新阶段完善海河流域防洪工程体系的思考

海河流域水系复杂,暴雨洪水集中,极易形成洪水灾害,防洪任务重。文章回顾了海河流域防洪工程体系建设成就,分析了京津冀协同发展、雄安新区建设等国家重大战略的实施以及水利高质量发展、应对气候变化对流域防洪减灾能力提出的新要求,结合“23·7”流域性特大洪水等近年来洪水防御情况,全面检视了流域防洪工程体系存在的突出短板和薄弱环节,提出了完善流域防洪工程体系的思路举措。

新阶段海河流域防洪重点内容与举措思路

海河流域水系复杂、暴雨洪水集中,极易形成洪涝灾害,防洪任务重。回顾了2008年海河流域防洪规划实施情况,分析了京津冀协同发展、雄安新区建设等国家重大战略的实施以及水利高质量发展、防灾减灾救灾新理念、应对气候变化对流域防洪减灾能力提出的新要求,全面梳理了本次防洪规划的重难点问题,提出了完善流域防洪体系的思路举措。

海河流域治水精神在新时代水土保持工作中的应用

海河流域是我国七大流域之一,在长期的治水实践中,海河流域形成了独具特色的治水文化,孕育了催人奋进的治水精神。在新时代水土保持工作中,正确看待和理解治水精神,用治水精神指导当前水土保持工作,并在此基础上培育形成新时代的治水精神具有重要意义。通过系统梳理海河流域治水精神及其内涵,分析海河流域治水精神具有人民性、实践性、时代性、民族性和科学性5个共同特征,并从大力弘扬“根治海河”精神、牢固树立以人民为中心的思想、建立顶层思维、充分认识水土保持工作的长期性和艰巨性、加强科学研究、加大水土保持精神的宣传教育力度6个方面对新时代水土保持工作提出了建议。

海河流域水土流失空间分布特征及防治对策

基于2020年海河流域水土流失动态监测成果,计算县级行政区土壤侵蚀严重指数,分析流域水土流失面积及分布特征等,提出水土流失综合防治对策。流域水土流失面积占土地总面积的20.84%,占山区土地面积的34.21%;土壤侵蚀严重的县级行政区有5个,较严重的有63个;水土流失分布主要集中在永定河上游黄土丘陵区、太行山土石山区、冀北燕山石质山区和燕山北部坝上风沙区等区域。水土流失发生重点地类以旱地、有林地、其他草地、灌木林地和天然牧草地为主,呈现面积不大但相对集中、危害大的特点;生产活动频繁导致水土流失仍然严重,土壤侵蚀强度不高,但治理难度大。当前,水土流失依然是海河流域主要生态问题之一,水土流失防治应结合区域水土流失特点科学布局,系统配置各类措施,推进流域水土流失治理高质量发展。

基于时空变源分布式模型的流域洪水复盘分析方法——以海河流域北三河系“23·7”较大洪水为例

海河流域北三河系覆盖北京、天津、河北三省(直辖市),其防洪安全事关当地社会经济发展。为有效应对气候变化影响下极端暴雨频发所带来的洪水防御新挑战,提出了一种时空双维度流域性洪水复盘新思路,以“23·7”北三河系较大洪水为例,通过构建时空变源分布式水文模型结合暴雨时空统计分析对全河系洪水的发生、发展过程进行了模拟。模拟结果的确定性系数均大于0.7,洪峰相对误差均小于5%,所建模型可以较好地表征此次洪水的产流机制变化。分析发现,此次洪水过程中北运河流域产流以蓄满产流机制为主,潮白河流域产流则蓄满及混合产流两种机制均有体现,特别是靠近降雨集中区的山区平原过渡地带表现出明显的混合产流机制。建议在未来进一步完善流域防洪体系,重点提升该区域的水雨情监测能力。所提出的时空双维度下的流域性洪水复盘分析方法可为今后其他流域级洪水模拟复盘提供技术参考。

大规模灌溉对海河流域气候影响模拟研究

为保障粮食安全,海河流域常年灌溉水量200亿m3以上,而大规模灌溉对区域气候产生显著影响,为揭示大规模灌溉的气候效应,该研究构建海河流域区域气候模式WRF(weather research and forecasting model),在WRF陆面模块中,开发灌溉精细化模拟的新方案,设计关闭灌溉的控制试验与开启灌溉的敏感性试验,模拟分析大规模灌溉对海河流域气候的影响。结果表明,灌溉使得海河流域潜热通量增加,显热通量减少,4—6月变幅最大。灌溉导致流域3—11月气温降低,其中4—6月降温最大,且空间上总体表现为灌溉量越多的地区降温越大,4—6月平原区降温0.64℃,子牙河平原与大清河淀西平原交界地带降温超过1.0℃。灌溉主要影响对流性降水,导致海河流域年降水增加6.07 mm,集中在4—6月,空间上主要在大清河流域与子牙河流域,其中大清河山区4—6月降水增加15~30 mm。灌溉改变近地表气象要素,使得流域参考作物蒸散发量减少,单位面积作物需水量降低。因此,大规模灌溉的气候效应在供需两侧支撑保障流域水安全,在一定程度上缓解流域水资源供需矛盾。研究可为水资源优化配置与水资源安全保障布局等提供基础支撑。

多源融合降水实况分析产品在海河流域的适用性评估

基于逐小时地面站点降水观测数据和国家气象信息中心研发的5 km多源融合降水实况分析产品,采用算术平均法对2021年6~9月海河流域面雨量进行估算。通过相关系数、平均误差和均方根误差等多种评估指标,客观定量评估多源融合降水实况分析产品在海河流域的适用性。结果表明:多源融合降水实况分析产品与地面观测资料估算的面雨量结果基本一致,能较好地反映2021年6~9月海河流域面雨量的时空变化特征,但在量值上存在高估且随着降水量增加,估算误差也越大。分区对比,融合实况分析产品和站点的误差与子流域的平均降水量、海拔高度和面积密切相关。对于各量级面雨量出现的频次,融合实况分析产品与站点整体相差不大,准确率可以达到90%及以上。总体而言,5 km多源融合降水实况分析产品的质量较高,可进一步应用于海河流域精细化面雨量监测业务中。

2010-2019年海河流域暖季极端小时降水特征分析

利用海河流域4517个气象站(含国家基本气象站和区域自动气象站)逐小时降水量资料和ERA-5再分析资料,采用百分位法对2010-2019年海河流域的暖季极端小时降水(Extreme Hourly Precipitation, EHP)的阈值、频次、时空变化及天气型进行统计分析。结果表明:(1)海河流域所有站点小时降水99.9%分位数的平均值为45.6 mm·h^(-1),且有67%的站点小时降水的99.9%分位数对应雨强大于45.0 mm·h^(-1),因此把45.0 mm·h^(-1)作为海河流域极端小时降水的阈值。(2)海河流域的EHP频次空间分布与地理位置及地形特征密切相关,表现为平原的频次大于山区的、山前的大于山上的,随海拔呈现先升后降趋势,在(450,500] m出现海河流域EHP频次的峰值,之后呈现波动减少的趋势。(3)极端小时降水的频次年际变化以2016年为分界点,表现为“先增后减”的趋势,强度在2012年和2016年分别出现2次高点;每年EHP集中出现在7-8月,平均强度大于60 mm·h^(-1),出现频次为全年的78.6%;频次和强度的日变化均表现为“双峰型”,峰值出现在午后和凌晨,其中午后峰值更为显著。(4)对不同天气类型的EHP频次和强度的统计结果表明,7-8月EHP事件中副高边缘类占比较大;EHP频次的午后峰值主要由低涡切变和低槽引起,凌晨峰值则与副高边缘类密切相关;低涡切变类的EHP中位数强度最大,低槽类的强度最小。

2002—2020年海河流域陆地水储量变化的时空变化特征

为了探究海河流域陆地水储量变化的时空变化特征,基于2002—2020年GRACE(gravity recovery and cli-mate experiment)卫星和GRACE-FO卫星数据,计算海河流域陆地水储量变化,并通过地下水储量变化估值与地下水位变化的相关性分析GRACE/GRACE-FO卫星数据的可靠性.结果表明:①地下水储量变化估值和地下水位变化之间的相关性较强,相关系数r=0.78.②海河流域陆地水储量变化大致呈现自南向北递减趋势;陆地水储量变化的变化速度为-9.80 mm/a.

基于CMA区域集合预报的海河流域面雨量预报评估与应用

面雨量是流域防汛抗洪调度的重要依据,单模式的确定性预报无法反映面雨量的多种可能性,为了解决面雨量预报存在不确定性的问题,本文基于中国气象局区域集合预报系统(China Meteorological Administration-Regional Ensemble Prediction System, CMA-REPS)降水结果对海河流域集合预报面雨量开展了适用性评估和分析,结合高分辨率格点实况资料对其2020—2022年5—8月面雨量进行检验,并依检验结果开展了集合预报面雨量产品及跨度预报产品研发。检验表明CMA-REPS集合预报对海河流域面雨量预报有改进:1)海河流域集合平均面雨量预报的绝对误差明显优于控制预报,在空间分布上表现为南部河系预报误差较大,中部次之,北部最小。2)模糊评分表明小雨和中雨量级集合平均预报更贴近实况,而暴雨量级则需进一步参考集合成员的极端性。3)TS及Bias评分表明集合平均在小雨量级预报效果较好,中雨及以上量级在预报后期改进更加明显。4)概率预报评分发现CMA-REPS对海河流域中部河系中雨以下面雨量有较好的表现,而南部河系的评分则低于中部河系。开发集合预报面雨量产品并对海河流域两次致洪暴雨过程检验发现:1)集合成员对24 h大暴雨等级面雨量的预报有较高的概率,与实况量级相当,对极端降水有较好的提示。2)24 h内集合平均具有较好的评分,而24~48 h, 75%分位数产品对于强降水过程预报效果更好;本文依据检验结果开发的集合预报混合百分位产品及跨度预报产品对于强降水有较好的参考性。3)依据概率预报随时间的变化曲线对面雨量进行平滑拟合,可以得到更贴近于实况的逐小时面雨量预报产品。

海河流域母亲河复苏成效与思考

母亲河复苏行动是以推进与人民群众息息相关的河湖复苏为引领,带动各地河湖生态环境复苏的标志性行动。2022年起,水利部部署开展母亲河复苏行动,在列入《母亲河复苏行动河湖名单(2022—2025年)》名录的88条(个)河湖中,海河流域有38条(个)。介绍了海河流域母亲河复苏行动开展情况和复苏成效,总结了经验启示,在此基础上提出当前海河流域母亲河复苏目标标准、流量保障和制度保障等方面存在的问题,从挖掘复苏内涵、细化复苏目标、创新复苏手段、提升复苏智能等角度提出提升母亲河复苏成效的思考与建议,以期为华北地区乃至全国河湖复苏行动实施提供参考借鉴。

海河流域水-能-碳系统耦合协调发展及驱动因素研究

水、能资源短缺及碳排放超标是制约区域经济转型升级和生态文明建设的主要障碍,探究水-能-碳系统耦合关系是实现区域绿色低碳发展的重要基础。以海河流域水-能-碳系统为核心,基于组合赋权法和综合分析法,构建流域水-能-碳系统综合评价体系,利用耦合协调度、障碍度和地理探测器模型,探究2000—2021年海河流域水-能-碳系统耦合协调时空演变特征及驱动因素。结果表明:①海河流域水-能-碳系统的综合发展水平总体上呈上升态势,碳排放系统处于最高位水平,评价指数多年平均值为0.45。②海河流域水-能-碳系统的耦合协调度总体上呈现平稳发展特征,发展水平由濒临失调过渡到中级协调阶段。③地表水资源量、污水处理能力、经济发展水平、产业结构、政府调控能力和居民生活水平是制约水-能-碳系统发展最大的障碍因子和外部驱动因素。研究结果可为促进海河流域经济社会全面绿色转型和可持续发展提供理论支撑。

人类活动与气候变化对海河流域径流影响的尺度效应

海河流域是华北平原最主要的水源供给流域,主要产流集中在上游土石山区。近50 a来该区域的径流量呈现持续减少趋势,导致区域水资源危机。选取海河流域山区57个有长时间序列水文和气象数据的子流域作为研究对象,基于区域水文、气象数据,利用M-K检验分析了径流随时间序列的变化趋势,通过敏感性分析分离了气候变化和人类活动对区域内不同尺度流域径流的贡献率。结果显示,面积较大的流域径流更容易受到降雨和潜在蒸散发改变的影响,在小尺度和大尺度流域上人类活动对径流变化的贡献率显著高于气候变化,在较为干燥的地区人类活动导致的径流变化较大。

海河流域天津段浮游植物功能群分布特征及其与环境因子的关系

为分析海河流域不同水文期浮游植物功能群分布特征及影响因子,于2023年4月(枯水期)和2023年9月(丰水期)在海河流域天津段设置15个采样点,对浮游植物群落结构及水体理化指标进行了调查。通过对海河流域天津段的浮游植物进行分析,研究其物种组成、功能群分布特征,并探究不同水文期环境因素与浮游植物功能群之间的相关性。结果表明:①海河流域天津段共检出浮游植物7门140种,在物种数上呈硅藻门>蓝藻门>裸藻门的特征,尖针杆藻(Synedraacus)、束丝藻(Aphanizomenon sp.)、裸甲藻(Gymnodinium sp.)、卵形隐藻(Cryptomonas ovata)、颗粒直链藻(Melosira granulate)和裸藻(Euglena sp.)为研究区域内主要优势种(优势度≥0.02)。②浮游植物归属于23个功能群,其中优势功能群有8种,分别为A、D、H1、L_(O)、MP、P、TB和Y。③RDA分析结果表明,丰水期水温(WT)和高锰酸盐指数(COD_(Mn))是显著影响海河流域天津段浮游植物功能群的关键因子,枯水期海河流域天津段浮游植物功能群的关键环境影响因子为高锰酸盐指数(COD_(Mn))。④应用Shannon-Wiener多样性指数和基于功能群的生态指数(Q_(r)指数)评价法对海河流域天津段进行水质评价,均显示调查区域水质处于清洁状态,两种评价方法得出的结果较为一致,均具有很好的指示作用。研究显示,功能群能直观反映海河流域天津段浮游植物特征,Qr指数能客观指示海河流域天津段水质状况。

海河流域盛夏降水预测模型的研发和适用性分析

海河流域初夏(6月)和盛夏(7~8月)的降水有显著的年代际变化差异,尤其在2002年之后,海河流域初夏和盛夏的年代际变化特征相反,因此有必要分别针对夏季不同阶段建立预测模型。本文基于年际增量的思想,寻找影响海河流域盛夏降水异常的预测因子,以突出年际变化异常的影响信号。前冬欧亚中高纬度关键区域海平面气压指数SLPI(Sea Level Pressure Index)、6月热带中东太平洋海温Niño3指数以及表征厄尔尼诺—南方涛动现象(El Niño–Southern Oscillation,简称ENSO)演变速度的Niño3指数在6月与1月之差的年际增量作为三个关键预测因子,建立回归方程。进一步利用多模式的2022年6月Niño3指数的预报结果代入预测模型,对海河流域2022年盛夏降水进行预报试验。相对各动力气候模式3月起报的盛夏降水异常预测,基于年际增量的回归模型对海河流域盛夏降水异常拟合和回报的准确率更高,尤其是降水显著偏多年份,预测技巧更突出。进一步对预报偏差较大的年份复盘归因发现,前冬海平面气压指数对冬季风和夏季风转换关系的描述可能受到后期春夏热带太平洋和印度洋海温异常演变的干扰。当前冬海平面气压指数预示的后期海温演变与实际海温演变信号差异较大时,需关注动力模式对临近热带海温尤其是热带印度洋海表温度距平的预报以及海温变化对海河流域盛夏降水的可能影响。

热带印-太海温与海河流域夏季降水的联合模态及降水预测应用

利用1961—2020年中国站点观测降水资料和英国Hadley中心海表面温度资料,针对海河流域夏季降水预测困难的问题,通过多变量经验正交分解(MVEOF)方法的正、反向应用,分析了热带印度洋-太平洋前期海温变化与海河流域夏季降水异常年际变化的联合模态特征,据此建立了海河流域夏季降水的客观统计预测模型并检验预测效果.结果表明:(1)前期ENSO事件和热带印度洋(TIO)海温季节演变与海河流域夏季降水异常分布型关系密切.若前冬El Niño事件达到鼎盛,春季开始衰减,并引起TIO海盆尺度滞后增暖,则当年夏季海河流域降水一致性偏多,偏多中心在流域北部;若前秋El Niño向La Niña事件转变,随后TIO暖海温转冷,则夏季海河流域降水易出现西部偏多、东部偏少型分布;此外,如果前期出现太平洋经向模态(冷舌模态)的海温异常分布时,夏季流域降水异常为西北多、东南少(南多北少).(2)根据联合模态统计关系建立的预测模型,对2013—2020年海河流域夏季降水有较好的预测能力.与实况相比,模型对全域降水异常预测的时间相关系数为0.86、趋势预测准确率为87.50%,对站点的趋势预测准确率为51.35%~70.27%,对旱涝程度预测的平均偏差仅为45.92%,但对降水异常空间分布的预测技巧整体较低.本文阐明了前期热带印-太海温与海河流域夏季降水异常的统计关系,并建立了海河流域夏季降水的客观统计预测模型,为我国华北地区短期气候预测提供了一种新的有效参考.

流域水资源开发利用程度评价的若干问题探讨——以海河流域为例

针对1980年以来海河流域水资源及其开发利用状况,对水资源量系列进行代表性分析,评价海河流域水资源开发利用程度,结果显示海河流域1980—2016年系列水资源开发利用程度已高达105.7%,未来应遏制水资源过度开发的局面,统筹考虑当地水、外调水和非常规水源,调配供水体系,优化供水格局,以保障流域的供水安全。通过海河流域水资源开发利用率的分析过程,总结了水资源开发利用率计算过程中应注意的关键点,如时空范围的选取、区域水资源调入调出关系、山区地表水与地下水的转换关系、非常规用水的考量等,实际工作中应对这些关键点予以着重分析。

海河流域1961—2020年极端气候变化及其与大气环流关系

中国极端气候变化具有显著的区域性差异,有必要明晰区域尺度极端气候的时空变化特征及成因。基于海河流域41个气象站点1961—2020年的逐日气温、降水资料,计算并选取7个极端气温指数和4个极端降水指数,借助线性趋势法、Mann-Kendall突变检验和小波分析法等方法探究了海河流域的极端气候变化及其与大气环流的关系。结果表明:1961—2020年海河流域极端暖指数呈现显著上升趋势,TX90p、TN90p和SU25分别在流域东北部、南部和北部地区上升更明显;极端冷指数呈现显著下降趋势,TX10p在流域东部和西部地区下降趋势较大,TN10p和FD0在流域东南部和西北部地区下降趋势较大;海河流域极端降水指数总体呈非显著下降趋势,Rx1day、R95p、PRCPTOT和R10分别在流域西南部、中部、东南部和东部地区下降更多;大气环流会对海河流域的极端气候指数产生影响,其中影响较大的因子是北极涛动;北极涛动与海河流域的极端暖指数普遍呈现正向关系,与极端冷指数和极端降水指数则呈现负向关系,且北极涛动与海河流域的极端气候指数存在多个共振周期。

基于污染因子的地表水环境分区及时间序列演变趋势分析——以海河流域为例

由于各种不确定因素和复杂机理,海河流域不同区域地表水环境质量污染状况及影响因素存在较大差异性。本文以2020—2022年监测数据为基础,对海河流域地表水环境进行评价,基于评价结果与主要污染指标浓度,将流域地表水分为5个区。基于海河流域地表水2016—2023年逐月监测数据,分析了不同分区内主要污染因子特征值及时间序列变化趋势,掌握了各分区内主要污染因子变化特征与规律。研究结果不仅对海河流域地表水环境质量分区管理和调查具有重要的现实意义,也为地区的环境分区管理提供了思路。

海河流域农业干旱灾害风险评价及防治措施

海河流域历史上多次出现连续干旱情况,为有效应对极端干旱天气,确保粮食安全,开展农业干旱灾害风险评价十分必要。通过计算各县区不同频率下农业受灾率,分析得到各县区农业干旱灾害风险度,并据此对海河流域农业干旱灾害风险进行评价。研究成果划定了流域农业干旱灾害风险较高区域,明确了区域干旱灾害风险驱动因素,结合当地水资源情况和后续工程安排,提出了相应的防治措施,可为海河流域后续农业抗旱减灾工作提供借鉴。