水位,由各分段断面的水位推算各分段糙率㊂该时刻的糙率估计值继而影响下一时刻的水位计算㊂水位与糙率估计嵌套循环,该过程中糙率的更新值参与水位计算㊂2.3㊀评价指标本文将独立估计法㊁联合估计法与未分段时EnKF 估计的糙率值用于水位仿真,比较3种糙率值对应的模型仿真精度㊂本文选用均方根误差(E RMS )㊁绝对平均误差(E MA )和相对平均误差(E MAP )衡量预测值与观测值的偏离程度,这3个指标常用来表示误差的离散程度和平均水平,与未分段相比,以E MA 的降幅作为本文方法改善模型精度的幅度[21]㊂另外,使用相关系数(R )衡量估计水位与观测水位的一致性,R 越接近1效果越好[21]㊂各指标计算公式如下:E RMS =1M Z ðM Zi =1(Z i ,o -Z i ,s )2(10)E MA =1M Z ðM Z i =1|Z i ,o -Z i ,s |(11)E MAP=1M Z ðM Zi =1Z i ,o -Z i ,sZ i ,o ˑ100%(12)R =ðM Zi =1(Z i ,o -Z o )(Z i ,s -Z s )ðM Zi =1(Z i ,o -Z o )2ðM Zi =1(Z i ,s -Z s )2(13)式中:M Z 为水位值数据点的总数;Z i ,o 和Z i ,s 分别为第i 个水位观测值和模拟值,m;Z o 和Z s 分别为水位观测值和模拟值的平均值,m㊂㊀第6期管光华,等:输水渠系水动力数字孪生模型糙率估计方法907㊀3㊀南水北调中线工程应用实例3.1㊀案例概况本文选取南水北调中线工程京石段内2个渠池(漠道沟节制闸 唐河节制闸段㊁唐河节制闸 放水河节制闸段)为研究案例,下文称为渠池1和渠池2,渠底坡降均为0.04ɢ㊂渠池1长为8.419km,断面尺寸的沿程变化较少,起点㊁终点底高程分别为66.321㊁65.998m;而渠池2长为25.567km,断面尺寸变化较多,起点㊁终点底高程分别为65.985㊁64.937m㊂2个渠池在长度和复杂程度上相差较大,以说明方法在不同规模渠段中的应用效果㊂案例具有以下特征:过水断面为梯形,渠底坡度平缓,无逆坡段;各渠池的蓄量较大,水位波动不显著;各渠池水面线趋于水平,即呈现下游水位高于上游水位的现象㊂渠池1仅在下游处设有1个分水口,渠池2在中游和下游处共2个分水口㊂由于缺乏水流量的实时记载,渠池2中各分水流量需要按照分水口的设计流量进行分配㊂本文将局部水头损失对水位的影响纳入糙率值中,且选取的案例不含大型渡槽㊁隧道㊁倒虹吸等大型过水建筑物,以降低建筑物带来的误差影响㊂渠道路线和渠池示意见图3,按上游至下游方向的断面相关参数变化见表2㊂图3㊀研究案例渠道示意Fig.3Canal diagram of the study case表2㊀渠段断面尺寸Table 2Geometric parameters of canal sections渠池断面类型底宽/m 边坡/m 渠池1116.5 2.5215.0 3.0渠池2121.5 2.5223.0 2.0321.5 2.5418.5 2.5521.52.5908㊀水科学进展第34卷㊀3.2㊀观测数据分别选取两渠段在2个不同时期内连续10d的水位㊁流量观测数据作为模型的输入值和对比值,传感器的采样间隔为2h㊂将10d的数据进行如下划分:第1天(0~24h)为模型的预热阶段;第2~4天(24~96h)为模型校正阶段,使用2种框架估计糙率值;第5 10天(96~240h)为仿真预测阶段,以估计期内的糙率平均值输入模型,模拟水位并和观测数据进行对比㊂2个时期分别命名为时段A和时段B:时段A的数据采集于2018年4月,平均水深约为4.0m,平均流量约为90m3/s,可视为正常流量规模的输水时期;时段B的数据采集于2019年10月,平均水深约为4.5m,平均流量约为115m3/s,为调水工程的高流量时期㊂以上调度过程中的观测数据均由南水北调中线建管局总调中心提供㊂对比2份数据样本,可说明本文提出的糙率估计方法在不同工况下的适用性㊂3.3㊀仿真设置仿真通过基于Matlab语言设计的输水渠道系统运行仿真与控制软件实现[22],利用四点差分隐格式求解圣维南方程组仿真渠道一维非恒定流的水动力过程㊂参数估计阶段的更新时间步长等于传感器采集间隔,皆为2h;模型仿真阶段的时间步长为20min,下游水位数据输入的时间间隔为2h,总仿真时长根据数据样本设定,为240h㊂2个阶段的空间离散步长皆为100m㊂4㊀结果分析及讨论根据2.1节的渠道分段方法,探究得到案例适合的分段长度在3000~4000m之间,该区间可适应案例工程中的不同渠池㊂渠池1长度较短,故选择3000m为分段参考;渠池2较长,则选择4000m为分段参考㊂综合考虑合适的分段长度和水力半径变化后,渠池1被分为3段,分别为3000㊁3000和2419m;渠池2被分为7段,分别为4000㊁4000㊁4200㊁3000㊁2500㊁4000和3867m㊂本节从流量数据影响㊁糙率估计值和模型仿真精度方面,对比2个框架的效果和适用性㊂4.1㊀流量数据影响对比流量数据作为水位㊁糙率估计的输入项,会显著影响估计结果㊂然而,现实中流量数据可能存在缺失或精度低的问题,所以本节选取有中㊁下游分水口的渠池2在时段A内的数据,分析2种估计方法受观测数据影响的程度㊂由于仅在渠池的上㊁下游断面(节制闸附近)设有水位传感器,故选取观测断面的相邻分段断面进行分析㊂渠池2共8个断面,本节选取上游观测断面的相邻分段断面,用2号断面表示;下游观测断面的相邻分段断面,用7号断面表示㊂从图4可看出,独立估计法得到的水位波动呈现变幅较大且不稳定的现象,水位估计值偏离真实状态;而运用联合估计法时,估计水位的波动更加平缓,变化趋势贴近相邻断面的实测水位㊂联合估计法的相关系数则明显大于独立估计法(R1表示独立估计法的拟合度,R2表示联合估计法的拟合度),且较接近1,说明水位与观测值变化更一致㊂水位估计的准确性和稳定性会直接影响糙率估计结果㊂由此可看出,独立估计法受数据影响明显更大,联合估计法能够在一定程度内隔离流量数据的不利影响㊂4.2㊀糙率估计结果对比针对渠池2的各段糙率值进行分析,从时间分布㊁空间分布的角度对比2种估计框架的糙率估计结果㊂中㊁下游2个分水口分别处于渠池2的第4段和第7段㊂4.2.1㊀时间分布表3展示了在估计期内各渠段糙率估计值的方差,方差越大则表示各时刻的估计值相差较大,反之则表示估计值越稳定㊂一般来说,短期内糙率值变化幅度较小,所以较稳定的结果可信度较高㊂由表3可知,在时段A,独立估计法的糙率方差基本小于联合估计法;在时段B中,二者估计的糙率方差相差不大,仅在㊀第6期管光华,等:输水渠系水动力数字孪生模型糙率估计方法909㊀图4㊀估计断面与观测断面水位变化趋势对比Fig.4Comparison of water level change trends in estimated and observed sections4号渠段相差较大,且独立估计法的方差明显小于联合估计法㊂2个时期内都出现4号渠段糙率方差较大的情况,其中时段A 中2种方法估计得到的方差几乎一致,原因可能是4号渠段内的分水口进行取水,渠段的上㊁下游断面流量作为输入项,其非恒定变化对估计结果影响较大㊂从糙率时间分布的方差来看,独立估计法的估计值总体上方差更小,在稳定性上更具优势㊂4.2.2㊀空间分布渠池2内各渠段的糙率估计值见表3㊂可见在时段A 内,各渠段糙率值分布范围为0.012~0.020;而在时段B 内,同一渠池内各段糙率值的分布范围更小,平均值更大,分布范围为0.015~0.020㊂随着时间的推移和环境㊁流态的变化,例如藻类生长或泥沙淤积,同一区域可能会出现糙率增大的情况[23]㊂并且参考相关文献[20],糙率估计值在大型调水工程中糙率的合理分布范围内㊂从空间分布的范围来看,2个方法在同一时期内的估计结果分布较为接近,仅在个别含有分水口的渠段中有所差别,说明2个方法皆较为合理,可使用在实际渠道中㊂表3㊀糙率值估计结果对比Table 3Model error of simulated water levels渠段号糙率值方差/10-7糙率值时段A时段B时段A时段B独立估计联合估计独立估计联合估计独立估计联合估计独立估计联合估计10.1340.7290.2670.2160.01870.01860.01990.019420.1690.4430.2330.1560.01430.01380.01720.016530.1660.4110.2180.1530.01420.01380.01650.01664 2.012 1.9970.861 2.5620.01850.01820.01520.019550.2690.3220.3170.1740.01510.01350.01840.015860.1920.4160.2700.2140.01260.01330.01550.017070.6460.9481.0400.7980.01410.01660.01850.01844.3㊀模型精度对比表4展示了模型仿真的上游水位误差㊂在2个时期的2个渠池中,本文提出2种方法的E MA 为2~4cm,E MAP 大多在1%以内㊂相较于无分段时EnKF 的估计值,误差的降幅大约为1~3cm,说明估计方法较为明显地降低了参数不准确带来的模型误差㊂另外,联合估计法的E RMS 普遍高于独立估计法,可知独立估计法误差分布区间更小,预测更稳定㊂表4对比了2种方法分别改善模型精度的幅度,总体达到20%~50%㊂在不同910㊀水科学进展第34卷㊀场景下,方法的性能表现并未出现明显的优劣倾向,可见本文提出的方法适用于南水北调中线工程中不同长度规模㊁不同流量规模的渠池㊂在大部分工况下,独立估计法的改善幅度高于联合估计法,在渠池1㊁时段B和渠池2㊁时段A这2组高出10%左右,所以独立估计法的仿真精度略高㊂原因可能是联合估计法中,水位估计与糙率估计嵌套,二者的误差相互影响和累计导致最终估计值对应的模型精度降低㊂表4㊀模型仿真水位误差Table4Model error of simulated water levels时段渠池E RMS/cm E MA/cm E MAP/%E MA改善幅度/%无分段独立估计联合估计无分段独立估计联合估计无分段独立估计联合估计独立估计联合估计时段A 渠池1 3.12 2.53 2.34 3.03 2.42 2.220.720.570.5320.1326.73渠池2 4.77 3.15 3.67 4.68 3.06 3.57 1.340.87 1.0234.6223.72时段B 渠池1 5.71 3.59 4.05 4.80 3.22 3.57 1.030.690.7732.9225.63渠池2 5.57 2.82 2.85 5.46 2.69 2.71 1.350.670.6750.7350.374.4㊀敏感性分析选取渠池1在时段A的数据样本,保持下游观测水位不变,人为修改上游观测量,改变水位差并计算各分段糙率值的变化幅度㊂表5反映出2种估计方法在同一种水位变幅下,糙率值变化无明显差异㊂当水位变幅绝对值为0.02m时,各段糙率值变化约为0.0004~0.0006;当水位变幅绝对值为0.05m时,糙率值变化约为0.0012~0.0015㊂水位值与实际观测值偏离越大,糙率变化值越大,这符合水力规律㊂各段糙率值变化幅度较为一致,且范围较小,说明本文提出的2种估计方法对水位输入值敏感性不高,表现较为稳定㊂表5㊀糙率值随水位输入值的变化Table5Change of the n value with the input value of the water level水位变化值/m独立估计法联合估计法第1段第2段第3段第1段第2段第3段0.020.000600.000540.000500.000460.000400.00051-0.02-0.00059-0.00056-0.00057-0.00061-0.00051-0.000570.050.001480.001360.001280.001500.001240.00136-0.05-0.00149-0.00140-0.00139-0.00153-0.00130-0.001435㊀结㊀㊀论针对水动力模型的实时校正问题,本文提出了2种分段估计糙率的方法:独立估计法和联合估计法㊂以南水北调中线的长距离输水系统为例,进行糙率分段估计的研究㊂主要结论如下:(1)本文提出的2个分段估计糙率方法可有效㊁实时地估计渠池中间未测量断面的水位和各渠段的糙率值,使得模型同步贴合系统的实际状态㊂处于合理范围内的糙率估计值体现该方法适用于类似南水北调中线的长距离输水系统㊂(2)相较于单一的经验值,使用EnKF的分段估计方法可有效提高一维水力模型的精度,改善幅度在20%~50%之间㊂且对于不同长度㊁不同流量的渠道,精度都有明显的提升效果,说明方法对南水北调中线等大型调水工程具有一定适用性㊂(3)本文对比所提2种估计方法,二者优势各有不同㊂独立估计法计算过程更稳定,误差累积程度更小,适用于复杂多渠池系统并行估计的情况,适合大型输水渠系;联合估计法受流量数据影响较小,水位估。
南水北调河南受水区供水配套工程总体设计理念苗红昌;张立春【摘要】南水北调河南省受水区供水配套工程涉及范围广,线路长短、供水目标、供水方式差异大,是一个庞大的系统工程.针对供水配套工程具体情况,论述了供水配套工程总体设计理念,重点提出了长距离、大流量、多目标及高扬程输水工程的布置设计思路;考虑了输水工程的设计流量、水位势能利用问题;确定了输水线路及输水方式及保证输水安全的措施,为供水工程设计提供参考.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2013(044)016【总页数】5页(P95-99)【关键词】城市供水;设计规模;输水方案;安全供水措施;南水北调中线工程【作者】苗红昌;张立春【作者单位】河南省水利勘测设计研究有限公司,河南郑州 450016;河南省水利勘测设计研究有限公司,河南郑州 450016【正文语种】中文【中图分类】TV671 工程概况南水北调中线工程河南省渠段主要由总干渠主体工程、总干渠分水口门至城市自来水厂入口之间的供水配套工程、城市水厂及管网工程3部分组成，应同步建成运行才能实现社会和经济效益最大化[1]。
供水配套工程建成后，将通过总干渠设置的38座城市分水口门向河南省11座省辖市和32个县(市)的74座城市水厂提供水量29.94亿m3，可极大改善省内受水城市水资源紧缺状况，对全省经济社会发展特别是中原城市群的经济发展发挥重要作用。
根据受水目标布局，布置了49条主干线41条支线，输水线路总长961.58 km。
输水形式分为涵洞输水、利用河道输水和管道输水3种，其中管道输水长942.72 km，涵洞输水1.86 km，利用河道输水15.45 km。
管材采用PCCP、PCP、玻璃夹砂管及钢管等。
输水管线共穿越河(渠)177处、各级公路282处、铁路45处；共设置各种阀件6 816台(套)，其中电动蝶阀250台，手动碟阀1 939台，空气阀1 470台，泄水阀486台，调流调压阀63台，流量计214套，伸缩器1 476套，水锤消除器167套。
第七章 一维非恒定河流和河网水量水质模型对于中小型河流，通常其宽度及水深相对于长度数量较小，扩散质（污染物质、热量）很容易在垂向及横向上达到均匀混合，即扩散质浓度在断面上基本达到均匀状态。
这种情况下，我们只需要知道扩散质在断面内的平均分配状况，就可以把握整个河道的扩散质空间分布特征，这是我们可以采用一维圣维南方程描述河流水动力特征或水量特征（水位、流量、槽蓄量等）；用一维纵向分散方程描述扩散质在时间及河流纵向上的变化状况。
特别地，对于稳态水流，可以采用常规水动力学方法推算水位、断面平均流速的沿程变化；采用分段解析解法计算扩散质浓度沿纵向的变化特征。
但是，在非稳态情况下（水流随时间变化或扩散质源强随时间变化）解析解法将无能为力（水流非恒定）或十分繁琐（水流稳态、源强非恒定），这时通常采用数值解法求解河道水量、水质的时间、空间分布。
在模拟方法上，无论是单一河道还是由众多单一河道构成的河网，若采用空间一维手段求解，描述水流、水质空间分布规律的控制方程是相同的，只不过在具体求解方法上有所差异而已。
7.1 单一河道的控制方程 7.1.1 水量控制方程采用一维圣维南方程组描述水流的运动，基本控制方程为：(1)023/422=+-++RQ u n g x Au x Z gA x Q u t Q ∂∂∂∂∂∂∂∂ (2) 式中t 为时间坐标，x 为空间坐标，Q 为断面流量，Z 为断面平均水位，u 为断面平均流速，n 为河段的糙率，A 为过流断面面积，B W 为水面宽度（包括主流宽度及仅起调蓄作用的附加宽度），R 为水力半径，q 为旁侧入流流量（单位河长上旁侧入流场）。
此方程组属于二元一阶双曲型拟线性方程组，对于非恒定问题，现阶段尚无法直接求出其解析解，通常用有限差分法或其它数学离散方法求其数值解。
在水流稳态、棱柱形河道条件下，上述控制方程组退化为水力学的谢才公式，可采用相应的方法求解水流特征。
7.1.2 扩散质输运控制方程描述河道扩散物质运动及浓度变化规律的控制方程为：带源的一维对流分散（弥散）方程，形式如下：S S h AKAC x c AE x x QC t AC r x ++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+∂∂∂∂∂∂∂∂)()( (3) 式中，C 为污染物质的断面平均浓度，Q 为流量，为纵向分散系数，S 为单位时间内、单位河长上的污染物质排放量，K 为污染物降解系数，S r 为河床底泥释放污染物的速率。
第3卷第5期2021年5月Vol.3No.5May2021环境生态学Environmental Ecology南水北调中线工程渠首增调水对水质影响分析杨孩1，王小军1，张俊2,徐铭霞2,段茂庆"(1.南水北调中线干线工程建设管理局渠首分局水质监测中心，河南南阳473000；2.生态环境部海河流域北海海域生态环境监督管理局生态环境监测与科学研究中心，天津300170)摘要:南水北调中线工程是世界上最大的引水工程之一，其渠首被誉为“天下第一渠首”。
通过阐述南水北调中线工程渠首主要化学指标水环境质量状况,系统分析流量与水质之间响应关系。
结果发现,渠首水环境质量处于较好水质状况，其中，高锰酸盐指数、叶绿素a以及藻密度3个指标呈现出较为明显的同源性,且由水质水量同步监测历史数据与增调水期间加密监测数据分析结果可知,流量的增加导致渠首高锰酸盐指数、叶绿素a以及藻密度浓度的上升。
因此,建议在增调水期间持续关注3个指标浓度变化情况，必要时进行渠首底泥清淤作业,以保证供水区域用水安全与质量。
研究结论对南水北调中线工程渠首调水实施方案具有一定的实践指导意义。
关键词:南水北调;水质;Pearson相关性;突变性检验中图分类号:X52文献标识码:A文章编号：2096-6830(2021)05-0019-06Analysis on the influence of water transfer from the head of the Middle Route Project of South to North on water indicator. YANG Hai1,WANG Xiao-jun1,ZHANG Jun2,XU Ming-xia2,DUAN Mao-qing2*(1.Canal Head Branch Water quality Monitoring Center of Construction and Administration Bureau of South-to-North Water Diversion Middle Route Project,Nanyang473000,China；2.Center of Eco-environmental Monitoring and Scientific Research,Administration of Ecology and Environment of Haihe River Basin and Beihai Sea Area,Ministry of Ecology and Environment of People's Republic of China,Tianjin300170,China).Environmental Ecology, 2021,3(5),19~24.Abstract：The Middle Route Project of South to north water diversion is one of the most magnificent water diversion projects in the world,and its canal head is known as“the first canal head in the world”.In this paper,the main chemical indicators of the head of the Middle Route Project of South to north water diversion are described,and the response relationship between flow and water quality is analyzed systematically.The results show that the head water quality is in a good level,among which the permanganate index,chlorophyll a and algae density show obvious homology,and are determined by the historical data of water quality and quantity monitoring,the results of intensive monitoring data analysis during the period of increasing water diversion show that the increase of flow leads to the increase of permanganate index,chlorophyll a and algae density concentration at the head of the canal.Therefore,it is suggested that attention should be paid to the concentration changes of the three indicators continuously during the period of increasing water diversion,and dredging operation should be carried out when necessary,so as to ensure the water safety and quality in the water supply area.T he conclusion of this paper has a certain practical significance for the implementation scheme of Head work water transfer in the middle route of South to North Water Transfer Project.Key words:South-to-north water diversion；water quality；Pearson correlation；Mann-Kendal test丹江口水库为南水北调中线工程的源头，在丹江口水库东岸河南省淅川县九重镇境内的工程渠首开挖干渠'用水调度权属国务院南水北调办'被誉为 “天下第一渠首”。
《河南水利与南水北调》2023年第11期南水北调南水北调中线总干渠采空区变形监测方案及成果李承骏（河南省水利水电工程质量安全中心，河南郑州450003）摘要：南水北调中线总干渠禹州段是全线唯一穿越煤矿采空区的渠道，采空区渠道的稳定性问题是南水北调中线总干渠的重大工程技术问题之一。
文章介绍了南水北调中线总干渠禹州采空区的变形监测设计方案，从煤矿采空区、采空区渠道两个方面，从表面变形监测、内部变形监测两个角度深入分析监测成果，总结禹州采空区渠道的运行状况，为渠道安全评估提供可靠的数据支撑，为南水北调后续工程、以及类似穿越采空区的工程设计、建设与管理提供了依据和参考。
关键词：南水北调；采空区；变形监测中图分类号：TV68；TV698.11文献标识码：B文章编号：1673-8853（2023）11-0044-020引言禹州煤矿采空区广义上是指南水北调中线总干渠穿越禹州煤矿采空区的范围（以下简称禹州矿区），狭义上是指禹州采空区渠道工程（以下简称采空区渠道）。
文章总结了南水北调中线总干渠穿越禹州煤矿采空区各个变形监测项目的设计方案，基于监测方法符合规范、监测成果满足精度的基础上，不再赘述监测数据采集过程，直接分析监测成果，总结南水北调穿越禹州采空区渠道工程的运行状况和工程的安全性。
1禹州矿区变形监测1.1禹州矿区概况南水北调中线总干渠在河南省禹州市西南约7km 处三峰山周边穿越禹州煤矿采空区，该段工程主要穿越原新峰矿务局二矿、禹州市梁北镇郭村煤矿、梁北镇工贸公司煤矿和梁北镇福利煤矿等4个采空区，采空区渠道全长3.90km ，地面高程123～145m ，浅层地下水埋深8～12m ，采空区埋深多为100～269m 之间，采空区基础处理已采取基础灌浆措施。
1.2矿区变形监测设计方案禹州矿区变形监测（2010年4月至2017年4月）跨越建设前期、建设期（2010年9月至2014年4月）、运行初期，变形监测项目设计包括表面变形监测和内部变形监测。
复杂河系的一维水动力模型构建及应用研究本研究旨在构建一维水动力模型，分析复杂河系的水流运动规律，探究河道水文变化对水资源管理和生态环境保护的影响。
首先，搜集了河道的水文地理数据，包括河道形态、流量、水位、水质等信息，建立了一维水动力模型。
该模型采用数值计算方法，考虑了河道中的横向水平动量平衡、纵向水平动量平衡、横向水动力平衡等因素，能够较为准确地模拟河道中的水流运动规律。
然后，通过对不同条件下的模拟，分析了河道水文变化对水资源管理和生态环境保护的影响。
结果表明，河道水位和流量的变化会对河道生态环境和水资源供应带来明显的影响，需要采取相应的调控措施。
最后，结合实际案例，验证了该模型的可靠性和适用性。
本研究为河道水文变化的预测和管理提供了一种有效的方法和技术支持，具有一定的实用价值和理论意义。
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项目名称：南水北调中线工程水源地水环境及保护技术完成单位：中国科学院武汉植物园、长江水资源保护科学研究所主要完成人：张全发、李思悦、尹炜、刘文治、谭香、卜红梅、程晓莉、党海山、王伟波、贾海燕提名者：湖北省科学技术厅. 提名意见南水北调中线工程水源地的水环境保护是面向国家重大需求且亟待解决的关键性科技难题。
该项目以丹江口水库及汉江上游的水污染防控和生态环境改善为目标，创造性地将水库河流流域视为一个有机整体，开展大型水利工程形成的“蓄水河流”的水环境研究与保护技术研发。
该项目从流域尺度上系统分析了中线水源地水环境的时空变化格局，确定了水源地主要污染物及关键污染区域，明确了自然过程和人类活动对主要污染物浓度的影响，揭示了氮磷营养盐的主要来源及迁徙转化规律。
该项目制定了中线水源地库周生态系统分区保护的实施方案，创建了丹江口水库“三带”生态屏障建设技术体系，研发了农村、农业面源污染和坡地土壤侵蚀阻控关键技术，发明了河道、河岸带和水库消落区湿地植被的快速恢复技术，在技术创新性、系统性和实用性等方面取得了原创性突破。
该项目已获得国家专利授权项，共发表学术论文篇，获得省部级科技奖励二等奖项。
项目成果总体上达到国际先进水平，并已在南水北调中线水源地水环境保护、小流域治理和退化生态系统恢复工程的规划、设计、建设和运行管理中广泛推广应用，取得了非常显著的社会、生态环境和经济效益。
我单位仔细审阅了该项目推荐书及附件材料，确认全部材料真实有效，相关栏目均符合国家科学技术奖励工作办公室的填写要求。
对照国家科学技术进步奖授奖条件，提名该项目为国家科学技术进步奖二等奖。
. 项目简介南水北调中线工程是实现我国水资源整体优化配置、改善华北地区生态环境的重大战略性工程，总投资超过亿，已于年月日正式通水。
水源地（丹江口水库和汉江上游）水环境质量是决定中线工程能否长期安全运行的关键。
针对中线工程水源地水环境保护的国家重大需求，本项目创造性地将河流水库流域视为一个复合生态系统，开展了十余年的中线工程水源地水环境的基础研究、保护技术研发和推广应用工作，并在理论创新性、技术实用性和工程应用等方面取得了重要突破。
水利水电技术第50卷2019年第2期易雨君，唐彩红，张尚弘.南水北调中线工程典型渠段一维水动力水质模拟与预测[J].水利水电技术，2019,50(2)：14-20.YI Yujun,TANG Caihong,ZHANG Shanghong.One-dimensional hydrodynamic simulation and water quality prediction of typical channel of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2019,50(2):14-20.南水北调中线工程典型渠段一维水动力水质模拟与预测易雨君I,唐彩红I,张尚弘2(1.北京师范大学水沙科学教育部重点实验室，北京100875； 2.华北电力大学可再生能源学院，北京102206)摘要：为了研究南水北调中线工程复杂水工建筑物影响下的水流特性以及对污染物在渠道内输移、衰减过程的影响，保证输水过程中的水质安全，分析了突发性污染事故潜在污染源特征，构建了南水北调中线工程典型输水渠段的一维水动力水质模型，模拟倒虹吸、节制闸、涵洞、隧洞、渡槽、公路桥6种水工建筑物影响下输水渠道内的水流特性，采用七里庄断面实测水位、流量、水质(总磷、氨氮)数据对模型进行了校核与验证；并运用该模型预测店北公路桥突发水污染事故时，3种输水流量、3种负荷、3种污染物泄露至渠道后污染物沿程分布规律。
结果表明：该模型能有效模拟复杂水工建筑物下的水动力和污染物输移特性，下车亭分水口处污染物浓度超标与否受输水流量和污染负荷共同影响。
针对分水口处水质指标浓度变化，提出合理、有效分水和退水方式，为保障南水北调中线工程输水水质安全提供参考。
关键词：南水北调工程；水工建筑物；水动力水质模型；水质预测doi:10.13928/ki.wrahe.2019.02.003中图分类号：X522文献标识码：A文章编号：1000-0860(2019)02-0014-07One-dimensional hydrodynamic simulation and water quality prediction of typical channelof the Middle Route of South-to-North Water Diversion ProjectYI Yujun1,TANG Caihong1,ZHANG Shanghong2(1.Ministry of Education Key Laboratory of Water and Sediment Science,School of Environment,Beijing Normal University,Beijing100875,China； 2.Renewable Energy School,North China Electric Power University,Beijing102206,China)Abstract:This study aims to explore flow characteristics through complex hydraulic structures in the Middle Route of the South-to-North Water Transfer Project,and how pollutants transport in the channels.A MIKE11one-dimensional hydrodynamic and water quality model is established.The model calibration and validation are conducted using measured water levels,discharges,and water quality data(total phosphorus,ammonia nitrogen)at Qilizhuang section.On the basis of hydraulic structures setting over study channel,potential pollution sources for transferred water is analyzed.Dianbei bridge is considered as the location occurred sudden pollution accidents.Total three steady discharges,three pollutants,and three loads of each pollutant are simulated employing this model.Simulation result shows that the model is a good predictor for water flow and pollutants concentration for the study channel.Concentration of pollutants at Xiacheting diversion is affected by the input discharges and pollution loads.And al-收稿日期：2018-06-28基金项目：国家自然科学基金(51722901,51439001)；中央高校基本科研业务费专项资金资助作者简介：易雨君(1981—),女，教授，博士研究生导师，博士，主要从事流域水环境、水生态效应研究。
E-mail：yiyujun@易雨君，等〃南水北调中线工程典型渠段一维水动力水质模拟与预测so,reasonable suggestions are proposed to guarantee required water quality for water transfer projects.Keywords:South-to-North Water Diversion Project；hydraulic structures；hydrodynamic and water quality model；water quality prediction0引言南水北调中线工程由湖北丹江口水库引水向北京、天津等华北平原地区供水，为统一衬砌的人工渠道,以明渠输水为主，输水距离长，交叉建筑物数量多,结构复杂。
为保障南水北调中线工程输水过程中的水质安全，针对长距离输水工程复杂的渠道特性，以及其作为国民生活和经济发展的重要地位，学者们开展了大量的研究工作。
针对南水北调中线工程的特殊性和重要性，王浩等⑴提出了针对南水北调中线工程突发水污染事故的应急调控体系“数值模拟-评价诊断-溯源预测-应急调控-污染处置”，表明水动力水质模拟是保障中线工程输水安全的重要基础，突发污染事故的应急调控是保障中线工程输水水质安全的重要举措。
黄会勇等⑷、张成等⑶、丁志良等⑷建立了水力学模型，模拟闸门启闭速度对渠道水力的影响，阐明了节制闸对水流影响的物理过程，并针对中线工程突发水污染事故，对节制闸与退水闸的联合调度提出了建议。
崔巍等⑸以中线工程输水流量突然中断为典型突发事故，开展了事故渠段上游闸门群的应急联合调度研究。
吴怡等⑹通过建立非恒定流数值模型，分析分水退水工况对闸前水位变化的影响，确定了分水口流量变化幅度是导致分水口敏感的主要因素。
然而，上述研究主要关注中线工程突发污染事故的闸门应急调控下，不同调控流量、分退水方案对渠道水力过程的影响，未考虑突发事故情景下污染物在渠道内的输移特性，对保障输水水质安全不够全面。
忽略输水过程中的水质变化，仅仅考虑水源地水质,采用水质评价模型对中线工程水质进行预测，如卫召等E的研究，对于中线工程这类长距离明渠输水工程而言，也存在不足。
本研究从水力学角度考虑复杂建筑物下的水流特性，考虑了不同类型污染物在渠道内的水环境特性,将输水工程水动力模拟与突发污染事故下的水质模拟与预测相结合，基于MIK11构建一维水动力水质模型，在阐述渠道水力过程的基础上，考虑污染物的输移特性，模拟9种不同工况下3种典型污染物的浓度变化过程，根据不同污染物的特性，结合干渠分水口、退水口、节制闸的布设情况，提出适当的分退水措施，为输水工程突发应急响应提供有力参考，为闸门应急调控提供水环境依据。
1研究区概况南水北调中线京石段应急供水工程（简称京石段工程）是南水北调中线一期工程的重要组成部分，该工程与河北省岗南、黄壁庄、王快、西大洋4座水库相连，向北京应急供水，输水渠道以明渠为主，兼顾局部隧洞和管涵输水。
本文以西市一北拒马河全长42km的输水渠道作为研究渠段（见图1）,该渠道包含6座倒虹吸、2座节制闸、2座隧洞、2座涵洞、1座渡槽、2座分水口以及跨渠桥梁等，共40座水工建筑物，能够较好地反应中线工程复杂水工建筑物影响下的水流特性。
2模型理论MIKE11是丹麦水力研究所研发的一维水环境模拟软件，包含水动力、对流-扩散、降雨-径流、泥沙输移等模块，可模拟天然河流、人工渠道和灌溉系统的水力学和水环境特性，也可模拟堰、闸门、涵洞、桥梁等复杂水工建筑物下的水流特性[8-10],是目前运用最为广泛的河流一维水动力水质模型之一。
易雨君，等〃南水北调中线工程典型渠段一维水动力水质模拟与预测本文针对研究渠段水工建筑物多、水动力复杂等特 征，采用MIKE 11 HD 和AD 模块建立输水渠道一维水动力水质模型，模拟不同类型不同负荷污染物在渠道内的变化过程。
2. 1水动力模块一维水动力模型以水动力模块（MIKE 11 HD 模块）为基础，以基于垂向积分的物质守恒和动量守恒 方程的一维非恒定流Saint - Venant 方程组为基本控制理论，模拟渠道的水流状态，Saint - Venant 方程 组⑴］如下理*应dt dx(2)dtdh +gQ\Q\dx C 2AR=0式中，J %分别为计算点时间和空间的坐标；4为过水断面面积；Q 为过水流量；g 为旁侧入流流量；a 为动量校正系数；g 为重力加速度；C 为均扌齐系数，与渠 道糙率"和水力半径相关；h 为水位;R 为水力半径。
水动力模型采用有限差分数值方法求解，利用Abbott - Ionescu 六点隐式格式离散上述方程，该离散 格式在每一个网格节点并不同时计算水位和流量，而 是按顺序交替计算水位和流量，该格式为无条件稳定，可以在相当大的克朗数下保持计算稳定，离散后的线性方程组采用追赶法求解，可以取较长的时间步 长以节省计算时间。
