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枯水期漓江上游分级分期旱限水位确定与动态控制

申报人：胡欣怡 申报日期：2025-04-29

基本情况

2025年批次
枯水期漓江上游分级分期旱限水位确定与动态控制 学生申报
创新训练项目
工学
水利类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
在抗旱领域，漓江未建立可以用于抗旱应急管理工作的水位（流量）等干旱特征指标，一定程度上影响了抗旱工作开展。对此，本项目按照“理论研究-技术突破-决策应用”总体思路，拟采用数理统计、原型观测、数值模拟、信息技术等多技术融合手段开展研究，预期提出枯水期漓江上游水库及河道旱限水位确定与动态控制技术，构建抗旱调度模型并提出平衡景观保育与可持续利用的漓江水量统筹调控方案。为漓江干旱应对实践提供全方位服务。
曾参与2024年大创项目《ZIF-67催化剂催化氧化油品中DBT的性能研究》。
（1）国家自然科学基金：基于量质耦合的流域水代谢模拟与系统演化规律研究（42101270；起止时间2022.01-2024.12；主持）
（2）广西重点研发计划：面向山水景观保育与可持续利用的漓江枯水期水资源保障技术研究及应用（桂科AB24010040；起止时间2024.05-2027.04；主持）
（3）广西科技基地和人才专项：漓江水库群补水调度及其水量水质响应研究（桂科AD21220106；起止时间2021.12-2024.11；主持）
（4）桂林市重点研发计划：桂林绿色乡村生活污水生态净化及资源化利用技术研究与示范（20210212-2；起止时间2022.01-2024.12；主持）
（5）桂林市水利电力勘测设计研究院委托项目：漓江枯水期流量需求与应对方案（起止时间2022.04-2023.04；主持）
（6）广西重点研发计划：变化环境下漓江流域健康水平衡构建关键技术研发与示范（桂科AB22080093；起止时间2022.07-2025.06；课题负责人）
（7）广西重点研发计划：湘漓连通区水土协同保护与可持续利用关键技术研发与示范（桂科AB22035075；起止时间2022.04-2025.03；课题负责人）
（8）广西重点研发计划：生态水文调控下的岩溶湿地固碳减排技术研究与示范（桂科AB23026045；起止时间2023.06-2026.05；课题负责人）
（9）国家自然科学基金：基于时变水热耦合平衡和空间相关性的年径流响应机理与预测分析（51979198；起止时间2020.01-2023.12；参与）
（10）水利部公益性行业专项：基于漓江水质污染控制的水量调配关键技术（201401057；起止时间2014.04-2016.12；参与）
（11）广西重点研发计划：岩溶石漠化特色经果林种植区水土流失治理关键技术研究与应用示范（桂科AB21075007；起止时间2021.04-2024.03；参与）
（12）广西重点研发计划：桂林市特色作物高值生态模式创新关键技术研究与示范（桂科AB22080069；起止时间2022.07-2025.06；参与） 
本项目指导老师主要从事水资源承载力以及区域水平衡等方面的研究，主持多项省部级以上相关科研项目，可以为本项目提供科学保障与技术支持，可指导课题组进行现场调研、收集资料、研究方案制定与结果分析，保障项目的顺利进行。
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
胡欣怡 环境科学与工程学院 水文与水资源工程（创新班） 2023 负责组织团队协作，协调组内各项事宜，总体计划的制定和落实。
谭晶 环境科学与工程学院 水文与水资源工程（创新班） 2023 负责收集和整理相关的文献资料，为课题的研究提供参考依据，参与论文的撰写。
南海燕 环境科学与工程学院 水文与水资源工程（创新班） 2023 负责实验设计、实验室工作，根据研究进度安排实验，收集实验数据，完成实验报告。
黄彬彬 环境科学与工程学院 水文与水资源工程 2023 负责对实验数据进行分析，提出科学的结论，撰写研究报告，并参与撰写论文。

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
陈俊鸿 环境科学与工程学院 否

立项依据

  干旱灾害是我国主要自然灾害之一。近60年来，我国干旱受灾率和成灾率分别以每10年1.7%和1.4%的速度在递增。加强干旱防御能力建设，制定干旱防御阈值体系，加强干旱预报预警能力建设，是当前水利领域重要的任务之一。在全球气候变化、极端水文气象事件频发的背景下，针对江河湖库防洪调度的研究已相对完善，已形成一套完整的防汛指标体系，在防洪减灾中发挥了重要作用，但针对抗旱调度的研究还比较少，没有形成可以用于应对干旱灾害和江河湖库枯水状态的干旱特征指标，有关部门的抗旱调度决策缺乏科学依据，存在抗旱减灾指挥决策时机把握不准或应急响应过度的现象，一定程度上影响了抗旱工作科学有序地开展。
  漓江作为南方湿润地区岩溶景观流域，虽然水资源总量丰富，但年内分配十分不均，每年9月至次年2月雨水较少，干旱事件日益频发。例如，2022年7月下旬至11月中旬，漓江水位全线告急，最低水位达到了141.23m，部分浅滩的水深仅有0.4m，河床裸露，航道狭窄，游船仅能缓行通过；2023年3月17日,漓江桂林水文站的水位降至141.25m，流量仅为20 m3/s。这种极端干旱事件，给当地的旅游业和航运造成了显著影响，同时也给附近依靠漓江旅游资源生存的居民带来了困难。因此，针对漓江流域进行旱限水位确定的研究，能够为各级决策部门和社会大众及时提供干旱预警，为抗旱指挥决策提供科学依据和技术支撑，对全国抗旱应急管理工作将是一个有力的推动，具有重要的现实意义。 
       
1.漓江枯水期水资源抗旱优化配置
  基于水资源需求层次理论，联合旱情-旱灾损失响应曲线，识别枯水期水资源系统由常态调控向应急调控转变的旱情转换阈值，辨明不同干旱阶段各用水部门的水资源分层配置需求，建立漓江枯水期水资源抗旱优化配置理论。
2.枯水期漓江上游水库群分级分期旱限水位确定技术
  综合考虑各行业供水的保障优先级、保证率、破坏深度以及入库径流特性，结合干旱径流设计技术、水库模拟调度技术，提出枯水期漓江上游水库群分级分期旱限（警）水位确定与动态控制技术。
3.枯水期漓江上游河道分级分期旱限水位确定技术
  根据漓江干支流不同控制节点不同特性，在保障水量分析基础上，采用多目标分级叠加、水量平衡计算等方法，结合水位-流量关系，提出漓江河道分级分期旱限（警）水位确定技术。
4.漓江上游水库群抗旱调度与枯水期水资源调控场景
  综合考虑水库群联合优化调度等非工程措施及新建水库水源等工程措施，以枯水期缺水量最少、缺水历时最短、缺水深度差异最小等为目标，将分期旱限水位作为约束条件，构建漓江上游水库群抗旱优化调度模型，提出平衡景观保育与可持续利用的漓江水量统筹调控方案，打造漓江上游水库群枯水期水资源调控场景。
 
  我国在旱限水位（流量）的确定方面已经取得了一定的进展。有研究提出了一种水库分级分期旱限水位设计与控制方法，该方法通过分析供水保障目标及设计供水需求，设计不同预警级别的入库径流过程，并综合考虑入库径流、水库运行水位、供水需求等因素的季节性特点，对水文年进行干旱预警分期。此外，还有研究探讨了基于水库旱限水位的大型灌区水资源空间均衡优化调控，通过以干旱年缺水时段平均水资源系统空间均衡度最大为目标，以骨干水库分期分级旱限水位和灌区分单元分用水户限供比例为调控变量，运用遗传算法开展大型灌区水资源系统空间均衡优化调控研究。同时，为了更精确地反映不同干旱程度下的用水需求，分级分期旱限水位确定方法逐渐得到广泛应用。例如，有学者提出基于逆序递推算法的分级分期旱限水位计算方法。该方法充分考虑了不同干旱等级和不同行业年内需水过程的差异，能够更准确地反映实际情况。通过对渭河临潼断面和抚河廖家湾断面的实例应用，验证了这种方法的可行性和合理性。这些工作为推进我国水文报旱制度建设和完善抗旱应急预案体系奠定了基础。一些地方资料显示：湖南省水利厅组织编制了《湖南省2022年江河湖库旱警水位(流量)确定技术报告》；江西宁都水文站通过确定其旱警、旱限水位指标参数，反映了其旱情现状，有效地推进了当地抗旱减灾工作的开展。
  在水库抗旱调度方面，国内研究主要集中在调度模型、优化算法、风险分析等方面。然而，关于水库抗旱调度分期特征确定方法的研究相对较少。
  国外在水库抗旱调度方面同样积累了丰富的经验，特别是在水库调度模型和优化算法方面取得了显著进展。优化调度模型：国外的研究普遍采用优化调度模型来提高水库抗旱调度的科学性和有效性。常见的方法包括线性规划、动态规划以及近年来兴起的机器学习和人工智能技术。例如，美国田纳西河流域管理局（TVA）采用线性规划和动态规划相结合的方法；西班牙在瓜达尔基维尔沃水库的调度中采用了这种模型，显著提升了供水保证率和抗旱能力。目前国际上通常采用标准化径流指数（Standardized Precipitation Index, SRI）等水文干旱预警指标来确定旱限水位。这种方法基于历史监测样本的丰枯概率分布来确定当前河流的干旱情况。例如，美国国家干旱减灾中心（NDMC）广泛使用SPI作为主要的干旱监测工具。有研究提出了一些理论方法来确定水库旱限水位，包括旱限水位分期控制的必要性以及如何确定季节性值。此外，还有研究探讨了基于气候、水文等因素的分期方法，以确定水库抗旱调度的分期特征。
  综上，国内外在河道、水库分级分期旱限水位确定技术与水库抗旱调度方面的研究都取得了一定的进展。然而，仍存在一些问题和挑战，例如如何更精确地确定旱限水位，以及如何进一步优化水库抗旱调度方案等。未来的研究方向可能会更加注重多学科交叉融合、精细化管理和智能化决策，以提高水库抗旱调度的科学性和有效性。 
创新点1：基于水资源系统临界调控的旱限水位理论
  揭示了干旱事件形成演化的非线性规律，识别了干旱期水资源系统由常态调控向应急调控转变的旱情转换阈值，揭示了旱限水位确定的科学基础，建立了复杂水系统抗旱配置理论。发展了河道、水库两类对象的旱限水位概念，明确了水库与河道旱限水位的概念内涵及其分级、分期属性。揭示了干旱期水资源调控目标从“集中式破坏”向“宽浅式破坏”转变的机理，提出了基于对冲理论和临界调控理论的旱限水位确定基本理论。
创新点2：面向干旱主动防控的河道与水库旱限水位确定技术体系
  面向流域水系关键断面旱情逐级预警需求，协调干旱期生态流量与社会经济用水关系，从河段多目标保障、水量逐级预警的角度，提出了适用于不同类型河段的江河断面旱限水位（流量）确定技术体系。
创新点3：基于旱灾风险和旱限水位的干旱防御调度技术
  提出了旱限水位启用技术、兼顾公平与效率的旱期多水源分层配置技术以及河道与水库联合抗旱调度技术，完善了干旱防御调度技术体系，能够根据实时水情和旱情变化，灵活调整旱限水位，确保水资源的合理利用和旱灾的有效防御。 
1.技术路线
  针对干旱的非线性演变及水资源系统响应机制、干旱期水资源系统临界阈值及旱限水位的基本理论、基于旱限水位的抗旱调度与水资源调控机制等关键科学问题，按照“理论研究-技术突破-决策应用”总体思路，采用数理统计、原型观测、数值模拟、信息技术等多技术融合手段开展研究，系统解决干旱主动防御的关键技术卡点，为漓江枯水期“干旱预报、预警、预演、预案”四项措施推进和漓江干旱应对实践提供全方位服务。总体思路如图1所示。 summernote-img
2．拟解决的问题
（1）景观河流及水库旱限水位确定
  我国在防汛领域已经建立了较为完善的警戒水位、保证水位等防汛指标体系，但在抗旱领域尚未建立可以用于抗旱应急管理工作的水位（流量）干旱特征指标。因此，如何确定枯水期漓江上游水库及河道旱限水位是本项目拟解决的第一个关键问题。本项目面向漓江关键断面旱情逐级预警需求，协调干旱期生态景观流量与社会经济用水关系，从河段多目标保障、水量逐级预警的角度，提出景观河流断面旱限水位（流量）确定技术体系；基于干旱情景下供水风险分级分期对冲规则，建立水库旱限水位确定技术体系。
（2）基于旱限水位的水资源供需协同调控
  漓江上游青狮潭、斧子口、川江、小溶江等水利工程和河流断面在汛期已有较为完善的警戒水位、保证水位等防汛指标体系，但在枯水期尚未形成用于抗旱应急管理的干旱特征指标，水文报旱、旱情预警、应急响应、水量调度缺乏科学依据。因此，如何建立适用于不同情景的分期分级旱限水位确定技术体系以及水资源供需协同调控是本项目需解决的第二个关键技术问题。拟根据不同时期景观、生态、供水、航运等不同保障目标要求，在水文节律分析、河道生态环境需水计算、流域多水源配置的基础上，形成干旱情景下河流水库旱限（警）水位分级限制保障水量计算方法和优先次序，据此建立漓江枯水期水资源供需协同调控模型。
3.预期成果
  通过本项目研究，拟提出枯水期漓江上游水库群分级分期旱限（警）水位确定与动态控制技术1项，漓江河道分级分期旱限（警）水位确定技术1项；构建漓江上游水库群抗旱优化调度模型1个，漓江枯水期水资源供需协同调控模型1个；打造枯水期漓江上游水库群水资源调控场景1个。 

                                                                   表1 项目进度安排表

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（1）进行了漓江枯水期现场调研
  团队成员已于今年11月份对漓江流域进行现场调研，了解了漓江枯水期河道现状。现场调研如图2、图3所示。
           summernote-img                        summernote-img
                   图2 漓江枯水现状                                       图3 漓江兴坪段枯水现状
（2）分析了研究区2023年水资源状况
  根据《桂林市2023年水资源公报》整理分析，桂林市2023年降雨量1554.1 mm，降水总量为430.3亿 m3，比2022年偏少27.3%。其中地表水水资源量为219.6亿 m3，折合径流深793.2 mm，折合径流深793.2 mm，与多年均值相比减少30.6%，比2022年减少51.0%，为枯水年。地下水资源量47.7亿 m3，全年水资源总量为219.6亿 m3。其中桂江流域年降雨量1607.7 mm，降水总量为187.9亿 m3。
                                               表2 区域现状水平年水资源状况分布情况表
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  降水年内分配集中在3～8月份，漓江流域主要代表站阳朔、平乐水文站降水量在4～7月连续最大，桂林站3～6月降水量连续最大；全年降水变化剧烈，主汛期集中在3～7月，9月以后枯季降水明显减少。
（3）分析了2019年-2022年桂林水文站流量特征
  下表列出了2019年-2022年桂林水文站实测流量与多年平均的对比情况，从中可见：除2021年接近多年平均状况外，其它3年都属于丰水年型，年均流量较多年平均偏高40%-50%；枯水期流量在补水工程的作用下也大于多年均值。
                                                      表3 2019年~2022年桂林站流量特征
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  已具备的条件：（1）团队成员均为水文与水资源工程专业学生，在学习过程中掌握了一定的水文水资源、水环境、水生态和水力计算等方面的专业基础理论和基本技能，具有实验基础，能对水位、流量、降雨量等数据进行深入分析；在野外实践课程中积累了一定的实践经验；且具有相关项目经验。（2）本项目在老师指导、团队成员实地考察及查阅文献的基础下，已经具有有关数据资源及基础理论依据（根据马斯洛需求层次理论确定干旱缺水下的水资源分层配置方法）。（3）项目指导老师陈俊鸿其研究方向围绕桂林发展的重大需求，通过对流域水环境承载力进行全方位精细化解析，将漓江生态环境治理、建设开发进行挂钩，有助于实现漓江水土资源保护和利用协同发展，与本项目契合度较高。
  尚缺少的条件：无。
  解决办法：无。 

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 10000.00 无 4600.00 5400.00
1. 业务费 3700.00 无 1600.00 2100.00
（1）计算、分析、测试费 1000.00 实验数据、调查结果分析，仪器性能测试 500.00 500.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 700.00 交通费、住宿费 350.00 350.00
（4）文献检索费 500.00 论文、专利检索及材料打印 250.00 250.00
（5）论文出版费 1500.00 论文出版 500.00 1000.00
2. 仪器设备购置费 3600.00 仪器设备购置 1800.00 1800.00
3. 实验装置试制费 1700.00 实验装置购置 800.00 900.00
4. 材料费 1000.00 实验所需材料 400.00 600.00
结束

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