调水影响下湖泊流域水资源多尺度演变与安全调控

针对大规模调水输入等强烈人类活动影响下的湖泊流域水文循环剧烈变化威胁湖泊流域水安全的问题,开展了“调水输入影响下湖泊流域水资源多尺度演变与安全调控关键技术”研究。主要内容包括:进行典型湖泊及其主要入湖河流水量、水质、水生态多要素同步监测,揭示了胁迫湖泊流域水资源安全的关键因子,阐明下垫面变化下水文水动力多要素耦合机制,辨识了多水源交互作用下湖泊水质和蓝藻的响应关系,提出了水资源水环境水生态协调的控制阈值与实现条件;创新了水资源-经济社会-生态环境互馈模拟技术、水资源供用耗排补全过程模拟技术、大型复杂水体“0-1”结构洪水演进模拟技术、河网洪水行为模拟技术,研发了湖泊流域水资源多尺度模拟调控模型,突破了多过程耦合、尺度相容、非均匀性协调等模型构建的难题。依托成果创建了湖泊流域水资源安全智慧管控平台,在国家、流域、省、市不同层级的防洪、排涝与水资源管理中实现了体系化应用,为南四湖、太湖、巢湖等多个湖泊流域管理与多项重大工程的建设和规划编制、河湖管理科技进步提供了支撑。

省际粮食贸易隐含污染与环境比较优势研究

为协调粮食生产、贸易与面源污染的矛盾,实现绿色农业发展、区域间利益共赢,在测算省际粮食贸易量的基础上,运用灰水足迹方法计算各省隐含氮污染和污染强度,构建了粮食贸易隐含氮污染网络,解析了省际粮食生产隐含氮污染的环境比较优势。结果表明:中国省际粮食贸易网络格局由“条块式”转向“团块式”,贸易集中化趋势明显;省际粮食贸易隐含污染和污染强度呈下降趋势,但地区差异明显加剧了环境不公平;环境比较优势网络表现出“两头小,中间大”的橄榄形分布,环境比较优势最小的地区集中在华北地区,最大为黑龙江。

沿海中小河流域地表-地下水库联合调控洪水资源利用研究:Ⅰ.方法与模型

针对沿海中小河流域地表-地下水库复杂工程系统,因缺少联合调控方法而导致洪水资源利用难的问题,解析地表-地下水库系统结构与功能,定量模拟地表水库调度、闸坝调控下河流和地下水动力过程,并利用智能替代模型提升水动力过程计算速度;在此基础上通过研发时/日/月多时间尺度模型耦合嵌套方法,构建了兼顾计算精度与效率的地表-地下水库联合调控模型。该模型实现了洪水、地表-地下水相互作用和供水等时间尺度差异明显的调节过程的统一调配,可为沿海中小河流域洪水资源利用提供新思路与技术支撑。

基于稳定同位素贝叶斯混合模型的南四湖水量来源定量解析

为定量解析南四湖水源组成,厘清本地水与外调水的关系,精准保护湖泊水资源,本文建立了基于氢氧稳定同位素的贝叶斯混合模型,分析比较南水北调东线运行后调水期和非调水期不同水源对南四湖湖区的贡献比例及季节特征。结果表明:(1)流域降雨受到一定程度局地蒸发的影响,夏季受海洋蒸发水汽的影响;(2)南四湖地下水、大气降水、入湖河流和外调水等不同水源对湖区水体的贡献比例受南水北调东线工程运行影响较大,调水期分别为5.4%、8.7%、31.2%和54.7%,外调水贡献比例最高;非调水期分别为22.9%、53.0%、6.7%和17.4%,大气降水贡献比例最高,入湖河流贡献相对较少。(3)南水北调东线调水实施后,调水期的外调水量对湖区的贡献占绝对优势,表明调水对南四湖水量变化发挥了重要作用,调水活动逐渐取代自然因素成为流域水量变化的主要驱动因子。

基于水文模型的山东半岛典型流域产流模式探讨

为明晰山东半岛半湿润地区流域产流模式,以龙角山水库流域为例,利用28场洪水资料,以新安江模型和垂向混合产流模型作为蓄满产流和混合产流的代表,探讨半湿润地区流域产流模式。结果表明:(1)垂向混合产流模型的洪峰流量、峰现时间和径流深三个预报项目的平均合格率,在率定期和验证期分别为81.7%和91.7%,达到甲级精度,且模拟结果地面径流与壤中流占比大,对洪峰过程的模拟吻合度高。(2)新安江模型所有预报项目的平均合格率,在率定期和验证期分别为73.3%和83.3%,达到乙级精度,其模拟结果地下径流占比大,对退水过程模拟吻合度高。本研究确定了混合产流模式在龙角山水库流域的适用性要优于蓄满产流模式,对明晰山东半岛半湿润地区产流规律具有促进作用。

ICP-OES测定新疆塔里木河金属离子含量及维护保养措施

新疆塔里木河水体中富含钾、钠、钙、镁等高浓度的金属离子。文章建立了ICP-OES测定新疆塔里木河中钾、钠、钙、镁含量的方法,采用称重法配制标准曲线溶液,相比较传统的移液管方法,采用称重法计算出的稀释倍数会更加准确,标准曲线的线性相关系数更好。采用垂直观测方式测试了该方法的检出限、精密度和准确度,实验结果较好,说明ICP-OES进样系统的维护保养措施有效。

沿海中小河流域地表-地下水库联合调控洪水资源利用研究:Ⅱ.实例应用

以山东半岛乳山河流域为例,构建了时、日、月多时间尺度嵌套的乳山河流域地表-地下水库联合调控模型,通过对地表水库泄流、河道闸坝控制水位、地表-地下水库供水等调控规则的优化,提出了地表-地下水库联合调控洪水资源利用方案。研究结果表明:在洪水来临之前通过地表-地下水库联合调控抬升河道控制水位、加大地下水库供水比例、增加河道入渗量,可将地表水库多余水量适时转移到地下水库,腾空地表水库拦洪库容,有效增加流域洪水资源利用量;联合调控方案下,乳山河流域洪水资源的丰(2007年)、平(1994年)、枯(1967年)年,洪水资源利用量分别增加了846.96万、728.77万、106.35万m^(3),验证了地表-地下水库联合调控模型的实际应用效果。

甬江流域鄞州平原区极端洪水对暴雨的响应特征

为深刻揭示变化环境下甬江流域鄞州平原区雨洪关系特征,以姜山水文站为例,基于1962—2021年逐日降水和水位观测资料,利用分位数扰动法和极端降雨水位时变相关模型,从扰动过程和时变关系两个方面,探讨了水位对极端暴雨的响应特征演变趋势。结果表明:近60年姜山水文站年最大1、3 d降水量和年最大水位均呈显著上升趋势,变化倾向率分别为8.39 mm/10 a、12.66 mm/10 a和0.67 m/10 a;年最大1、3 d降水量和最大水位均呈现相似的阶段性扰动特征,即1960—1984年以负扰动为主,1985—2012年扰动强度较为平稳,2013—2021年为显著扰动;在选用的12个模型中,Time-varing Normal、Time-varing Rotated Gumbel、Timevaring Symmetrized Joe-Clayton等3个动态时变响应模型能更好地拟合极端洪水对暴雨的响应。总体上,年最大水位对年最大3 d降水量的响应以1990s—2000s为高值期,呈现先升后降的阶段性特征。研究结果可以加深城镇化对雨洪关系影响机制的认知,也可供区域洪涝灾害预警和预测参考。

考虑调水和供水规则的水库优化调度

针对用于调节当地地表水资源的水库受多水源影响需要制订新调度规则的问题,考虑非常规水调蓄能力低的特点,在优先配置非常规水的基础上对受水区水库设置调水和供水规则,建立了考虑调水和供水效率的水库优化调度模型,并采用理想点法和遗传算法对调度规则寻优。将模型应用于威海市区米山水库,结果表明:与标准调度策略相比,优化后的水库调度规则使多年平均调水量减少2692.4万m^(3),多年平均弃水量减少417.5万m^(3),提高了天然来水和外调水的利用率;枯水年对外调水的依赖性高于丰水年和平水年,平均调水量仅减少398万m^(3);在该调度规则下,减少外调水量的同时增加非常规水的配置可将农业供水保证率从75%提高到88.4%。

滨海地下水库建设与利用方式对含水层水盐运移规律的影响

为揭示地下水库建设与地下水开采方式对滨海含水层水盐运移规律的影响,建立了300 m×900 m×30 m的概念数值模型,并采用非承压含水层变密度流模拟方法,解析地下水库建设前后不同开采情景下的滨海含水层水盐运移规律。结果表明:地下水库建设可显著降低海水入侵范围与程度;地下水开采能在一定时间范围内加速地下水库残留海水入侵扩散程度,咸水入侵系数与开采规模、开采井与地下坝之间的距离成指数关系;合理布设开采井位置与开采规模,能有效降低地下水开采对库区水体咸化的负面影响。

河南地下水超采区综合治理绩效评估实践

河南省自2018年开展地下水超采区综合治理试点工作取得了一定成效。科学合理的绩效评估是后续稳步推广地下水超采区综合治理工作的保障。本着定性与定量相结合、代表性与可操作性相结合的原则,利用层次分析法、专家咨询法,构建了河南省地下水超采区综合治理试点绩效评价指标体系,进一步分析了地下水压采综合成效,总结了河南省地下水超采区综合治理试点工作的有益经验,并提出了相关问题建议,以期为华北地下水超采区综合治理提供借鉴。

基于初始二维水权的流域水资源调控框架初析

为推动中国水权制度建设进程与落实最严格水资源管理制度提供技术支撑,基于二维水权概念与内涵等现有研究成果,结合对国内外初始水权分配相关研究进展与需求实践的系统梳理,从供水管理视角提出了包括"初始分配"、"优化调控"和"实时调控"3项内容在内的基于初始二维水权的流域水资源调控理论框架,详细阐述了各组成部分的实现途径、支撑技术、建模步骤及其之间的工作关系。

基于水量与水质的流域初始二维水权分配模型

基于水资源量质统一的基本属性,论述了用水与排污双总量控制的必要性以及初始水量权与初始排污权统一分配的科学性,提出二维水权的概念。确定了流域初始二维水权分配遵循的具体原则,建立了各原则视角下的水资源系统和谐度函数;构建了以水资源系统和谐度最大为目标的流域初始二维水权分配模型。以北江流域为背景进行实例分析,计算结果表明:本文模型有效,并且通过建立超标排污对水量分配的惩罚函数,把超标排污的外部性内化到水量分配上,实现了初始水量权与初始排污权分配的统一。

基于库容分区运用的水库群生态调度模型

在不影响防洪、供水等现有利益格局的前提下,通过改善水库调度方式、发挥库群联合调控作用,提高生态供水保证率,是当前中国北方缺水地区流域水资源管理中的重大科学问题。把河流生态系统作为一个独立用水户,制订多用户分区运用水库群调度模拟规则,同时考虑调度方案对生态与发电的影响,建立水资源系统仿真模型,结合保证各用户供水保证率最大且尽可能均衡的目标函数,构建基于库容分区运用的水库群生态调度模型。将模型应用于海河流域滦河水系,提出了现状供水条件下潘家口、大黑汀和桃林口三大水库联合调度方案,绘制了水库群分区运用调度图,评价了调度方案对水力发电和下游生态系统的影响。结果表明,所提出的模型有效,水库群生态调度方案较之现行调度,可在不降低兴利和防洪效益的前提下,将河流生态系统供水保证率由46.9%提高到93.8%,生态水文改变度指标改善明显。

水库控制流域汛期分期的有效聚类分析

受诸多因素影响的水库汛期分期其实质是一个聚类数目未确知的高维时间序列聚类问题,它要求聚类方法具有能处理高维和时序性数据,且能同时回答聚为几类最为合理的能力。鉴于目前常规聚类方法不同时具备这些能力,在模糊C-均值聚类和紧密与分离聚类有效函数的基础上,提出了能够处理高维时序聚类问题的动态模糊C-均值聚类分析方法和相应的时序聚类有效性函数,耦合二者建立了适用于汛期分期的有效模糊聚类分析方法,提出采用实码加速遗传算法优化求解,克服了模糊C-均值聚类方法常规迭代优化求解对初值敏感的困难,并给出了完备的建模步骤和模型的合理性检验。最后,将模型应用于滦河流域潘家口水库汛期分期中,得出了合理的结论。

流域水资源供需双侧调控模型及应用

针对水资源常规配置中供需分离、配置与调度结合不紧密,难以支撑流域水资源严格管理的问题,提出流域水资源供需双侧调控模型。在需水侧,通过建立供水量和效益函数关系,并考虑水土资源等约束条件,构建农业种植结构与灌溉制度优化模型;在供水侧,采用模拟与优化、配置与调度相结合的两阶段建模路径,构建多水源配置与水库群优化调度模型;通过来源于需水侧模型的“需水过程”与来源于供水侧模型的“可供水过程”的分解与耦合,实现供需双侧的联合调控,综合集成构建流域水资源供需双侧调控模型。将该模型应用于南四湖流域,提出了南四湖上级湖、下级湖等大型湖库工程的优化调度图与不同年型下农业种植结构和水资源配置方案,验证了模型的有效性。通过供需双侧协调优化,南四湖流域供需缺口缩小,农业种植效益增加,枯水年水分生产效益提高了0.70元/m3、平水年水分生产效益提高了0.63元/m3;生活和工业供水保证率稳定在95%,生态和农业供水保证率明显提升,分别由53%提高到71%、由67%提高到75%。

改进的AGA在河流水质模型参数优化中的应用

河流水质模型一般具有非线性、非凸等不规则特点 ,若能找到一种优化方法平衡各参数的相对重要性 ,并能使其达到足够的精度 ,这是合理运用水质模型的关键。文章提出通过设置断点对 AGA加以改进 (称改进的 AGA) ,并成功地应用于多参数多宾斯 BOD-DO河流水质模型参数优化中 。

东湖污染物来源的智能识别方法

为识别东湖污染物来源,建立排污口与主要致污因子之间的对应关系,提出了污染物来源智能识别方法;该方法巧妙耦合了对应分析、模糊C-均值聚类及聚类有效性函数等方法,并用加速遗传算法有效解决了这一复杂问题。使用该方法于东湖污染物来源识别,快速得出了排污口与污染物之间的6类对应关系,为东湖污染综合治理提供了合理的决策依据。该方法在排污口众多、污染物来源复杂的城市水体污染治理中,具有一定的推广应用价值。

南四湖“三湖两河”洪水演算数值模型优化

南四湖是中国北方最大的淡水湖泊,由南阳湖、独山湖、昭阳湖和微山湖4个湖区串联而成,地形复杂,洪水易涨难消,与滨湖区涝水交换频繁,建立兼顾效率和精度的洪水演算模型复杂困难.基于1960s提出的用"三湖"和"两河"来概化模拟南四湖洪水的理念与"三湖两河"半图解法洪水演算模型,采用四阶龙格库塔法代替半图解法,改进"三湖两河"洪水演算模型,对比分析计算精度、效率和灵活性,"三湖两河"洪水演算数值解模型优于半图解法;分析了滨湖排水模数、"两河"传播历时等模型经验参数的敏感性,以及韩庄闸水位—流量关系变动对湖泊高水位的影响,据此提出了南四湖洪涝治理的若干建议.南四湖"三湖两河"洪水演算数值解模型可作为南四湖洪水管理的基础工具,因地制宜的建模思路对类似湖库具有重要参考价值.