南水北调中线冬季冰情变化特征及输水能力提升策略研究

南水北调中线工程冰期输水能力受限已成为制约工程安全运行和社会效益发挥的巨大障碍。认识和辨析通水以来中线干渠冬季水温冰情演变规律及影响机理,是中线干渠冬季输水能力提升亟需解决的关键问题。本文基于2011—2023年中线干渠连续12个冬季的气象、水力、冰情等原型观测资料,分析了中线干渠水温冰情时空分布本底和特征规律,明晰了影响中线干渠冰凌生消的关键因素,针对性提出了冬季输水能力提升的相关应对策略。分析表明:通水以来冰情发生的范围和时间相比理论预想偏小、偏短,冰凌影响区为七里河倒虹吸至北拒马河暗渠段,冰塞风险区为滹沱河倒虹吸至北拒马河暗渠段,多年平均冰厚15 cm,历史极端冰塞厚2.9 m,冰凌壅水最高值0.73 m;干渠冬季水温由南向北递减,依次出现岸冰、流冰和冰盖,日均气温转负后相应的断面平均测量水温在2.5、1.0和0.25℃左右,且沿程水温下降速率与流量和气温呈负相关,即增大输水流量可减缓水温下降速度;影响冰凌生消的关键因素是气温、流量、太阳辐射和风速,典型年如2016年的严重冰情与1月低累计负积温、大输水流量和短时寒潮叠加有关,漕河等渡槽失温快产冰量大与风速密切相关。基于上述分析,未来可考虑结合气象、水情、冰情实时监测和智能预警预报,建立水温-水量-水力协同调控和动态调度技术体系,重点从缩短冰期输水时长、降低冰情影响范围、优化关键控制指标和挖潜渠道防冰塞性能等多方面全面提升南水北调中线工程冬季输水能力。

南水北调中线总干渠冰盖糙率观测分析

冰盖糙率是确定渠道冰期输水水位和流量关系的基础参数,一直是明渠冰工程研究的重点之一。鉴于当前大型混凝土渠道冰盖糙率研究成果相当匮乏,以南水北调中线总干渠石家庄以北唯一无输水建筑物的唐河节制闸—放水河节制闸渠段为研究区域,依据全线通水以来唯一生成全渠段封冻冰盖的2016年1—2月逐日水位和流量实测数据,采用伯努利能量方程和谢才-曼宁公式推求渠道糙率,定性定量分析封冻前后渠道糙率变化特征。结果表明:①研究渠段畅流期渠道糙率n b为0.0167,封冻期冰盖综合糙率n c为0.0146,冰盖下表面糙率n i为0.0118。②由于水力磨蚀作用,封冻期冰盖糙率随时间呈波动减小的趋势。③渠道一旦生成封冻冰盖,输水能力大幅降低,仅占渠道设计流量的66.7%。该研究给出了大型混凝土渠道封冻冰盖糙率和输水能力降低的确切数值,以期为冰期输水调度和类似工程设计提供科学依据。

南水北调中线受水区水资源利用效率及影响因素

为提升南水北调中线工程受水区水资源利用效率,以工程沿线北京、天津2个直辖市和河南、河北18个省辖市共计20个地域单元为研究区域,基于2015—2021年面板数据,采用Super-SBM模型、GML模型及sys-GMM估计法对受水区水资源利用效率进行测度,对影响因素进行识别。结果表明:全区水资源静态利用效率总体偏低但呈波动上升态势,区域差异较大,呈京津板块>河南板块>河北板块格局,空间上呈现以京津冀、郑州2个都市圈为核心向外围逐渐递减的“核心-外围”结构;全区水资源动态利用效率整体呈波动上升趋势,主要源于技术进步,而技术效率作用有限;经济发展水平、水资源禀赋、科技水平、城镇化进程、人口密度与水资源利用效率显著正相关,水污染程度、产业结构、环境规制与水资源利用效率显著负相关。

南水北调中线受水区全要素水资源绿色效率及节水减排潜力

采用非径向、非角度SBM-DEA模型测算2015—2021年南水北调中线受水区20个城市全要素水资源绿色效率,探究其时空演变规律,并分析各市节水减排潜力。结果表明:受水区全要素水资源绿色效率总体呈现以京津冀、郑州两大都市圈为核心向外围逐渐递减的“核心-外围”空间结构模式以及全要素水资源绿色效率由高到低依次为京津、河南、河北的空间分异规律;2015—2021年受水区全要素水资源绿色效率总体呈波动上升趋势,但仍处于较低水平,仅实现了最优效率的70%~85%;不同城市节水减排潜力差异显著,空间上呈现“南高北低、西高东低”的分布格局。

南水北调中线水源区植被指数时空变化分析

通过单线性回归(SLOPE)和地理加权回归(GWR)法,用植被指数(NDVI)研究南水北调中线水源区的植被分布变化趋势及机制,为保障水量和水质提供理论支撑。结果表明,2000—2019年水源区NDVI和入库流量呈现同步增长,植被逐渐变好,2007年以前NDVI增长幅度大,2008—2011年处于波动阶段,2012年以后增长幅度减小;NDVI变化最明显的是研究区东北部、西部和丹江口库区周边,这些区域地势相对低平、人口集中,中山和高山区NDVI变化不大;高程、坡度、人口数和城镇化是影响水源区NDVI分布的主要因素,降水、气温和产业比重是次要因素;各因素影响的强度和方向在空间上有异质性,自然地理因素对NDVI影响的最显著范围为高程1090 m以下、年均降水量980 mm以上的区域,人文地理因素影响的显著范围区是人口密度大、城镇化率高的地区。

南水北调中线工程水源地南阳推进EOD模式的路径研究

近年来,生态环境导向的开发(EOD)模式受到广泛关注。南阳作为南水北调中线工程核心水源地,也是渠首所在地,推进EOD模式有助于其将“绿水青山”转变为“金山银山”,能够为生态环境治理与产业协同发展提供有力支撑,同时促进共同富裕。农产品资源丰富但竞争力不强、生态产品价值实现周期长、保水质任务艰巨制约着其推进EOD模式。基于此,建议采用“授权—建设—运营”(ABO)模式进行运营,从打造特色名片、构建农产品平台服务体系以及加强合作等方面着手推进。

基于全气象参数的南水北调中线冬季水气热交换模型

针对南水北调中线干渠水体表面热交换精细模拟技术欠缺和多气象因素相互作用机理不明等关键问题,考虑太阳高度角、日照时间、云层遮挡和反照率等因素对太阳辐射的影响,并综合分析水体吸收、反射和发射的净长波辐射、涵盖水体蒸散发失热、水面温差引起的热传导和降雪引起的失热,建立了基于全气象参数的大型明渠水气热交换数学模型。结合南水北调中线全线通水后5年的冬季水温、气温、相对湿度、气压、风速、太阳辐射等原型观测资料,重点分析和模拟了典型年北拒马河、漕河渡槽和滹沱河倒虹吸等渠池的净热通量量值及其组分占比。结果表明,模型能够精细模拟不同渠池水体逐小时吸收的太阳辐射、释放的长波辐射、蒸发失热和水气热传导。模拟结果和观测资料均显示中线干渠冬季以失热为主,其中太阳辐射对净热通量的贡献最大,其次分别为长波辐射、蒸散发失热、温差引起的热传导,占比分别为43.1%、30.9%、17.2%和8.8%。本文量化了中线干渠冬季热通量组成,为进一步研究中线水温冰情精细模拟和输水能力提升提供了基础。

南水北调中线工程水源区环境规制对经济高质量发展的影响

为研究南水北调中线工程水源区环境规制通过水资源利用对区域发展质效的影响,基于2005—2022年南水北调中线工程水源区12个城市的面板数据,构建基准回归模型、中介效应模型和门槛效应模型,实证分析了环境规制、水资源利用效率和经济高质量发展之间的关系。结果表明:环境规制对经济高质量发展具有正向促进效应,该促进效应在不同区域间存在异质性,环境规制的促进作用在用水量小的地区更加显著,而在用水量大的地区,丰富的水资源限制了环境规制对经济高质量发展的促进作用;在环境规制影响区域,水资源利用效率在经济高质量发展过程中发挥出显著的中介作用,水资源利用效率中介效应占环境规制总促进效应的比例为13.5%;水资源利用效率在环境规制对经济高质量发展影响中具有门槛效应,当水资源利用效率超过4.3后,环境规制对经济高质量发展的促进效应显著增强。

基于标准化温度指数的南水北调中线工程沿线地区冷暖冬评估

选择南水北调中线工程沿线邯郸、正定、涿州为代表地区,利用1979-2021年冬季逐日气温数据,分析各代表区气温序列统计频率分布与理论概率分布的拟合情况,提出标准化温度指数(standardized temperature index,STI),并据此建立新的冬季冷暖量化评估模型。结果表明:STI方法与国标法的冬季冷暖评估结果基本一致,但在各代表区强冷冬和强暖冬划定上,STI评估得出的年份数量均少于国标法;各代表区以1月份气温计算得出的冷暖等级阈值对应的气温值均明显低于按整个冬季3个月计算结果。工程所在纬度越高,冬季冷暖等级阈值对应的气温值越低;根据STI评估结果,邯郸、正定、涿州发生强冷冬概率分别为7.14%、9.52%和4.76%,发生弱冷冬及以上的概率分别为38.09%、40.48%和38.09%,发生平冬的概率分别为21.43%、28.57%和21.43%,发生弱暖冬及以上的概率分别为40.48%、30.95%和40.48%,发生强暖冬的概率分别为4.76%、7.14%和2.38%。研究成果与基于正态分布的国标法相比,考虑了气温序列的偏态性概率分布特征,对相对冷暖的判别更科学,有推广应用价值。

南水北调中线工程突发水污染生态补偿机制研究

突发水污染已成为制约南水北调中线工程可持续调水的重大安全隐患,亟须解决南水北调中线工程突发水污染的生态补偿机制设计问题。针对应由中线局承担责任的南水北调中线干渠突发水污染场景,从多利益相关者合作视角出发,明确了中线局向纳污地政府提供生态补水的突发水污染生态补偿机制,基于合作博弈理论,构建了中线局与纳污地政府合作联盟的纳什议价模型,并以河南省邓州市为例开展研究,主要研究结果表明:①生态补水天数与纳污总损失呈现出显著的正向相关关系,且伴随纳污总损失逐步增大,中线局议价能力对补水天数的影响能力呈现出边际递减特征。②中线局生态补水成本与生态补水天数具有显著的正向关系,随着中线局议价能力的增强,生态补水成本的规模效益呈现一定的弱化趋势。③在一定的生态补水规模范围内,中线局与纳污地政府能够达成有效的合作联盟。

南水北调中线京石段闸门间歇关闭水力响应特性

为减小闸门关闭引发的水位壅高,以南水北调中线工程京石段磁河闸至沙河北闸之间的渠池为研究对象,构建一维明渠非恒定渐变流仿真模型,比较分次间歇关闸与一次连续关闸,以及不同闸门间歇方案对闸前壅水峰值、水力振荡稳定时间的影响。研究表明:分次间歇关闸可带来更低的闸前壅水水位和更短的水力振荡稳定时间;设置1次间歇相较于多次间歇可减小闸前壅水峰值,将间歇开始时刻设置在上游降水波即将传播至闸前的时刻、设置间歇时长略小于关闸总时间的1/2均可有效降低闸前壅水峰值,缩短稳定时间。闸门分次间歇关闭水力响应特性与水波运动规律紧密关联,合理设置间歇有助于在应急调控阶段减少事故造成的影响。

南水北调中线工程水源区和受水区的降水时空变化特征及丰枯遭遇

[目的]基于1950—2022年时间序列ERA5再分析降水数据,探究南水北调中线工程水源区和受水区降水量时空变化特征,旨在保障跨流域调水的可行性和持续性,为南水北调中线工程水资源调度和运行管理提供科学参考。[方法]采用Mann-Kendall检验、小波分析、云模型以及Copula函数等方法,分析水源区和受水区降水变化趋势以及丰枯遭遇特征。[结果]①1950—2022年南水北调工程水源区和受水区分别按照年降水量34.75和39.35mm/(10a)幅度减少,水源区年降水量存在43a的主周期,受水区年降水量存在55a的主周期。②云模型隶属云图夏季降水量分布不均且离散程度较高,而冬季分布均匀且较集中。③调水不利的组合汛期和非汛期遭遇频率分别为23.15%和25.92%。[结论]水源区和受水区年降水量均呈现明显减少趋势,水源区丰枯交替变化显著;南北丰枯异步概率大于丰枯同步,同枯频率不高,有利于调水工程的安全性和可靠性。研究结果可为制定南水北调中线工程相关政策和技术指导提供理论依据,有助于工程的规划和管理,提高水资源利用效率和可持续性。

南水北调中线沉藻池布置方案优化

南水北调中线总干渠联通工程处拟新建沉藻池,实现总干渠藻类等混合物集中沉降和处理。通过现场试验研究总干渠水体藻类等混合物沉降特性,并采用二维水动力数值仿真分析沉藻池在设计工况条件下的水流特性,提出导流墩的优化布置思路。结果表明:在水深基本一致条件下,随着断面平均流速的增加,有效沉降距离增加,有效沉降率有所降低;在沉藻池初始设计方案下,藻类等混合物可在沉藻池内进行沉降,但沉藻池利用效率不足;布置纵向导流墩后,可有效改善沉藻池内水流平顺性和水体交换能力;在设计工况下,沉藻池内回流区水域面积占比从57%降低至7%,池内水流平均流速从约0.10 m/s降低至约0.07 m/s,平均水龄从约18 h降低至约6 h。研究成果可为中线沉藻池工程布置提供基本技术支撑。

南水北调中线工程输水建筑物整流累积效应研究

为分析输水建筑物整流对南水北调中线工程输水能力的影响,以陶岔渠首闸至十二里河渡槽渠段为例,建立一二维耦合水动力模型,其中渠道段采用一维模型,4个输水建筑物段(刁河渡槽、湍河渡槽、严陵河渡槽和淇河倒虹吸)采用二维模型,利用多年实测数据对耦合模型进行率定。分别对无整流方案和15种整流方案进行模拟计算,分析不同整流方案对上下游的影响,进而确定水头损失最小的整流方案。结果表明:单体整流影响范围为建筑物上下游3~5 km,多个建筑物整流的累积效果小于单个建筑物整流效果的线性叠加;对渠段中间2个输水建筑物(湍河渡槽、严陵河渡槽)进行整流的效果优于对上下游2个输水建筑物(刁河渡槽、淇河倒虹吸)进行整流的效果。

新形势下南水北调中线工程智慧调度的研究框架思考

南水北调中线工程智慧调度是新形势下实现精确精准调水、支撑工程高质量发展的重要途径。系统分析了南水北调中线工程通水以来的运行条件变化,提出了新形势下中线工程智慧调度需解决的关键科学技术问题,并提出了未来重点研究内容:要在研究复杂调水系统多水源多用户水资源均衡调配方法基础上,研发中线工程多场景输水智慧调控技术、事故智能预警与精细控制技术体系、决策支持平台,形成中线工程调度的科学决策管理模式,为国家水网重大工程智慧调度管理提供科学应用范式。

南水北调中线总干渠水情数据智能清洗

南水北调中线总干渠水位、流量等实时水情数据受外界扰动、测量系统误差等因素影响而产生的病态水情数据将造成调度模型计算失真,甚至导致计算失败。为此,针对上下游流量数据空间上的逻辑错误和水位数据时间序列的跳变,分别建立基于粒子群优化的水量平衡模型和指数加权滑动平均模型,对病态水情数据在空间、时间上实施横向、纵向清洗处理。以穿黄节制闸至漳河节制闸间的渠段为典型研究区间,利用模型自动识别流量倒挂点,并对该渠段涉及的12座节制闸、26处分水点的流量数据进行统一修正,实现了上下游逻辑上的合理性。同时,选取研究渠段内的闫河节制闸为代表,在48 h内运行基本稳定状态下,对每2 h的闸前水位数据序列进行分析,自动识别出跳变数据并进行合理修正。结果表明:建立的模型可自动识别病态水情数据并进行智能清洗,处理后的数据能够较好地满足输水调度分析决策的需要,因此该模型具有推广应用的价值。

南水北调中线总干渠污染物降解及自净能力研究

自净过程是影响河湖水体水质变化的重要因素,污染物降解系数是决定水体自净能力的关键参数。定量分析长距离输水过程中渠道本身的自净作用,对于认识总干渠水质变化过程,区分其他外源因素对水质变化的影响都有着重要意义。以高锰酸盐指数和氨氮为研究对象,采用室内实验模拟的方法测定了南水北调中线输水总干渠典型断面的污染物降解系数,并将模拟的自净衰减过程与水质实际变化过程进行对比。结果显示:①总干渠污染物降解系数k相对天然河流处于较低水平,陶岔断面k_(COD_(Mn))为0.055 d^(-1),k_(NH_(3)-N)为0.003 d^(-1),郑湾断面k_(COD_(Mn))为0.049 d^(-1),k_(NH_(3)-N)为0.003 d^(-1),大安舍断面k_(COD_(Mn))为0.032 d^(-1),k_(NH_(3)-N)为0.009 d^(-1);考虑到高锰酸盐指数实际组分复杂,渠道降解系数较模拟结果可能更低。②模拟的自净衰减过程受温度、流速的影响较大,不同条件下总干渠高锰酸盐指数将从1.8 mg/L下降至0.228~1.042 mg/L,氨氮浓度将从0.034 mg/L下降至0.026~0.030 mg/L。由于存在藻源性、大气沉降和坡面径流等外源输入增量,总干渠沿程实测高锰酸盐指数介于1.8~2.4 mg/L之间(2019年),基本维持稳定;氨氮浓度介于0.029~0.096 mg/L之间(2019年),有升高趋势。理想条件下,自净作用最大能够消减高锰酸盐指数增量的81.81%,消减氨氮增量的30.37%。研究成果可为深入认识南水北调中线总干渠输水过程中水质沿程变化提供参考。

南水北调中线工程受水区年度水量分配方法研究

南水北调中线一期工程已正式通水运行近10 a,随着受水区各省(直辖市)配套设施不断建成,水量消纳能力逐步提高,在水源区供水有限的情况下,受水区之间竞争性用水问题日益突出。基于南水北调中线工程设计成果,提出一种基于受水区各省(直辖市)设计多年平均分配比例的南水北调中线工程年度水量分配方法。该方法将可调水量按各省(直辖市)设计多年平均分配比例进行分配,所得结果为各省(直辖市)的年度可调水量初始分配值,进而取该值与该省(直辖市)用水计划建议的较小值作为其年度分配水量;最后以南水北调中线工程可调水量80亿m^(3)为例开展计算。结果表明:根据受水区4省(直辖市)用水计划建议分析水量分配面临情况,提出北京市、天津市、河北省、河南省分配的水量分别为10.4亿,8.56亿,28亿,30亿m^(3)。该方法可为南水北调中线工程年度水量调度计划编制提供参考,为保障工程效益的发挥提供支撑。

南水北调中线生态保护措施对水源区碳中和的影响——以南阳市为例

为研究南水北调中线工程调水后采取的生态保护措施对水源区碳中和的影响,以南阳市为研究区域,梳理保障南水北调调水工程运营颁布的相关政策,利用碳排放、碳吸收测算模型分别测算水源区的碳排放量和碳吸收量,分析政策驱动引致的生态保护行动对南水北调水源区减排固碳能力的影响。研究发现:南阳市的碳排放量以2014年为结点整体呈先增长后下降的阶段性特征,碳吸收量整体呈现显著上升变化趋势;南阳市的碳吸收量大于碳排放量,整体已达到“碳中和”要求;水污染治理、节能减排、水土流失治理、林业建设等保障调水的生态保护措施通过增加水源区的减排固碳能力,促进“双碳”目标实现。研究结果为双碳目标实现提供决策参考。

南水北调中线输水调度预演系统研发及应用

南水北调中线输水调度仿真预演是精准化调度决策的基础。针对中线输水线路长、控制闸门多、运行工况复杂等调度难点,开发了数字孪生南水北调中线输水调度仿真预演平台,构建了水情数据智能清洗模型、自主学习训练模型、总干渠一维恒定流和非恒定流精准模拟模型、典型建筑物局部三维水力仿真简易模型等,实现对任意设定工况下水力调控方案效果的精准仿真,形成有效的调度预案。预演平台具备较强的灵活性和通用性,方便用户自由模拟不同时空尺度下的各类运行工况,可适应入流和出流等边界条件的变化。系统具有自主学习能力,能够随着监测数据的积累,不断自动完善计算模型参数和结构,提高计算精度。南水北调中线输水调度预演系统为安全高效输水调度提供有力的技术支撑。