水网布局下黄河流域应对极端枯水的关键科学问题

变化环境下极端气象水文事件频发,长江、黄河面临同枯风险。在国家水网建设背景下,为提高长江、黄河同枯的极端不利情景下黄河流域水资源安全保障能力,本文分析了长江、黄河两大流域水资源安全面临的现实问题,识别了变化环境下大型流域枯水遭遇—水危机形成—跨流域调水潜力—多线路成网互济—极端枯水下水资源安全保障中亟需破解的关键科学问题,构建了水网布局下黄河流域应对极端枯水的总体研究框架,提出该领域重点研究方向包括:变化环境下长江、黄河极端枯水遭遇规律与空间变异机制,水危机风险多链路传导与复合影响定量评估,极端枯水下跨流域调水挖潜增供,长江和黄河跨流域联合调配与多线路互济精细化调控、极端枯水下流域水资源韧性提升优化调控等。

黄河流域水资源配置研究与展望

黄河流域水资源合理利用和优化配置问题受到社会广泛关注。从20世纪80年代开始,相继开展了黄河“八七”分水方案制定和水量统一调度、新径流条件下分水方案调整、支流水量分配方案制定,以及变化环境下分水方案优化等一系列持续性研究,研究成果提升了黄河流域水资源优化调控和节约集约利用水平,实现黄河干流连续25 a不断流。面向黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的推进,从流域水循环和水资源演变、用水规律与需水预测、健康水平衡、流域地表水-地下水统一配置、多层级水网构建情况下水资源优化配置、应对极端枯水的水资源韧性调配、数字孪生黄河建设等方面,提出了适应环境变化和国家多层级水网构建下的黄河流域水资源研究和突破方向。

黄河流域抽水蓄能开发研究与思考

抽水蓄能作为新能源大范围开发的稳定器与助推剂,是促进黄河流域节水减排的关键,其大规模发展势在必行,但黄河流域水资源短缺,如何在碳排放与水资源双重约束下,实现能源结构绿色低碳转型,对黄河流域生态保护与高质量发展具有重要意义。依据《抽水蓄能中长期发展规划(2021—2035年)》,系统梳理了黄河流域八省(区)(不包括四川)抽水蓄能已建、在建及拟开发项目规模,初步估算了抽水蓄能大规模开发对地表水资源指标的占用情况,从调节库容占用和综合利用效益发挥两个方面分析了抽水蓄能运行对既有水利工程的影响。结果表明:黄河流域已建、在建、规划、储备抽水蓄能站点共计100座,总装机规模126050 MW,累计耗水约2.521亿m^(3);依托已建水利工程加装可逆式机组对梯级水电功能进行再造时,应充分评估对原有水利枢纽综合利用任务与工程安全的影响。

黄河流域泥沙系统治理科学研究与工程实践

黄河泥沙治理是保障黄河长治久安的关键。党的十八大以来,特别是黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略实施后,系统治理理念逐步深入黄河治理。受气候变化和人类活动加剧等因素影响,黄河流域泥沙治理工作面临新形势和新要求。近十年来,围绕黄河流域泥沙系统治理进行了大量科学研究和工程实践,提出黄河泥沙工程控制理论,开展黄河流域泥沙系统治理顶层规划设计,提出入黄、水库、河道、河口四级泥沙控制模式及治理措施,黄河泥沙系统治理取得显著成效。针对黄河泥沙治理新需求,提出以黄河泥沙工程控制理论支撑数字孪生黄河智慧决策体系建设、加大防溃决多拦沙新型淤地坝推广力度、加快黑山峡水利枢纽和南水北调西线等国家重大工程前期工作进程等建议,以全面提升黄河流域泥沙系统治理水平。

黄河流域供水安全保障研究

围绕贯彻落实习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会的讲话精神,深入剖析了黄河流域供水安全保障现状和供水安全存在的“不够喝、喝不着、喝得差”等问题。根据十六字治水思路,结合黄河流域实际情况,研究提出“节水优先、开源增水、完善节点、区域统筹、强化保护”供水安全保障基本思路,明确了下一步的具体举措,为构建干支协调、点面结合、纵横成网的高质量保障供水安全体系提供技术支撑。

黄河流域地表水资源超载状况及治理措施

为客观评价黄河流域地表水资源超载状况,基于水资源开发利用长系列资料分析,采用经验公式法对黄河地表水资源超载进行评价,提出技术路线与评价标准,分析沿黄各省(区)水资源超载程度,探讨原因并提出治理措施。结果表明:山东省、内蒙古自治区、宁夏回族自治区和甘肃省长期处于黄河地表水超载状态,部分年份严重超载,但随着管理水平逐渐提高,2011—2020年宁夏回族自治区和甘肃省地表水超载状况有所缓解。

双碳目标下黄河流域内流区水能牧生态治理一体化开发模式研究

2020年习近平总书记做出“力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的庄严承诺,我国能源发展步入以“双碳”目标为导向、以构建新型电力系统为路径、以可再生能源高质量发展为核心的新时代。结合双碳目标和黄河流域生态保护和高质量发展对黄河流域再生能源的要求,以黄河流域内流区丰富的风能、光能、土地资源及邻近的黄河河谷及支流河谷具备建设大规模抽水蓄能电站的条件为基础,充分利用抽水蓄能电站灵活调节能力与风电、光电的出力互补特性,并结合光伏电站进行牧业开发,形成能牧一体化开发模式,可建成超亿千瓦级的清洁能源基地和2.2万hm2的牧业基地,总装机容量规模近3.86亿kW,年发电量超6 000亿kW·h,可养光伏羊约500万只,初步匡算每年可减少碳排放5.12亿t、减碳效益达215亿元。提出了所需水资源的解决途径,初步分析了建设能源基地的财务可行性。

基于逐步多元线性回归和随机森林模型预测黄河流域极端气温事件

全球变暖背景下,极端气候事件频发,且对黄河流域等地区的经济发展及人民生活造成严重危害。基于1961—2020年黄河流域80个站点的日气温数据提取了6个逐月极端气温指数(ETI)。利用多重共线性分析去除有相依性的环流指数,并考虑滞后性进行Pearson相关分析,筛选出各ETI的关键环流指数及最佳滞后时间;之后基于最佳滞后时间下的关键环流指数建立逐步多元线性回归(SMLR)和随机森林(RF)模型。对模型进行精度评价,探究环流指数在单站点及整个流域的重要性,并预测了2022年11月的6个ETI值。结果表明:黄河流域ETI中最高气温(TXx)、暖昼天数(TX90p)、酷热天数(TD30)和最低气温(TNn)呈波动上升趋势,而霜冻天数(FD0)和冷夜天数(TN10p)呈下降趋势;极端高温事件的强度和发生频率的空间分布特征与极端低温事件基本相反。以靖远站TXx为例,各关键环流指数对TXx具有不同程度的影响(0.10<r_(max)<0.89),r_(max)对应的最佳滞后时间主要为5、6、11、12个月。SMLR和RF模型对黄河流域各ETI的预测能力都较好,验证期的决定系数(R 2)范围分别为0.53~0.95和0.64~0.95;除对TXx的模拟效果稍弱外,其他5个ETI的RF模型模拟效果均优于SMLR模型。太平洋区极涡强度指数(PPVI)是影响黄河流域TXx、TNn、TX90p和FD0的最重要环流因子,北非—北大西洋—北美副高脊线位置指数(NANRP)对TN10p和TD30的影响最大。预测的2022年11月ETI的空间分布特征与多年平均情况基本相似。研究结果为黄河流域极端气温事件预报提供了参考。

黄河流域水利风景区集群与风光带空间布局适宜性评价

为了完善水利风景区总体布局,推动水利风景区集群及风光带建设,基于已有成果和专家意见,构建了黄河流域水利风景区适宜性评价指标体系,以定性与定量相结合的方法计算了指标体系的权重,采用粒子群优化算法对专家评分矩阵进行修正,并基于权重构建了黄河流域水利风景区集群及风光带适宜建设分区,提出了“五群六带”黄河流域水利风景区宏观布局以及56个适宜建设集群和风光带的县(区),从宏观、中观和微观的角度提出了集群及风光带建设策略。

黄河流域典型城市水资源季节价值研究

水资源价值随季节的演变而改变。基于黄河流域水资源的季节价值变化特征,给出了季节价值的定义。以黄河流域典型城市为研究区,采用模糊数学模型,选取水质、降水量、径流量、平均气温和日照时数作为评价因子,评价水资源的季节价值。结果表明:黄河流域水资源价值具有显著的时空变化特征,上游银川水资源价值系数显著大于中、下游,中游郑州水资源价值系数最小;同一河段春季的水资源价值系数最大、夏季水资源价值系数最小,原因是春季水资源匮乏、水资源稀缺程度高,夏季降水量大、黄河径流量较大。综合水价的计算结果同样反映了水资源价值的时空差异性,同一河段夏季的综合水价最低、冬季综合水价最高。综合水价除受水资源价值系数影响外,还与用水成本有关,同一季节除了夏季上游综合水价高于中、下游外,其他季节下游综合水价均高于中、上游综合水价。明确水资源价值的时空变化规律,加快水价改革进程,有利于优化配置水资源,缓解黄河流域水资源短缺状况。

竹溪河流域综合规划中水环境治理研究

为准确把握流域综合规划相关水环境治理政策,适应现代化治理要求,有效指导后续工程建设,提出流域综合规划中水环境治理编制框架。文章在总结竹溪河流域综合规划中水环境治理实践经验的基础上,全面梳理,通过城镇污水收集、打造清水通道、旁路湿地净化、农业农村污染治理、饮用水保护及环境“测”“策”联防联控等措施,使竹溪河流域远期水质达到目标水质要求,并为其他流域提供参考。

构建黄河流域水网的思考

加快构建黄河流域水网是实现黄河流域生态保护和高质量发展的有效手段。目前黄河流域已基本形成了由河流和供水工程组成的水网布局,对供水安全起到了重要作用,但仍没彻底解决黄河流域水资源不足、调控能力差、水资源配置不均衡等问题。阐述了构建黄河流域水网的背景和内涵,分析了构建黄河流域水网面临的问题,提出了构建黄河流域水网的措施。在国家水网构建框架下,黄河流域水网将形成以黄河干流、南水北调西线工程为纲,以支流和供水工程为目,以干流7大骨干水利枢纽工程为结的布局。黄河流域水网对于实现流域水资源空间均衡配置,构建流域社会经济空间均衡发展新格局具有十分重要的战略意义。

双碳目标下黄河流域水土风光资源一体化开发模式研究

2020年习近平总书记作出“3060”碳达峰、碳中和的庄严承诺,我国步入以双碳目标为导向、以构建新型电力系统为路径、以可再生能源高质量发展为核心的新时代。结合双碳目标和黄河流域生态保护和高质量发展对黄河流域再生能源的要求,以黄河干流丰富的水风光资源为基础,依托流域的水电梯级开发,充分利用水电灵活调节能力和水风光的出力互补特性,搭配具备调节能力的抽蓄电站,开展集常规水库电站、抽水蓄能电站和新能源电站为一体的多元开发模式,提出3种方案,建成七大超千万千瓦级的清洁能源基地,总装机容量规模近2亿kW,初步匡算每年可减少碳排放3.27亿t,年减碳效益约137亿元。提出与跨流域调水工程结合,利用广袤的荒漠土地进行碳汇的思路。

基于信息熵的黄河流域用水结构演变规律及空间分布特征

黄河流域水资源供需矛盾突出,为协调流域水资源与经济社会发展之间的关系,基于1988-2019年黄河流域水资源公报中的各行业用水数据,采用信息熵的方法分析了黄河流域近30年来用水结构的演变规律及空间分布特征。结果表明:1988-2019年黄河流域总用水量呈现两个阶段的变化,总体上呈现先减少后增加的趋势;用水结构信息熵呈现持续增长趋势,由1988年的0.6增长至2019年的1.2,说明黄河流域的水资源利用结构是向有利于经济社会发展的方向演变。从流域用水结构空间分布来看,四川省、陕西省和山西省用水结构信息熵和均衡度较高,均值分别在1.2和0.6以上,宁夏、内蒙古自治区和山东省的用水结构信息熵和均衡度均值分别在0.9和0.5以下,用水结构的合理性在黄河流域处于较差水平;从流域用水结构时间演变来看,四川省用水结构信息熵和均衡度呈减小趋势,其他8省(区)则呈增大趋势,增幅最大的是青海省,增加了40%以上,原因是该省农田灌溉用水量占比减小,而其他行业用水量占比增加。本文评价了黄河流域9省(区)用水结构的合理性,可为流域水资源的规划和节水政策的制订提供参考。

黄河流域水资源供需新态势与对策

黄河流域属资源型缺水地区,水资源时空分布不均衡、与经济发展布局不匹配的矛盾长期存在。针对这一突出问题,分析了近30年黄河径流演变及流域供用水变化特征,预测未来一个时期黄河天然径流量将进一步衰减到460亿m^(3),2035年流域总需水量增长到628.2亿m^(3),流域缺水量将达153.2亿m^(3)。水资源短缺长期制约流域经济社会高质量发展。解决黄河水资源短缺问题,近期可通过实施深度节水、优化配置格局、强化流域管理等措施来缓解,从长远来看,根本途径在于按照“补纲、张目、固结”的思路加快构建黄河水网,推进水资源集约安全利用。

流域全局视角下多沙河流水库库容再生技术新探索

为系统性解决多沙河流已建水库淤积问题等,并为拟建水库冲淤设计提供理论和技术支撑,在调水调沙减淤的基础上,针对水库宽滩区大规模淤损库容再生的难题,研究提出多沙河流水库“冲淤过槽、驱沙入海”的库容再生新策略。在水力清淤技术的基础上,为实现冲淤过槽和滩槽同治,探索借助工程措施及模块化装配式的装备分隔控导库区水流,增强水流自身动力和挟沙能力,将高滩淤沙冲入主槽和坝前排沙漏斗,并通过调水调沙带出水库,实现驱沙入海的目标。

黄河流域内流区土地利用与植被覆盖时空演变规律

黄河流域内流区水资源稀少、生态环境极其脆弱,深入了解土地利用与植被覆盖的时空演变规律对内流区生态系统恢复和改善有重要意义。利用长时序土地利用和归一化植被指数(NDVI)数据,分析了1980—2018年黄河流域内流区土地利用结构特征的时空动态演变规律。结果表明:①1980年以来,内流区耕地、草地、林地和城乡居民和工矿用地面积增大,未利用地和水域面积减小;以2000年为分界点,2000—2018年土地利用变化较1980—1999年更大,主要表现为未利用地转化为草地、耕地和林地。②2000年以来,内流区94%的面积NDVI以平均1.5%/a的速率增大,东部和南部增长较快;未转化类型的土地NDVI增大速率耕地>林地>草地>未利用地,未利用地转化为植被类型后NDVI增大速率普遍高于未利用地的。③降水量增加越快,NDVI增大越快,潜在蒸散发量增加导致NDVI下降;增加水资源、减少蒸散发量有利于内流区生态向好发展。

黄河流域河湖生态环境复苏研究

通过评价黄河流域河湖生态环境演变特征,探究其存在的问题,分析黄河流域河湖生态环境复苏目标与总体格局,探讨并提出黄河流域河湖生态环境复苏的实现路径。结果表明,黄河流域河湖生态环境系统正在由无序发展向有序发展转变。针对黄河流域河湖生态环境复苏面临的河湖生态环境脆弱、区域地下水超采、流域水土流失等主要问题,应从强化河湖监管、提升河流生态廊道功能、实施地下水超采治理与监管、加强黄土高原水土流失综合治理等4个方面入手,促进黄河流域河湖生态环境的全面复苏。

黄河流域发展质量综合评估研究

黄河流域是一个复杂的巨系统,其中要素众多,关系复杂,既相互联系又相互制约。人民治黄以来,流域保护治理成效显著,但仍存在一些突出问题。流域高质量发展要打破传统“头痛医头、脚痛医脚”的流域治理模式,亟需从综合治理、系统治理、源头治理的角度深入开展流域发展质量综合评估的研究。本研究基于系统科学和信息论等基础理论,提出流域发展质量综合评估理论,构建了流域发展指数(BasinDevelopmentIndex,BDI)及宏观-中观-微观三层的评价体系,探索流域巨系统演变规律,为流域保护治理提供技术支撑和理论依据。研究发现,BDI总体演变规律为先降低后升高,呈现震荡式向好趋势;人均GDP、总冲淤量(黄河下游)、重要断面生态基流保证率、生境质量指数为影响黄河流域巨系统的关键因素。

关于完善黄河流域防洪工程体系相关举措的思考

针对黄河流域现状防洪工程体系建设情况及防洪能力进行了全面分析和综合阐述,并客观梳理了黄河流域现状防洪工程体系存在的主要问题。分别从河库蓄泄关系变化、经济社会发展对防洪提出的新要求和极端天气事件带来的新挑战3个方面分析了新发展阶段黄河防洪面临的新形势。基于此,提出了完善“上拦”工程、巩固“下排”工程、推进蓄滞洪区安全建设和实施河道及滩区综合提升治理工程等流域防洪工程体系完善举措,为推动我国新阶段水利高质量发展提供技术支持。