床面泥沙暴露度是影响床面泥沙起动和输移的重要因素之一，目前在理论层面如何合理描述其影响尚未形成清晰的认识。本文在已有研究的基础上，针对非均匀沙，提出了新的暴露度计算公式，建立了床面泥沙暴露度与泥沙粒径之间的函数关系。基于该公式，推导得到了包涵暴露度影响的单颗粒滚动和跃移运动参数的理论表达式，通过与跃移距离和跃移高度的实测数据对比发现，计算值能够与实测值相吻合。为了进一步验证公式的正确性，在运动参数的基础上，推导得到了推移质输沙率公式，计算了均匀沙输沙率、非均匀沙分组输沙率和总输沙率。通过与实测数据的对比发现，计算值与实测值之间的相对误差均在可接受范围内。同时，计算结果表明，在相同的水流条件下，不同暴露度下的分组输沙率可以相差十几倍，由此说明了床面泥沙暴露度对非均匀沙输移的影响十分显著。

Budyko方程的流域特性参数一般根据植被覆盖度等下垫面特征进行确定，但相关资料不易获取。本文针对黄土高原地区29个小流域，通过分析流域特性参数、植被覆盖度和互补关系中大气湿润指数之间的关系发现，大气湿润指数能够间接反映植被覆盖度的大小，进而能够利用常规气象数据确定流域特性参数，并拟合出了经验公式。相比采用固定流域特性参数，这种方法能够提高Budyko方程对实际蒸散发量的模拟效果。相比于植被覆盖度等下垫面资料，常规气象数据时间序列长、且更易获取，因此本方法具有较好的应用前景。

土壤是具有自相似结构及一定分形特征的不规则复杂多孔介质，为更好地对黄河乌兰布和沙漠段不同区域入黄沙物质粒度特征进行定量表征并解析其来源，利用传统统计学和多重分形理论，研究了黄河乌兰布和沙漠不同地段土壤的粒度特征及粒径分布。结果表明：研究区土壤颗粒组成具有明显的多重分形特征，沙头对岸D₀值为0.821、D₁值为4.386，即粒径分布范围最宽且最不均匀，荒漠草原D₁值为2.970、D₁/D₀值为4.595，即粒径分布最均匀且离散程度最大；不同地段土壤粒径分布范围间存在差异，但相近地段颗粒组成类似；河道左岸由于受乌兰布和沙漠的影响，使得河道左侧的沉积物粒度变粗，其来源于沙漠的沙物质，而右侧河道几乎不受乌兰布和沙漠的影响。

为了深入挖掘和充分利用清宫档案“雨雪分寸”所反映的降水信息，重建清光绪初年山西极端干旱事件，本文在山西省开展了人工模拟降雨入渗试验，探讨了利用改进的Green-Ampt入渗模型求解山西省累计入渗量方法的可靠性与适用性，并利用山西省1875—1878年主汛期“雨分寸”资料重建了历史时期土壤降雨入渗量。结果表明：（1）降雨量是山西省降雨入渗湿润锋推进深度的主要因素，两者呈明显的正相关；（2）改进的Green-Ampt入渗模型在山西省具有较好的适用性，实际入渗量与模拟值的纳什效率系数在0.8以上，且两者相关性显著；（3）1875—1878年山西主汛期6—9月降雨累计入渗量普遍较少，土壤干旱较为严重。

参考作物蒸散量（ET₀）的准确预测预报对于制定作物灌溉制度与实时灌溉调度具有重要意义，然而气象因子的不确定性极大的影响着ET₀的预测精度。因此本研究采用马尔科夫蒙特卡罗模拟与自适应采样算法相结合的方法（AM-MCMC）对气象因子的不确定性进行修正，以气象站实测ET₀作为标准值，利用径向基神经网络（RBF）模型建立气象因子与ET₀的映射关系，建立基于气象因子不确定性的ET₀不确定性预测模型（CU-RBF），并以华北平原农田下垫面为例进行验证。结果表明，与传统的RBF确定性预报结果相比，CU-RBF预测结果的各精度评价效果均有所提高，纳什系数提高了10%，均方根误差和平均绝对误差分别降低了16.94%、17.05%，且单独修正平均风速的CU-RBF_Ws预测模型效果比分别单独修正最高温度、平均相对湿度的预测模型效果好。考虑气象因子不确定性开展ET₀的预报研究，减小了预测值与实际值的误差，可为农田下垫面的未来水分管理提供科学依据。

针对节理岩体变形破坏及抗剪强度参数确定问题，开展了5种包含两条节理的典型节理分布型式的节理岩体试样的室内直剪试验研究。试验结果表明节理岩体的破坏主要表现为节理控制的节理与岩桥间渐进搭接破坏；对比分析了试验得到的25条应力应变全过程曲线，提出了应力应变曲线分类方法，包括滑动型、屈服型、剪断型、脆断型、剪断复合型五种类型，揭示了不同类型曲线间的转化规律；对基于Lajtai岩桥破坏理论的强度准则进行试验验证，验证结果表明基于Lajtai岩桥破坏理论的强度准则计算得到抗剪强度偏低与试验结果相对误差较小（小于9%），可用于节理岩体综合抗剪强度计算。

目前的混凝土抗裂性能研究方法存在不足，无法考虑工程实际中混凝土温度变化过程，不能考虑混凝土结构所受的约束状态，更不能考虑早龄期阶段的抗裂特性。针对这一问题，中国水利水电科学研究院自主开发了混凝土开裂全过程仿真试验系统，该系统既可以进行混凝土全龄期抗裂性能研究，试验得出真实温度历程、不同约束度条件下的混凝土材料参数，特别是3天龄期前的参数，还可以进行仿真计算，与试验结果相互验证，分析混凝土的真实抗裂特性。该研究方法已在乌东德特高拱坝建设过程中成功应用，为评价低热水泥混凝土抗裂特性和温控曲线优化提供了科技支撑，也为混凝土抗裂性能评价提供了新的方法和思路。

基于天气雷达外推的降雨临近预报其有效预报期通常不超过3h，而数值天气预报的预热问题“Spin-up”往往导致短期内的预报能力较差。鉴于此，本研究通过“取长补短”设计了一种依据临界成功率指标（CSI）和均方根误差（RMSE）的时效匹配方法，对两者的降雨预报进行融合，并选取了位于大清河水系的阜平、紫荆关流域的4场时空分布均匀程度各异的典型降雨过程进行试验应用。研究基于像素追踪的PBN外推临近预报和数据同化的WRF模式预报，通过时效匹配法实现两者的融合，融合方案为：1 h以内（不含1 h）采用PBN外推预报，1~3 h采用PBN与WRF的融合预报结果，3 h以上（不含3 h）则全部使用数值天气预报。通过对4场典型降雨过程预报效果对比发现：（1）随预见期延长，PBN外推预报权重逐渐下降，WRF模式预报权重逐渐增加；（2）融合权重在降雨初期、末期的变化并不显著，但在降雨发展过程中融合交叉点出现明显变化；（3）融合预报的效果优于两种单独预报，时效匹配法在时空分布均匀的降雨场次表现最好，其次为时间不均匀空间均匀场次，在时空不均匀场次表现较差。

双层复合衬砌结构是一种新型隧洞衬砌结构型式，其外衬承受外部水土压力，内衬承受内水压力，体现了“结构联合、功能独立”的新型输水隧洞设计理念，目前该衬砌型式已成功应用到我国北方某输水工程中，如何确定双层复合衬砌隧洞安全预警监控指标是工程运行管理的重点和难点。本文基于以往研究成果，提出了工程结构监控指标及监控阈值确定的统一技术路径；根据双层复合衬砌结构受力特点，开展可能破坏模式分析；基于破坏模式与监测量的敏感性分析，提出层间渗压作为双层复合衬砌隧洞结构核心监控指标，内衬处的钢筋计测值以及外衬处的测缝计测值作为辅助监控指标，为双层复合衬砌隧洞安全运行提供借鉴和参考。

我国一般年份农业缺水约300亿m³，农业水肥利用率主要指标相当于国际先进水平的60%~70%，农业缺水和面源污染问题日益突出，严重影响国家粮食安全和生态安全。本文综述了创新团队在现代灌溉水肥调控原理、技术与模式等方面所开展的研究工作进展。通过多年的研究，发展了现代灌溉施肥变量调控理论方法，提出了精量滴灌水肥高效调控技术、变量喷灌水肥高效调控技术、精细地面灌溉水肥高效调控技术等关键技术，构建了东北粮食主产区覆膜滴灌水肥精量调控技术模式、华北地下水超采区灌溉水肥高效调控技术模式和西北干旱区滴灌水肥盐协同调控技术模式，节水、增产和节肥效益十分显著。

初次蓄水过程中的水力劈裂破坏是土质心墙土石坝面临的最主要安全问题之一。为探索这一难题，回顾了疑似水力劈裂事故及暨有研究尚不能回答的问题，探讨了水力劈裂所需的必备应力条件和可能原因。分析了既有浸水湿化变形试验并建议了采用时间对数演进模式、单位时间湿化体变和湿化剪应变分别取决于围压和剪应力水平的湿化变形时间过程计算模型，并应用于模型坝数值模拟，再现了初蓄过程水力劈裂破坏所需应力条件，得到了顺岸坡方向上后期变形增量空间分布导致心墙拉伸和水力劈裂破坏的机理。最后提出了确保坝壳压实度、控制后期浸水后变形，保证心墙与坝壳后期变形量值和速率协调为核心的水力劈裂防控方法建议。

针对山丘区中小流域洪水预报面临的产流机制混合多变和模型参数难以获取的问题，提出了适用于缺资料地区的中小流域时空变源混合产流模型和基于机器学习CART的参数区域化方法。在小流域地貌水文响应单元划分基础上，利用GARTO非饱和下渗计算模型，从超渗/蓄满机制的平面混合、垂向混合和时段混合三个方面构建时空变源混合产流模型，并采用机器学习CART方法进行模型参数区域化研究。选取不同地貌类型区的15个流域和河南省19个小流域实测降雨径流资料分别对模型适用性和参数区域化方法进行了验证。结果表明，通过与国内外8个水文模型的对比验证，时空变源混合产流模型模拟平均纳什系数为0.78，比其他模型提高约20%；利用本模型和CART参数区域化方法在河南省19个流域计算的平均纳什系数为0.70，比参数随机移植结果提高了35%，本模型和参数区域化方法在山丘区中小流域洪水模拟中应用效果较好。

在混凝土面板堆石坝的各种接缝止水结构中，铜止水作为一道基本止水一直被沿用至今。本文针对某坝高210 m的特高混凝土面板堆石坝，采用数值模拟方法分析了周边缝铜止水在三向大变形和高水压下的应力应变状况。结果表明，相对于直线段铜止水，拐角段铜止水由于自身约束作用造成应力集中更易发生破坏。基于多种方案的数值分析与比较，为该特高面板坝周边缝的铜止水设计推荐了合适的几何尺寸，并针对拐角段铜止水提出了增大防渗安全裕度的措施。

水资源短缺加剧了区域、行业间水资源竞争的程度，影响了水资源的演变格局，也对水资源供需管理提出了新的要求。为了定量化描述用水竞争现象，辨析了用水竞争力概念、内涵及其驱动因素，引入了用水竞争力指数（WCI），并采用驱动增长率、刚性需水量、用水效益和用水紧缺程度四类指标构建了用水竞争力评价模型，以京津冀地区为例，定量分析得到京津冀地区2001—2015年农业、工业和生活分行业多年平均用水竞争力指数分别为0.09、0.17和0.56，其中生活用水竞争力指数最大并长期保持增长趋势，成为影响京津冀地区用水竞争力的主要行业，其次是工业用水竞争力指数，但呈波动性变化特征，农业用水竞争力指数最小但呈持续增加的趋势。

对泥沙颗粒运动规律的把握是准确估算推移质输沙率的基础。本文开展了粗化床面条件下的水槽试验，分析了非均匀沙颗粒的均方位移和速度自相关系数变化，并与已有均匀沙试验进行了对比。结果表明，粗化床面存在着由单个或多个粗颗粒组成的粗化结构体，形成比平整床面更复杂的底部边界，粗化结构体对泥沙颗粒运动造成较大影响，颗粒在运动过程中与水流动量交换强度大，泥沙颗粒运动与均匀沙试验“类弹道扩散”存在一定差异；受床面结构影响，部分颗粒表现出较强的横向运动，颗粒的横向扩散特性与流向扩散特性类似。与均匀沙平整床面不同，粗化床面上颗粒运动可能会相应改变床面结构，从而改变水流底部边界条件，进而对泥沙颗粒运动造成影响，泥沙颗粒运动存在较明显的记忆效应和反常扩散现象。

针对天然河道开展冰情过程数值模拟普遍存在的河道断面资料、水文和气象资料缺少的难题，本研究提出了时均气温和时均太阳辐射计算方法和支流流量的动态分配方法，即根据实测日最大气温、日最小气温和日净太阳辐射率定出关键影响参数，模拟出给定气象站的时均气温和时均太阳辐射的变化过程；通过上游流量向下游传播过程的特征分析，推演出缺少支流流量条件下河道区间支流流量分配的合理比例。将本文方法应用到黄河内蒙河段冰情过程模拟计算中，模拟的巴彦高勒冰盖厚度值和冰盖前沿的发展同实测值吻合良好。本研究成果可应用到少资料条件下江、河、渠道冰情演变过程的数值模拟中，为天然河道冰情的准确模拟提供方法支撑。

为了揭示人类活动干扰对不同时空尺度水文干旱的影响，本文以辽西北大凌河流域为例，利用SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型重建天然状态下的历史水文序列，基于多时间尺度的标准化径流指数（SSI），对比评估天然状态和人类活动影响下的流域水文干旱演变特征。结果表明，人类活动干扰是流域径流序列在2000年发生显著突变的主要原因。在时间尺度上，人类活动对水文干旱的影响主要体现在月、季尺度，对年尺度、多年尺度的影响相对较小。在空间分布上，中游水文干旱受人类活动的干扰较下游更为显著。干旱季节性变化的分析表明，人类活动的影响导致冬、春季出现干旱的频率降低，而秋旱的频率增加；季尺度干旱的历时和烈度的均值和离散程度均呈上升态势。

为研究大型水库热分层期间水质的响应特征及成因，于2018年4月—2018年12月对大黑汀水库坝前水体的水温及溶解氧等理化指标进行了连续性垂向监测，在此基础上分析了大黑汀水库季节性热分层变化规律以及各水质指标的响应特征。结果表明：（1）大黑汀水库水体呈典型的单循环混合模式，热分层期间，溶解氧在垂向分布同样表现出季节性变化，且在水体底部出现严重的缺氧现象，但在形成时间上比热分层略有迟滞；（2）氨氮、总磷、磷酸盐以及铁、锰浓度表现为底层 > 中层 > 表层的变化趋势。研究表明，水体热分层会改变水体中溶解氧的垂向分布结构，并进一步导致沉积物向上覆水体释放大量的氮、磷营养盐以及铁、锰等污染物，对水库的正常运行和管理产生不利影响。

为解决机器学习过程中样本标注困难和模型训练遇到的损失函数取值异常和模型回归难的问题，提出了一种新的斜矩形范围框标注方式。采用“倾斜范围框中心点C的坐标、中心点到任意一个顶点D的向量CD、C到D的一个相邻顶点E的向量CE在CD上的投影向量CP与CD的比例系数”来标注倾斜范围框，在给定约束下实现了一个范围框只有一种数值表示，避免了损失异常，有利于模型回归训练。并将该标注方式应用在遥感影像目标检测任务中，通过斜框目标检测公共数据集，与多种其他倾斜范围框标注方式做了效果对比分析，结果表明新提出的标注方式在验证集上得到的平均准确率为0.7752，该斜矩形范围框标注方式对于朝向任意、密集排布的目标检测更具优势。

我国水动力软件的系统性、集成性、通用性、界面以及开发工具、平台、数据库等方面与国外存在较大差距，严重制约了研究成果向应用转化和推广。鉴于此，构建了安澜模拟系统，该系统是一个跨尺度复合维度水沙生境模拟系统，集成了数据库、前处理、求解器和后处理等四大模块，实现了基于GIS平台的数据库管理、项目管理、网格/断面剖分和虚拟现实成果展示，集成了1/2/3维水沙、水质和水生态数学模块，尤其是在水沙数学模型中，不仅有传统水沙数学模型，还提供了两相浑水模型可供选择，强化了四大功能模块间工作流，使得模拟工作得以标准化、流程化、系统化。基于安澜模拟系统对长江-洞庭湖区域的水文地形数据、模型、项目方案进行规范化管理，对计算结果进行直观展示，计算值与实测数据符合较好。

为了加快新能源开发的步伐，解决风电场、光伏电站工作环境恶劣、巡视困难等客观问题，我国急需建设和发展新能源集控中心，达到“远程监控，现场无人、少人值守”的目的。本文通过总结新能源集控中心的需求和特点，探究了新能源海量数据处理、基于海量数据的智能报警、多协议统一接口等关键技术，解决了新能源集控数据传输、设备接入、特色监控应用等实际问题，提出了构建新能源集控中心一体化平台的解决方案。