为探究黄河流域数字经济发展对碳排放的影响效应及作用机制,基于2011—2020年黄河流域76个地级市的面板数据,测度黄河流域数字经济发展水平、碳排放总量和碳排放强度,构建个体与时间双向固定效应模型进行实证分析,并对实证结果进行了数字经济发展滞后效应、改变样本容量、替换变量等稳健性检验,对技术进步、产业结构升级进行了作用机制检验,对数字经济发展碳减排效应的区位异质性和资源禀赋异质性进行了检验。结果表明:1)数字经济发展对黄河流域碳排放强度和碳排放总量具有显著的抑制作用;2)技术进步、产业结构升级是数字经济发展促进黄河流域碳减排的重要作用机制;3)数字经济发展对黄河流域碳排放的抑制效果存在显著的区位异质性和资源禀赋异质性,对黄河中上游地区碳排放总量的抑制效果明显好于下游地区、对上游地区碳排放强度的抑制作用尚未显现,对非资源型城市碳排放的抑制作用明显大于资源型城市。提出了统筹推进黄河流域数字经济协调发展、加强绿色低碳技术创新、加快推进产业结构转型升级、实施差异化数字经济发展策略、有效抑制碳排放等对策建议。

为探讨黄河流域农业绿色发展的影响因素和空间差异、给黄河流域农业高质量发展提供理论支撑和决策依据,建立了包括发展高效、生态友好和资源节约3个维度的农业绿色发展水平评价指标体系,基于黄河流域68个地级市2011—2021年的面板数据、运用全局熵值法评估黄河流域农业绿色发展水平,采用莫兰指数对其空间分异格局进行分析,在此基础上从经济、社会、自然三方面设置产业结构、种植结构、工业化水平、城镇化水平、地形起伏度、年降水量6个指标,采用多尺度地理加权回归模型实证分析黄河流域农业绿色发展的影响因素及其空间差异。结果表明:1)2011—2021年黄河流域农业绿色发展水平呈上升趋势,但研究期末整体水平仍较低,下游地区农业绿色发展水平明显高于中上游地区,发展高效维度在上游和下游地区上升趋势明显,生态友好和资源节约维度在研究期上升幅度较小;2)黄河流域农业绿色发展水平存在明显的空间正相关性,高-高集聚和低-低集聚地级市相对较多;3)农业绿色发展各影响因素的空间异质性显著且影响强度不同,其中产业结构、种植结构、工业化水平、地形起伏度的影响空间差异较小,城镇化水平和年降水量的影响空间差异较大,产业结构、工业化水平和地形起伏度有负面影响,种植结构、城镇化水平和年降水量有正面影响,影响强度大小为地形起伏度>工业化水平>城镇化水平>产业结构>种植结构>年降水量。提出了转变农业发展理念、加强区域协作、实施差异化农业绿色发展策略等建议。

为破解黄河流域农业绿色发展与生态保护协调难题,找出农业生产与生态环境保护矛盾背后的原因,以黄河流域九省(区)为研究对象,构建农业绿色发展和生态保护的评价指标体系,采用熵值法测度了2006—2020年各省(区)农业绿色发展指数、生态保护指数,借助融合协调模型计算农业绿色发展与生态保护耦合协调度,并运用障碍度模型、灰色关联度模型诊断和分析耦合协调发展的障碍与驱动因素。结果表明:研究时段内黄河流域农业绿色发展与生态保护耦合协调度总体呈上升趋势,空间上呈“上游>下游>中游”的格局,各省(区)距离优质协调发展仍有较大差距;农业绿色发展与生态保护协调发展主要受产出高效维度与资源禀赋维度的阻碍;影响黄河流域农业绿色发展与生态保护耦合协调程度的内部驱动因素按关联度从大到小依次为自然保护区面积占比、耕地复种指数、森林覆盖率、粮食单产、人均耕地面积、化肥施用强度。因此,应加强黄河流域上中下游地区农业产业发展规划的统筹协调,加快推动区域间技术、资本、劳动力等要素流动和制定差异化农业发展与生态文明建设策略。

为探索数字普惠金融在黄河流域农业绿色发展方面介入的可能性及其影响,基于2013—2021年黄河流域九省(区)面板数据,采用熵值法测度黄河流域农业绿色发展水平,利用基准回归、异质性分析、中介效应检验探究数字普惠金融对农业绿色发展的作用效果及机制。结果表明:农业绿色发展水平综合得分四川、山东、河南较高;数字普惠金融及其3个子维度均对农业绿色发展具有显著正向促进作用;农业科技水平在数字普惠金融与农业绿色发展之间起到了桥梁作用。黄河流域数字普惠金融的发展有助于推动农业绿色发展,因此应进一步加大数字普惠金融在黄河流域的推广力度,充分发挥数字普惠金融促进农业科技水平的作用,为农业绿色发展注入新活力,推动黄河流域生态保护和高质量发展。

悬浮泥沙浓度(SSC)是重要的水质监测参数。以宁夏清水河王团段为研究对象,基于2022年8月26日至11月5日原位高光谱数据与SSC构建了适用于极高含沙量水体的SSC反演模型,选用单波段模型、波段差值模型、波段比值模型、二元线性模型4种经验模型,对比其精度。结果表明:针对极高含沙量水体,单波段模型拟合效果不佳,模型决定系数(R²)不足0.25。波段差值模型、波段比值模型、二元线性模型一定程度上可以降低噪声的影响,提高模型R²。整体上,波段差值模型效果较好,基于650~720 nm波段反射率与560~700 nm波段反射率构成的波段差值模型的R²大于0.40,其中R687-R685模型的R²最大,为0.76。

多沙河流水库供水兴利与排沙减淤之间具有独立性与融合性,如何长期保持有效库容且满足供水要求,是水库高效运用面临的待解难题之一。以泾河东庄水库(年均入库含沙量为140 kg/m³)为研究对象,采用实测资料分析和数学模型计算等方法,研究利于减轻下游河道泥沙淤积、长期保持东庄水库有效库容的水库排沙流量指标,提出水库径流泥沙联合调节方式。结果表明:拦沙期主汛期7—9月当入库流量大于600 m³/s、含沙量大于300 kg/m³时东庄水库敞泄排沙,正常运用期主汛期7—9月当入库流量大于300 m³/s时东庄水库敞泄排沙;排沙期水库无法供水,与周边已建调蓄水库联合调节,可使农业灌溉保证率从30%提高到50%,工业供水保证率从57%提高到95%。

黄河径流具有非稳态、非线性的特点,为了给河南省保障水安全等提供参考,对黄河三门峡水文站非汛期流量进行了研究。构建变分模态分解(VMD)与长短期记忆网络(LSTM)、支持向量回归机(SVR)相结合的非汛期径流预测模型,利用麻雀优化算法(SSA)调节模型参数以提高预测精度。采用VMD算法将非汛期流量数据分解为多个本征模函数(IMF),基于K-Means聚类法计算分量间的欧氏距离,将欧氏距离的倒数作为各分量的权重,最后将各分量结果输入LSTM/SVR进行模型预测,加权重构分量预测值得到流量预测结果,并与加权前后VMD-SSA-LSTM、VMD-SSA-SVR模型进行对比。结果显示,提出的K-Means加权VMD-SSA-LSTM模型预测三门峡水文站2003年1月—2023年5月(非汛期月份)每日平均流量,平均绝对误差为82.54 m³/s、均方根误差为106.64 m³/s、拟合优度达0.92,能有效预测非汛期流量。

针对小型水库生命损失风险评估中面临的下游人口分布资料缺乏的问题,提出了一种基于Sentinel-2A遥感影像的溃坝风险人口估算模型。以DYJ水库为例,采用监督分类法快速提取遥感影像中乡村居民房屋建筑信息,结合溃坝洪水演进结果,以洪水是否淹没到房屋建筑为判据,对最大似然法、支持向量机法、马氏距离法和最小距离法4种监督分类方法进行对比,结果表明:最小距离法总分类精度只有65.7%,其余3种方法总分类精度均在90%以上,其中最大似然法对遥感图像识别的精度最高,总分类精度达到97.55%,Kapps系数为0.93,能较为准确地提取研究区域内的居民建筑要素。采用最大似然法提取建筑信息,并结合溃坝风险人口估算模型,最终得到DYJ水库下游风险人口为1 470人。该模型可快速估算小型水库下游风险人口,弥补了人口密度法和居民点累计估算法在精度和效率方面的不足。

为探究土地利用变化对流域洪水过程的影响,以汾河流域为研究区,通过SWAT模型和极端土地利用情景分析法,分析不同时期和不同情景下土地利用类型变化对场次洪水过程的影响。结果表明:1)率定期和验证期纳什系数E_NS均值大于0.70,决定系数R²均值大于0.65,表明SWAT模型在汾河流域具有较好的适用性;2)2000—2020年耕地、草地、水域和未利用地面积减少,林地和建设用地面积增加;3)2000年、2010年和2020年土地利用条件下,各场次洪峰流量和洪水总量呈现小幅度增加趋势;4)耕地情景下,各场次洪水的洪峰流量和洪水总量呈增加趋势,而在林地和草地情景下均呈减少趋势。影响幅度方面,土地利用变化对较大洪水过程影响较小,对中小洪水过程影响较大。适当在洪涝灾害高发区和水土流失严重区增加林草面积和提高植被覆盖率,推进适水种植,避免高耗水植被,可提升汾河流域防洪抗涝、防灾减灾的能力,推动汾河流域生态修复和高质量发展。

针对复杂地形上存在急流、激波或急缓流交替等问题的一维明渠水动力模拟,基于Godunov格式的有限体积法离散Saint-Venant方程组,建立了复杂明渠水动力模型。采用HLL近似Riemann解计算界面通量,通过MUSCL格式和Runge-Kutta方法将时空精度提高至二阶,同时将流量替换为连续性方程中的通量形式以保证流量守恒。采用水面梯度整体作为源项的方程形式,并引入底坡通量法对其求解,摩阻源项则使用无须迭代的显隐式方法进行处理。通过4个典型算例验证了该模型可很好地模拟溃坝、激波和急缓流交替等复杂水流运动过程,具有良好的守恒性和适应性。

为解析黄河几字弯城市群能-水-碳之间的耦合关系,促进城市群的绿色低碳发展,构建城市群能-水-碳系统评价指标体系,运用熵值法和耦合协调度模型测度2005—2020年黄河几字弯城市群能-水-碳耦合协调水平,利用随机森林模型识别其主要影响因素。结果表明,黄河几字弯城市群能-水-碳系统耦合协调度呈现波动上升趋势,但2020年尚未达到良好协调水平,环境规制强度、全要素生产率、建成区面积占比是影响其水平变化的主要因素。基于此,提出出台专项环境规制政策、技术引领能源革命、促进环境保护与经济发展相结合等建议。

为提高城市干旱应急供水效率,基于城市干旱应急预案,建立了城市干旱应急供水流程及其Petri网仿真模型,以内蒙古伊金霍洛旗2022年6月旱灾为例,结合各类用水部门用水过程,进行9种单一策略情景和4种混合策略情景的城市干旱应急供水流程策略推演,基于推演结果得出不同策略的作用效果。结果表明:1)利用城市应急备用水源增加水库供水量,供水量由524万m³提升至614万m³时,城市维持正常供水的时间可由7 d增加至8 d,用水满足率由58.62%提升至68.69%;2)水资源外调能力由15万m³/d提高至25万m³/d时,城市维持正常供水的时间可由8 d增加至9 d,用水满足率由73.72%提升至83.79%;3)对生活、农业、工业、生态限制供水比例为正常供水的90%、70%、50%、0%时,城市维持正常供水的时间可由7 d增加至10 d,用水满足率由58.62%提高至89.57%;4)通过依次运用限制供水、启用城市应急备用水源和启用外调水等策略,可使城市用水满足率达到100%。

为选择合适的插值方法揭示干旱区绿洲地下水埋深空间变化特征,以克里雅河尾闾绿洲、沙漠段河道、于田绿洲为研究区,依据53口地下水监测井观测资料,采用样条函数法、反距离权重法、克里金法3种插值方法对地下水埋深进行空间插值,选择交叉验证法验证插值效果,并对影响克里雅河地下水埋深空间分布的因素进行定性分析。结果显示:2019—2021年,尾闾绿洲地下水埋深随时间呈由西南到东北逐渐增大的趋势,沙漠段河道地下水埋深南部和北部小、中部大,于田绿洲地下水埋深较尾闾绿洲和沙漠段河道的小;克里雅河地下水埋深总体呈增大趋势,3个区域的地下水埋深排序为沙漠段河道＞尾闾绿洲＞于田绿洲,沙漠段河道、尾闾绿洲、于田绿洲的地下水埋深平均值2019年分别为4.64、4.08、2.78 m,2020年分别为4.80、4.22、2.88 m,2021年分别为4.86、4.10、2.87 m。克里金法是干旱地区地下水埋深空间插值的最优方法,绿洲植被覆盖与蒸腾、人类活动是影响克里雅河地下水埋深的重要因素。

为计算青岛市城区水资源能够承载的最大人口规模和经济规模,制定城镇化和水资源可持续利用的城市发展模式,利用熵权法测度2015—2022年青岛市城区水资源承载力与城镇化水平综合指数,并从水资源和社会经济两方面构建系统动力学模型,仿真模拟2023—2030年自然发展、高速发展、节水优先和综合发展4种模式的水资源供需情况。结果表明:2015—2022年青岛市城区水资源承载力呈波动上升趋势,城镇化水平稳步提升;综合发展是青岛市城镇化发展最优模式,能确保水资源在满足居民生活和经济发展需求后仍有盈余。

为合理划定黄河水沙变化阶段,采用Mann-Kendall趋势检验法和贝叶斯模型平均法对黄河干流唐乃亥、兰州、头道拐、潼关、花园口、利津6个主要水文断面1956—2022年的水文泥沙序列进行趋势分析和突变点检测。结果表明:黄河源区水沙变化趋势不明显,其他水文断面呈下降趋势,径流序列突变点为1969年、1986年和2018年,与水利枢纽工程蓄水运用密切相关,且具有流域性影响;多数水文断面泥沙序列突变点发生在20世纪60年代,之后年输沙量呈下降趋势,主要受流域水土保持等影响;建议进行径流序列分析时划分为1969年以前、1969—1985年、1986—2017年、2018年至今4个阶段,泥沙序列分析应以趋势性评价为主。

利用遥感技术对黄河岸线利用类型进行动态监测,有助于了解沿黄生态廊道建设进程。以黄河中游为研究对象,基于1993—2023年Landsat-5 TM、Landsat-8 OLI影像,以5 a为间隔提取岸线利用信息,对黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略实施后岸线利用时空变化特征进行了分析,并探讨了黄河廊道生态保护成效。结果表明:1993—2023年黄河中游生活岸线占比由2.12%增至16.96%,生态岸线占比呈波动上升态势,在2023年达到39.68%;黄河中游3个河段岸线利用差异较大,其中晋陕峡谷段以生态岸线为主,汾渭平原段以农业岸线为主,三门峡至桃花峪段由以农业岸线为主转变为以生态岸线为主;2018—2023年生态岸线和生活岸线占比增大、农业岸线占比减小,各河段生态岸线变化率均为正。

为探究废弃矿山地下水中重金属空间分布特征及健康风险,以泸州市叙永县后山镇废弃矿山为研究区域,对研究区7种重金属(Fe、Cd、Cu、Pb、Zn、Mn和Cr)进行测定和分析,利用污染指数评价法、模糊综合评价法和健康风险评价模型揭示了后山镇废弃矿山地下水中重金属的污染特征、空间分布状况和健康风险,并采用蒙特卡罗模拟法进行了健康风险评价的不确定性分析。结果表明:研究区地下水中Fe、Pb、Mn、Cd的质量浓度均值高于Ⅲ类水质标准限值;研究区地下水中5种非致癌重金属(Fe、Cu、Pb、Zn和Mn)对成人和儿童的非致癌健康风险值分别为0.617、0.145,均小于1,成人的非致癌健康风险值均高于儿童;地下水中重金属Cd和Cr在饮水和皮肤接触两种途径均存在一定致癌健康风险;蒙特卡罗模拟法预测的Cd、Cr对成人和儿童的致癌健康风险值分别为1.78×10^-4~6.33×10^-4、2.29×10^-4~4.40×10^-4,其平均值分别为3.96×10^-4、3.33×10^-4,地下水中Cd和Cr对成人具有一定致癌健康风险,对儿童的致癌健康风险较大。

为了明晰吉林西部盐渍灌区地下水水质演变特征和地下水化学组分来源,选取2012—2014年和2019—2020年地下水水质监测数据,综合采用数理统计、图解法、熵权贝叶斯、因子分析、绝对因子得分-多元线性回归(APCS-MLR)模型,开展吉林西部灌区地下水化学特征、水质评价和水化学组分溯源解析研究。结果表明:灌区及周边地下水Fe、F、Mn、三氮化合物严重超标;水化学类型主要为HCO^-₃-Na⁺-Ca²⁺型的弱碱性水,受岩石溶滤和蒸发结晶作用影响,长期灌排洗盐使灌区及周边盐碱化现象得到改善;研究期内灌区及周边潜水Ⅳ、Ⅴ类水占比共增加5.3个百分点,承压水中Ⅳ、Ⅴ类水占比共减少4.0个百分点;溶滤-次生富集作用对地下水水质的影响最大,使水中可溶性离子、TDS、总硬度等组分浓度上升;盐碱地开发水田灌区导致区域农业活动对地下水化学组分的影响加大。

为了探索准确核算水土保持措施碳汇的方法并为水土保持项目碳汇交易等提供技术支撑,以宁夏为研究区,综合利用文献资料和遥感技术、人工智能算法、统计分析方法等,构建基于多模态数据和人工智能算法的生态系统固碳速率及水土保持措施碳储量反演方法,定量评估了2022年宁夏水土保持措施碳汇能力现状。结果表明:1)在随机森林(RF)、人工神经网络(ANN)、支持向量机(SVM)、轻量级梯度提升(LGB)、极端梯度提升(XGB)、极度随机树回归(EXT)等6种人工智能机器学习算法中,极度随机树回归算法用于反演宁夏植被碳密度与土壤有机碳密度的精度最高;2)宁夏生态系统固碳速率在空间上呈现南高北低的分异特征,全区平均值为24.53 g/(m²·a),水土保持林、封禁治理、经济林、人工草地、梯田的固碳速率分别为26.65、27.25、27.28、18.80、22.68 g/(m²·a);3)2022年宁夏全口径水土保持措施碳汇量为226.95万~233.26万t/a,其中增汇量208.03万t/a、保土固碳量63.04万t/a、减排量18.92万~25.23万t/a,增汇量的80.8%分布在植物措施、保土固碳量的79.5%分布在梯田、减排量的79.5%分布在梯田。

为解决湿陷性黄土区渠道不均匀沉陷、混凝土衬砌板沉陷滑塌严重、影响渠道安全运行的问题,通过对宁夏固海扩灌十干渠沉陷原因进行分析,对渠道基土进行翻夯,增设土工格栅,增加基土的承载力;采用弧底梯形现浇混凝土断面、铺设复合土工膜和苯板等综合措施对渠道沉陷进行治理。结果表明:渠道基土经过翻夯后密度达到1.78 g/cm³,孔隙比大幅度减小,密实度增大;采用现浇弧底梯形断面,其结构受力条件好,受到的冻胀力和不均匀沉陷有均匀化的调整;渠道改造治理后的基土含水量、混凝土板的冻胀量和沉降量均得到有效控制。通过对湿陷性黄土区渠道的综合治理,完善了对渠道沉陷及混凝土板滑塌破坏等进行治理的理论设计和方法。

为减小水轮机泥沙磨损影响、提高水电站效益,设计开发了水电站引水渠水沙智能监测与预警系统,采用残差神经网络模型(ResNet50_v2)和图像法实现水沙同步在线智能监测,采用长短期记忆网络(LSTM)模型预测未来5 h的含沙量,通过损益平衡分析确定最佳含沙量预警阈值和适宜的预警机制,以最大化减少发电损失。以喀什河流域塔勒德萨依水电站为例,进行系统实际应用,应用结果表明:系统监测流量与ADCP测流设备实测值的E_MA≤2.97 m³/s、E_MR≤2.17%;系统监测含沙量与人工烘干法、光学测沙仪实测值的E_MA≤0.20 kg/m³、E_MR≤16.91%;LSTM模型对5 h预见期预测含沙量的E_NS＞0.7,模型总体监测与预测精度较高;水电站含沙量预警阈值为3.59 kg/m³,通过精准测报与科学预警,可规避发电设备泥沙磨损事故,节省维修费用,提高综合效益。

水泵机组振动趋势预测是保障机组正常运行的重要措施,而振动信号的复杂性和非线性使预测变得困难。为此,提出一种基于STOA-VMD和改进时间卷积网络(TCN)的水泵机组振动趋势预测模型。首先采用乌燕鸥算法(STOA)进行变分模态分解(VMD)参数优化,实现振动信号的最优自适应分解,然后利用改进TCN对每个分解模态进行预测,最后叠加所有结果得到最终预测结果。以国内某雨水泵站水泵机组为例,基于水导轴承水平向摆度数据进行模型验证。结果表明:上述组合模型的预测值与监测值的变化趋势基本一致,其具有良好的预测能力。与STOA-VMD-TCN、VMD-EnTCN、VMD-TCN、TCN模型相比,所提出模型的E_MA、E_RMS、E_MAP最小,预测精度最高。

基于特征屈曲分析方法理论,考虑弦杆结构材料利用率,采用数值模拟方法对无弦杆、单弦杆、双弦杆支臂稳定性进行计算,分析弦杆位置、数量和截面特性对钢闸门支臂稳定性的影响,提出弦杆结构优化布置方案,在此基础上对钢闸门支臂整体稳定性进行有限元分析。结果表明:对于单弦杆支臂,弦杆与支铰的距离/支臂总长度(l/m)取0.60~0.75时,支臂单位质量承载力最大;远离支铰端布置双弦杆可提高支臂单位质量承载力,但是弦杆间距不宜过大。从支臂弦杆结构尺寸分析,弦杆宽高比取值为1.4时,支臂整体稳定性较好;支臂翼缘/腹板厚度(t₃/t₄)的取值对其单位质量承载力基本无影响,布置时主要考虑使支臂满足局部稳定性即可。增加弦杆后可提升钢闸门刚度、改善应力状态,主要使支臂的最大等效应力发生变化,即单弦杆支臂比无弦杆支臂减小8.44%,双弦杆支臂比无弦杆支臂减小12.99%。

土石坝施工期抵御洪水能力不足,度汛方案的选择直接影响工程的安全风险与成本,但针对土石坝施工期度汛方案的安全风险与成本协同控制的研究相对缺乏。同时,多目标协同控制中评价指标涉及多个专业领域,单一专家对各个评价指标的把握程度不同,难以准确赋值。因此,采用多位专家以区间数形式对评价指标赋值,通过最小化专家赋值之间的距离构建专家群体意见协商模型,将多位专家区间数赋值转化为综合所有专家意见的一个实数,建立土石坝施工期度汛方案的安全风险与成本评价模型。以前坪水库为例,对7种度汛方案进行综合评价,指导了前坪水库施工,实现了安全风险与成本协同控制。

通过试验研究了UWB-Ⅱ型絮凝剂和聚羧酸高性能减水剂掺量对水下不分散混凝土拌和物浆体的流动度和流变性能的影响,分析了浆体流动度与屈服应力的关系。结果表明:小掺量絮凝剂可以增大浆体的流动度,减小其屈服应力、黏稠度;大掺量絮凝剂则显著增大浆体的屈服应力和黏稠度。减水剂的加入可以小幅增大浆体流动度,减小浆体屈服应力和黏稠度,但其掺量较大时对浆体屈服应力、黏稠度的影响减弱。絮凝剂掺量较小时浆体表现为剪切变稠、较大时浆体表现为剪切变稀,减水剂的加入对浆体剪切变稀现象影响不显著。流动度与屈服应力为线性负相关关系。