滨海地区基于避咸蓄淡模式的供水安全临界流量研究--以粤港澳大湾区珠澳供水为例

枯水期咸潮入侵已经严重威胁到了感潮河流区域供水安全.本文通过构建避咸蓄淡供水模型,耦合了咸度预测、河库联合供水调度和供水安全分析模块,为依赖感潮河流为水源地的区域供水安全管理提供了一种整体思路和决策方法.以面向粤港澳大湾区珠海东部及澳门的珠江三角洲磨刀门水道取供水为例,基于潮汐、径流和风等因子及咸度实测数据,较好地拟合了基于BP神经网络的咸度预测模型,及含氯度与超标时间的曲线函数,建立了上游来水和咸度超标时间之间的联系,得到了避咸蓄淡取水时机.咸度预测与当地河库联合供水调度相结合,得到了上游枯水期来水过程的当地区域供需平衡状况.枯水期不考虑水库调蓄的资源性缺水临界需水量为3.22亿m^(3),水库参与调蓄的工程性缺水临界需水量为3.75亿m^(3).通过供水安全分析模块,基于设定的风险阈值和临界阈值识别出了不同需水规模的上游来水临界流量特征.对于当地规划的需水规模4.23亿m^(3),期望上游枯水期临界流量均值约为3372 m^(3)/s.整体上来说,需水规模越大,对上游来水期望的临界流量越大,但同时还与枯水期流量分布有关.

广东省主要江河68年径流量年际变化特征分析

基于广东省西江、北江、东江、韩江、鉴江等5条主要江河1956—2023年共68 a的径流量资料,分析了径流量的基本特征和趋势性、自相关性、随机性和空间相关性等变化特性。结果表明,5条江河径流量的年际变化总体较大;西江的平水年较多,而其他江河的特丰年和特枯年较多;5条江河径流量的年际变化趋势性不明显,北江、鉴江、西江呈不显著上升趋势,东江、韩江呈不显著下降趋势;径流量序列的年际自相关性很低,接近于纯随机性,旱涝切换的规律性不强;西江与其他4条江河的年径流量序列的互相关性较弱,互补性较强;北江、东江和韩江的年径流量序列的互相关性较强,同丰同枯现象明显;鉴江的年径流量序列与其他江河的互相关性也较弱。

城市化背景下广东省综合单位线法的评估与修正

广东省综合单位线法作为一种在工程实践中得到广泛应用的单位线,由1983年前的雨洪资料分析综合得到,它反映了广东省城镇化之前的产汇流关系,但是目前针对其在城市化地区适用性评价与修正的研究较少。以广东省深圳市景田流域为例,基于景田水文站2011-2019年间的暴雨洪水记录资料,采用纳什效率系数、认同指数、相关系数等评价指标,对广东省综合单位线的适用性进行评价,通过Spearman秩相关系数法对重要参数进行敏感性分析,并基于拉丁超立方抽样法、约束最小二乘法等方法对广东省综合单位线法进行了修正。研究结果表明:景田流域自20世纪80年代后经历了快速的城市扩张,不透水下垫面所占比例已超过90%,广东省综合单位线法对该流域雨洪过程的刻画能力存在明显不足,提出的通过对重要参数进行率定以及对单位线进行修正两种方案都提高了模型的模拟效果。其中,针对小样本提出的基于网格搜索的交叉验证参数优化方法与约束最小二乘法的单位线修正方法,表现出良好的模拟性能,纳什效率系数、认同指数、相关系数等指标都有明显提高,较好地反映了景田流域的产汇流特性;相较于广东省综合单位线法的推荐单位线,经过修正的单位线表现出洪峰流量变大、峰现时间提前、总历时缩小的特征,更符合城市化的产汇流规律。

极端气象水文条件下滨海地区小流域溃坝洪水模拟及风险评估

极端气象水文条件下的小流域水库溃坝,往往造成更为严重的洪水风险。为分析滨海小流域溃坝洪水风险,以粤港澳大湾区滨海小流域为例,基于二维溃坝洪水演进模型和洪水风险分级方法,探究小流域洪水淹没过程和风险分区,及极端降水和风暴潮影响下的变化响应。结果表明,溃坝洪水快涨慢退,主要敏感点约在17.5~22.0min之间达到最大淹没水深,退水时间约为6h,淹没范围占48.9%,以中、高风险区为主。极端降水和风暴潮对洪水涨退水规律影响较小,但对主要敏感点的最大流速和最大淹没水深影响较大。百年一遇极端降水叠加风暴潮,主要敏感点的最大流速、最大淹没水深分别增加了23.8%~39.9%、10.7%~31.4%,其中风暴潮贡献分别为8.3%~14.9%、4.7%~14.4%。极端降水使得洪水淹没范围扩大且风险等级上升,而风暴潮对风险区范围和等级影响较小,仅使临近海岸局部地区的风险等级有所上升。研究结果可为滨海地区中小型水库洪水溃坝风险管理提供参考。

新工科背景下工程水文与水利计算课程教学改革探讨

工程水文与水利计算课程是水利类专业的重要基础课程。该文针对工程水文与水利计算教学中存在的问题,围绕新工科背景下新经济、新产业以及水利事业发展新形势的需求,以“四个面向”为导向,以培养创新型复合人才为目标,工程水文与水利计算课程建设需有机融合课程思政、注重创新创造能力培养、倡导多元教学方式、强化理论与实践并重,厚植学生爱国主义情怀,有效提升学生的工程实践与创新能力。

小水电河流生态流量评估及盈亏变化归因

作为我国实现“双碳”目标的重要路径之一,绿色小水电尽管在中小河流中能够提供经济效益,但同时会影响流域生态水文过程,从而制约小水电河流生态系统的可持续发展。以滨江流域为例,利用SWAT模型重建不同时期径流过程,基于生态流量过程线组对生态流量进行时空量化,比较不同情景生态径流指标变化规律,定量揭示人类活动和气候变化对生态盈亏的贡献分量。结果表明:(1)流域内生态流量时空分布差异明显,与基准期相比,气候变化和人类活动均不利于保障流域内的生态流量,气候变化影响下中位生态流量保证率减小7个百分点,叠加人类活动影响后中位生态流量保证率累积下降17.74个百分点,尤其在汛期和汛末流域内生态缺水问题突出,未来可推行小水电的季节性限制运行。(2)年内变化上,气候变化多引起生态盈余的减少,夏季减少最为强烈(p <0.05);人类活动则多引起生态赤字的增加,秋、冬季节增加最为显著(p <0.10)。(3)生态盈余与降水距平存在较好的一致性,相关系数均在0.50以上,而生态赤字与降水距平的相关性较差,尤其在秋、冬季其相关系数多低于0.30。(4)人类活动对各时期的生态赤字变化的相对贡献均达到了80%以上,引起滨江生态缺水的主要原因是人为干扰过度。研究结果为适应变化环境下小水电河流健康管理提供参考依据。

基于空间自回归和地理加权回归模型的佛山市中心城区河网水系演变驱动分析

为定量探究城市河流变化驱动成因,以2005～2010年佛山市中心城区为例,分析了河网水系演变及其驱动因子,根据河网水系变化与其驱动因子间一对多的映射关系,借助空间自回归和地理加权回归模型,分别从整体和局部分析了两者间的统计关系,结果表明:(1)末级河流长度减少量占各级河流总变化量约92.3%,变化最为显著,而城镇用地对水田、工业用地对水域的侵占以及农业活动则是影响末级河流的主要驱动因子;(2)整体来看,末级河流受建设用地扩张,尤其是工业用地扩张的负面影响程度最大;局部来看,各驱动因子的负面影响程度在不同空间位置上存在差异,以水田-城镇用地因子为例,其在罗村、老城区和桂城的交界区域以及南庄、罗村和老城区的交界区域负面影响程度较大;(3)空间自回归模型对区域河网水系变化与其驱动因子间的关系有整体、直观的把握,地理加权回归模型则能够描述驱动因子影响的空间非平稳性,有利于获取局部信息,结合两种模型的特点能够更加全面地刻画河网水系演变的驱动成因。

变化环境下珠江广州河段最高洪潮水位演变特征分析

珠江广州河段最高洪潮水位演变特征对于广州市防洪工程的规划设计意义重大。用滑动平均法、M-K法等方法,分析了珠江广州河段4个水文站历年(53~115a)最高洪潮水位序列的均值、方差、变差系数等变化特征;对水位极大值进行了考证;用P-Ⅲ型频率曲线对整个序列和每20a序列进行拟合和分析,并对未来时段的频率分布特征进行了推断。结果显示:珠江广州河段最高洪潮水位总体呈波动上升趋势,序列均值、方差及变差系数均有增大趋势,近年来水位屡创新高,水文序列的一致性已遭到极大的破坏,传统的使用长系列资料的水文频率分析方法在变化环境下可能会产生较大的偏差。建议不要过分强调资料序列的长度,而应更加重视近期资料的应用,并可适当外延。

基于代谢理论的城市化—水资源系统协同演化研究

城市代谢是物质、能量投入并且产生经济、环境产出的过程,能够有效解析城市化-水资源系统之间复杂的耦合交互作用。基于城市代谢理论,将城市化-水资源系统代谢过程分解为同化过程和异化过程,并采用DEA模型研究了珠江三角洲近15年来城市化-水资源系统同化、异化效率,对珠江三角洲城市化-水资源系统协同演化情况进行分析,指出其发展中存在的问题及未来发展的方向。研究表明:(1)对比同化效率,近15年来珠江三角洲异化效率保持在较高水平,城市化对水资源系统的输出扰动作用明显。(2)珠江三角洲城镇化率,经济水平和消费水平在提高水资源利用效率的前提下还有很大的提高空间。在未来发展过程中,珠江三角洲的城市化发展应该从提高技术水平方面去入手,而非一味地增加资源投入。

基于DPSIR模型的广州市增城区水库生态安全评价

水库水资源的优劣稀缺密切影响水库周边城镇发展,对水库生态安全进行评估调查,有重要的现实意义。以广州市增城区3个优良水质水库:增塘水库、百花林水库、石马龙水库为例,结合DPSIR模型与SEEC框架建立指标体系,综合层次分析法和熵权法计算指标权重,引入模糊综合评价法和综合指数法对水库生态安全指标值进行评估。结果表明:3个水库生态安全评估结果为石马龙水库优于百花林水库,增塘水库最劣。水库在生态健康和生态服务功能方案层中得分较低。模糊综合评价法与综合指数法对水库整体评价结果一致,对各方案层评价结果略有差异,前者存在有效性问题,在计算上也不及后者简单。

不同体制国家水权交易价格比较研究——以湛江市为例

水权交易是各国利用市场机制优化配置水资源、解决水问题的重要途径。以湛江市为例,运用全成本定价法研究中美2个不同体制国家在水权交易价格上的差异,并进行两国在水权交易价格、水市场建设和监管机制上的水权交易适应性分析。最后提出推进中国水权交易进一步发展的几点建议。

广东省农业面源污染现状及变化的多尺度评价

第二次全国污染源普查显示,农业面源污染已成为广东省水环境恶化的主要原因之一,理清全省面源污染状况对水污染防治和乡村振兴建设具有重要意义。采用改进输出系数法分析2009—2019年广东省农业面源污染年负荷量及其时空变化特征,考虑施肥、降水、畜禽和水产养殖各月差异,评估全省农业面源污染季度和月污染负荷;采用单位面积负荷系数法评价农业面源污染对环境的影响程度,并探讨农业面源污染主要来源。结果表明:(1)2009—2019年广东省总氮负荷呈下降趋势,总磷负荷呈上升趋势,春夏两季是一年中污染排放的高峰季度,4—10月总氮和总磷负荷分别占全年负荷的68.8%和67.2%。(2)全省76.2%的地级市总氮负荷呈下降趋势,61.9%的地级市总磷负荷呈上升趋势。相比于2009年,2019年71.4%的地级市总氮排放对环境威胁程度降低,52.4%的地级市总磷排放对环境威胁程度增强。(3)粤西地区农业总氮、总磷负荷及对环境的影响均较珠三角、粤北和粤东地区更为严重。(4)各污染源对氮磷污染负荷量的贡献率从大到小依次为畜禽养殖业、种植业和水产养殖业。研究结果为广东省农业面源污染现状及变化的评价提供了参考,对全省农业面源污染防控及建设美丽乡村具有重要意义。

河口细颗粒泥沙与微塑料异质聚集的环境效应理论研究进展

近年来微塑料污染给全球生态环境带来的危害与威胁已不容忽视,由于水环境与水动力条件改变,大量微塑料随水流迁移至河口会与细颗粒泥沙相遇碰撞而发生异质聚集,显著改变各自输移行为,进而影响颗粒物的归趋,并对环境中其他要素产生影响。为进一步梳理并明晰泥沙与微塑料异质聚集的驱动因素、聚集输移特征与机理及其环境效应,本文结合近年国内外研究动态,探讨并总结河口细颗粒泥沙与微塑料异质聚集的驱动因素及其环境效应,充实了泥沙及其聚集物的环境效应理论,拓展延伸理论研究维度,从宏观、介观、微观层面提出了异质聚集环境效应的评估指标体系。本研究有助于丰富与深化环境泥沙及其环境效应的理论体系,可为强化河口水环境治理技术、提升水污染防控水平和能力提供理论支撑。

考虑权重不确定性的珠三角地区水环境承载力评价:基于博弈论与云模型

针对水环境承载力评价中不同赋权方法评价结果及等级认定差异问题,在现有水环境承载力评价赋权方法的基础上考虑权重计算的不确定性,用博弈论进行组合赋权,引入云模型进行改进,并以珠三角地区为例,对比分析博弈论-云模型赋权法与五种组合赋权法的评价结果,探究该方法在水环境承载力评价中的适用性。结果表明:(1)在水环境承载力评价中,博弈论-云模型赋权法考虑了单一赋权方法本身的局限性以及方法选择的主观不确定性,可用于当前对水环境承载力认识不足情况下的量化评价;(2)五种组合赋权法在珠三角地区水环境承载力等级评定中跨等级的区县共14个,占评价对象的16%,通过云相似度计算确定评价等级的方法可以降低人为分级的主观影响,客观地反映区域水环境承载力水平;(3)整体上,珠三角大部分地区水环境承载力处于基本可载水平,各区县承载力等级从Ⅱ级到Ⅳ级不等,空间上表现为中部低、东西高。将博弈论-云模型赋权法用于水环境承载力评价,其评价结果可以为水环境治理提供更加科学合理的决策依据。

粤港澳大湾区极端降水的气温响应结构研究

分析城市化影响下极端降水对气温的响应结构(P-T关系),有助于制定措施以减少城市地区极端天气相关风险。本文基于粤港澳大湾区(GBA)1970—2019年气温和降水站点观测数据,分析GBA的极端降水指标和极端气温指标的演变结构,通过箱元缩放函数构建不同阈值的极端降水对前一日气温(T_(1))和前九日气温(T_(1-9))的响应结构,并探究城市化对P-T关系的影响。结果表明:研究区的P-T关系大致呈极端降水强度随气温增加,极端降水强度先增后减的峰状结构,临界气温约为25℃,这种结构是高温下水汽受限导致的。而城市地区的P-T_(1)关系受台风影响,在T_(1)高于30℃后,极端降水强度再次增加。城市地区极端降水强度平均变率(8.0%/℃~12.5%/℃)高于郊区(6.3%/℃~8.7%/℃),并超过7%/℃的理论变率。

基于遥感增强嵌套模型红树林带水沙环境对码头建设的响应研究

南海北部湾铁山港码头建设期间,邻近区域红树林带植株出现受损死亡现象。本研究构建基于遥感增强包含红树林潮间带的海湾水沙嵌套模型,评估码头建设对红树林带潮流、泥沙输移及冲淤的影响。结果表明:海湾水沙嵌套模型可充分利用南海海流模拟信息,且精细化模拟了工程建设附近海域泥沙输移规律。采用全球地表水覆盖几率遥感反演数据与当地潮位的信息融合技术,为红树林带水沙模拟提供了可靠地形信息。码头建设主要影响红树林带南部潮流,涨急时流速减小,落急时部分潮沟通道流速增大。当进港方案更改为过水钢栈桥,红树林带东南部流速略有增加。码头施工期,红树林带69%~72%范围的悬浮泥沙浓度增量介于20~50mg/L之间。码头建设前,红树林带泥沙平均冲淤量为0.27cm/a;进港方案分别为不过水通道和过水钢栈桥,码头建设后红树林带淤积量增加的面积占比分别为96.6%和89.3%,平均冲淤量分别为0.45 cm/a和0.36 cm/a。过水钢栈桥替换不过水通道,红树林带冲淤增量下降了50.0%。研究结论可为潮间带水沙环境模拟和红树林带保护决策提供科学依据。

基于MIKE的滨海城市内涝模拟及深隧工程排涝效果评估

在暴雨及风暴潮等极端气象水文条件潮位影响下,快速城市化的滨海地区内涝问题日益凸显。以粤港澳大湾区深圳市西部为研究区,耦合一维河道洪水模型及管网排水模型和二维地表漫流模型,模拟极端降水和典型风暴潮条件下城市内涝淹没过程,开展内涝风险分级,评估深隧工程排涝效果。结果表明:MIKE多模型工具相结合能够较好地模拟城市内涝形成过程及淹没特征,引入概率矩阵法能够更清晰地揭示内涝风险等级之间的变化。极端气象水文条件下的滨海城市内涝淹没呈现快涨缓退特征,设计50年和100年一遇2 h极端降水下的内涝风险区面积分别为4.24、5.04 km^(2),其中1级到4级风险区范围的相对比例分别约为0.9:37.5:28.5:33.0和4.0:33.7:26.8:35.5,考虑深隧工程排涝的淹没范围分别减少了17.0%和13.4%、内涝风险区面积分别减少了28.8%和30.2%、典型易涝点的淹没持续时间缩短了60.0%~80.8%。大部分地区的内涝风险等级显著下降,深隧工程改善排涝效果明显。

新工科背景下工程水文与水利计算课程思政建设探索

课程思政是落实立德树人这一根本任务的战略举措,各类课程都应积极构建课程思政体系,将其有机融入教学中。工程水文与水利计算课程是水利类专业的核心课程,探讨其课程思政建设体系具有重要意义。文章从工程水文与水利计算理论课程和课程设计两方面出发,系统探讨了课程思政从顶层设计到具体实施的整体建设路径,提出了家国情怀、责任担当、辩证思维、个人素养、科学精神、工匠精神及生态文明理念等七维课程思政建设体系,最后提出完善课政融合教学效果评价机制,以期为水利类专业人才培养提供有益借鉴。

东江流域气象干旱向水文干旱传递阈值研究

对不同干旱类型之间传递阈值研究可有效分析干旱传递的发生规律和机理,特别是对气象干旱向水文干旱传递阈值的研究。以东江流域为研究对象,计算月尺度的标准化降水指数SPI和标准化径流指数SRI,并基于游程理论识别干旱事件,提取干旱事件及其特征,包括干旱历时和干旱烈度。对发生时间全部或部分重叠的气象干旱事件和水文干旱事件进行匹配。对匹配后的干旱特征属性进行边缘分布拟合,验证气象干旱和水文干旱的历时或烈度之间的相关性,基于二变量Copula函数分别建立气象干旱与水文干旱特征的联合分布模型,计算不同气象干旱条件下不同等级水文干旱(中旱、重旱、极旱)发生的条件概率,取条件概率为0.95时对应的气象干旱历时或烈度值,作为气象干旱向该等级水文干旱传递的干旱历时(烈度)阈值。结果表明:东江流域气象干旱历时和烈度的最优拟合函数均为伽玛分布,水文干旱历时的最优拟合函数为伽玛分布,水文干旱烈度的边缘分布函数为广义正态分布。Gumbel-copula函数拟合干旱历时和烈度的效果较好。东江流域中旱、重旱、极旱等级的干旱历时传递阈值分别为6.9、8.3、9.4个月;干旱烈度的传递阈值分别为4.6、5.7、6.6。干旱传递阈值可以为水文干旱的预测以及防旱减灾的决策提供参考。

韩江流域极端水文事件时空分布特征研究

根据12个气象站和3个水文站的逐日降水量与径流量的极值特征,分析了韩江流域1960—2018年的极端水文事件变化。重点研究了丰水期的极端湿润指数和枯水期的极端干旱指数。采用传统的Mann-Kendall(MK1)和考虑了数据间自相关性的修正Mann-Kendall检验(MK2)以及Sen's斜率估计来分析时间序列中是否存在显著性变化趋势(P<0.05)及其量级。结果表明:在2种Mann-Kendall趋势检验下,仅个别站点的极端水文指数呈显著性变化趋势,MK1和MK2的极端指数分析结果在大部分站点没有表现出显著差异;年汛期最大日降水量(RX1)、总降水量(PRCPTOT)、连续干燥日(CDD)在不同站点的变化趋势不同,其中表征极端降水强度指标(RX1)与量级指标(PRCPTOT)在西南地区呈现负增长趋势,而在东北地区则呈现正增长趋势;68%的站点年非汛期干旱指数(CDD)呈现负增长趋势,其中紫金站呈显著性下降趋势;各站点汛期最大日径流量(SX1)、最大5 d流量(SX5)和丰水天数(RD95)均呈下降趋势。同时,横山站非汛期枯水天数(RD15)和连续枯水天数(CDS)在MK1检验下呈显著性下降趋势。总体而言,韩江三角洲地区年汛期与非汛期的极端径流指数呈下降趋势,而梅江流域(韩江上游)和汀江流域(韩江上游)的极端水文指数在年丰、枯两季表现出不同的变化趋势。