重庆中心城区洪涝灾害防御与韧性提升路径

重庆中心城区现状防洪治涝短板明显,城市公共安全面临两江过境洪水、本地中小河流洪水及山洪、城市内涝的严重威胁,洪涝灾害治理具有复杂性和长期性。亟须立足山地型超大城市特点,顺应韧性城市发展潮流,将重庆中心城区打造为我国城市应对极端暴雨洪涝的标杆。为实现这一目标,重庆中心城区洪涝灾害治理应遵循“水岸统筹,洪涝兼治;刚柔并举,平战结合;科技引领,智慧驱动”的基本原则。在实现路径方面,应按照鲁棒性、可恢复性、冗余性、智慧性和适应性兼具的韧性理念,协同工程、技术、制度、经济、社会等各层面,着力构建防洪防涝韧性提升的对策集合。其重点是消除江河防洪工程薄弱环节,推进城市内涝防治迭代升级,增强城市生命线工程抗冲击能力,多功能弹性利用城市滨水空间,打造智慧防洪防涝体系,全面提升应急管理能力。

关于中国水达峰几个问题的讨论

用水演变态势与需求峰值事关经济社会发展、生态环境保护大局,直接影响国家水网规划布局和重大水利工程建设。本文在水达峰内涵解析的基础上,总结了水达峰的自然社会特征和内涵,阐明了水达峰与需水、用水、缺水之间的关系,深入分析了中国统计用水量出现拐点的现象以及造成这种现象的6种可能原因,指出目前尚不能得出中国用水需求已达峰的结论。通过与国际上发达国家水达峰时人均GDP、产业结构、城镇化率等主要指标对比分析,认为中国现阶段也不具备水达峰的经济社会基础。最后指出,目前中国水资源保障安全的压力仍然较大,未来用水演变态势存在一定的不确定性,中国用水何时达峰、达峰水量是多少等结论需要进一步深入研究。需要做好国家水网工程的顶层设计,提升不同尺度的水资源优化配置能力,为国家高质量发展提供水资源保障。

降水和地下水开采对通辽市科尔沁区潜水位的影响

变化环境下(气候变化和人类活动)潜水位动态演化过程识别是当前我国乃至全球水资源领域面临的主要科学问题。为了分析多影响因素下的潜水位时空动态变化,以降水和地下水开采为例,基于通辽市科尔沁区2016年1月—2019年12月实测地下水位动态数据,采用Mann-Kendall(MK)趋势检验和栅格代数法分析了区域潜水位的时空变化规律,并利用交叉小波分析、斯皮尔曼相关系数和多元线性回归法进一步量化分析了不同区域降水和地下水开采对潜水位的影响。结果表明:研究时段内科尔沁区潜水位总体呈下降趋势,年均降幅为0.36 m,中部和西部地区潜水位下降较为严重;根据潜水位差值空间分布特征,将研究区划分为潜水位基本平衡区、下降区和严重下降区,其分别占研究区总面积的9.88%、49.65%和40.47%;基本平衡区的潜水位受降水因素影响显著,受地下水开采变化影响极小,下降区和严重下降区潜水位受地下水开采的影响相较于降水影响更大。

感潮河段城市湿地水动力模拟及改善方案研究

湿地具有固碳释氧、涵养水源等作用,改善水体交换能力是湿地研究热点之一,但关于潮汐变动水位条件下湿地水体调控措施的探究相对较少。以长江南京段绿水湾湿地为例,建立平面二维水动力模型,开展感潮河段城市湿地水动力模拟及改善方案研究。计算不同水文条件及闸泵调度方案下湿地流场,分析潮位变动对绿水湾湿地水动力的影响,分析不同闸泵调度措施对水体流动性的改善效果。研究表明,闸泵联合调度可使枯季大部分区域水动力明显增强,但仍存在主槽外坑塘等局部滞水区,需通过湿地植被重构的方式提高水体自净能力。对易暴发藻类的4—5月,闸泵联合调度可较好改善绿水湾内上游区域的水动力条件,对于改善效果并不明显的下游区域建议增设补水点,降低水体富营养化风险。本研究可为绿水湾湿地的设计、建设与管理提供科学依据。

永定河流域水文演变与多水源联合优化调度

水资源是保护修复永定河生态环境功能、维护河流生命健康的控制性因素。永定河流域水资源极为紧缺,且地表水资源量呈显著衰减态势。为实现紧缺严苛的水资源条件下永定河生态水量的有效保障,系统解析了流域水文演变特征,核算了分河段基本生态水量和多水源生态补水潜力,建立了耦合水资源供用耗排过程和水工程群联合运用的多水源优化调度模型,提出了常规和极端情况下的多水源生态水量调度方案和基于降水年型研判的调度方案运用方式。研究成果为有效保障永定河生态水量、提升应对变化环境的韧性提供了关键方法和模型,为华北地区其他河流生态保护修复和综合治理提供技术参考。

环境变化的径流效应研究进展及黄河水源涵养区研究展望

针对变化环境下黄河流域实测径流大幅度锐减,严重影响流域水资源与生态安全的问题,面向黄河生态保护和高质量发展的国家重大战略需求,梳理了变化环境下径流效应研究中亟待解决的关键科学问题与关键技术。以黄河水源涵养区为对象,以环境变化的径流效应和水资源预测为核心,细化了数据集构建、机理解析、模型研发、趋势预估4项具体研究内容与研究方案。预期研究成果将揭示黄河水源涵养区水文-生态过程的互馈耦合机理、创新变化环境下生态水文的模拟和预测技术,科学预测变化环境下流域水安全和生态环境风险趋势,有效支撑流域水资源可持续利用与生态环境保护决策。

长距离调水工程安全风险综合评估

以某跨流域、跨多省市的长距离调水工程为例,分析工程安全面临的各类风险事件,确定两座节制闸之间的运行调度渠段为风险评估单元,发展基于层次分析法的风险综合评估模型;以一梁式输水渡槽为例,阐释建筑物风险因子识别、风险事件分析和风险等级标准划分的方法,描述风险评估过程;以该渡槽所在的运行调度渠段为评估单元,采用层次分析法进行风险综合评估;在此基础上,对其余运行调度渠段进行风险综合评估,讨论造成较大风险的主要原因。结果表明:提出的方法辨识出了较大风险的运行调度渠段,造成运行调度渠段工程安全风险综合评估结果为较大风险的因素可归结为左岸水库溃坝或超调水工程防洪标准泄洪导致的风险、交叉河道过流能力不足风险以及左排下游通道排水不畅风险等,进而有针对性地提出了风险管控措施。研究结果可为类似长距离调水工程安全风险综合评估和管控提供参考。

机器学习算法在降水和气温多模式集成中的应用

选取CMIP6中5种全球气候模式,利用算术平均、权重平均、多元线性回归、BP神经网络、长短期记忆(LSTM)神经网络和随机森林(RF)等6种多模式集成方法,基于黄河流域水源涵养区历史降水量和气温数据,评估不同集成方法的模拟效果,并选取模拟效果最好的多模式集成方法预估未来SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.53种情景下黄河流域水源涵养区的降水和气温变化趋势。结果表明:多模式集成能很好地再现基准期降水和气温变化,3种机器学习算法表现相对较好,其中LSTM神经网络最好;在未来3种情景下,多年平均降水量均有所增加,四季降水量变化各有差异;SSP1-2.6情景下年降水量峰值出现在各时段初期,SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下的年降水量呈增长趋势,远期下降趋势较明显;3种情景下气温都呈上升趋势,但变化差异较大,增温幅度和速率由小到大为SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP5-8.5,秋季气温增幅最大,冬季最小;多模式集成方法对未来降水量和气温的预估存在较大的不确定性,均表现为中远期大于近期,降水量预估的不确定性比气温大,其中降水量秋冬季不确定性明显大于春夏季。

基于监测与模型的典型合流制排水系统溢流污染来源解析

以北京中心城区某典型合流制分区为研究区,开展自“地表-管网-排口”的全过程监测,基于MIKE URBAN软件构建数值模型,构建一套结合监测与模型的溢流污染解析方法,量化分析不同降雨量级下溢流污染来源。结果表明:管道沉积物、地表径流和生活污水对COD的贡献率分别为43.4%~53.9%、27.4%~27.5%和18.6%~29.2%。中雨流量峰值晚于浓度峰值,大雨反之;两场降雨溢流水质浓度峰值差异小于流量峰值。随着降雨量级及强度增加,地表径流和管道沉积物的污染负荷增加,后者增加量更大。管道沉积物是合流制溢流污染的主要来源,应优先对其进行控制。

水工结构变形预测模型构建与解释

现有基于机器学习算法的水工结构安全监控模型结果的可解释性较差。为提高安全监控模型的可解释性,发展一种基于集成学习算法的水工结构变形预测模型构建与解释方法。简述改进统计模型及随机森林(RF)、极端梯度提升树(XGBoost)两种常用的集成学习算法,引入沙普利值可加性解释(SHAP)方法实现集成学习算法模型结果的可解释性,阐述SHAP方法的原理和推导过程。以某运行初期特高拱坝变形数据为例验证方法的有效性和实用性。结果表明,XGBoost模型具有较高的预测精度,预测集决定系数大于0.982,改进统计模型精度次之,RF模型精度相对较低;SHAP方法可以分离不同自变量对效应量的影响大小,并能给出全局和局部的影响机制,实现模型拟合和预测结果的可解释性。提出的方法综合了“机理驱动”和“数据驱动”模型的优势,可为水工结构运行管理提供决策参考。

基于遥感和通量观测的实际蒸散发时空变化特征——以黄河流域水源涵养区为例

蒸散发是地表水热平衡的关键要素,分析蒸散发的时空分布特征及其影响因素,对于深入理解区域水文循环与生态系统过程至关重要。基于通量观测站数据,评估GLEAM、MTE、GLDAS和AVHRR共4种蒸散发产品在黄河流域水源涵养区的适用性,利用水量平衡方法验证其在流域尺度上的精度,并探讨实际蒸散发的影响因素。结果表明:在站点尺度上,GLEAM蒸散发产品精度最高;在流域尺度上,校正后的GLEAM蒸散发产品与实际蒸散发的相对误差在渭河南山支流区最小,其次是兰州以上地区;1982—2015年黄河流域水源涵养区实际蒸散发整体呈增加趋势,空间分布上自西到东逐渐增加;不同植被类型年均蒸散发差异较大,阔叶林的蒸散发最大(575.2 mm),其次是农田(504.3 mm),高山草甸的蒸散发最小(358.2 mm);实际蒸散发变化主要受到太阳辐射与气温的影响。

苏北高邮湖菹草(Potamogeton crispus)生长衰亡过程对水质与浮游植物群落的影响

为探究菹草(Potamogeton crispus)生长、衰亡期对生态环境的效应,本文以南水北调东线源头调蓄湖泊——高邮湖为研究区域,通过分析湖泊水质及浮游植物群落随菹草生长衰亡过程的变化情况,揭示高邮湖菹草暴发下水环境状况变化。结果表明:在菹草生长期水体透明度明显提高,且总氮浓度有较大程度的下降;而在菹草衰亡期,菹草生物量越高的区域水质越差。菹草在生长期对水环境起到一定的净化效果,而菹草衰亡降解会造成水质恶化。菹草生长期浮游植物密度和生物量显著低于衰亡期,生长期菹草高、中生物量区的浮游植物密度和生物量低于低生物量区,而在菹草衰亡期高、中生物量区的浮游植物密度和生物量高于低生物量区。冗余分析结果表明,pH、溶解氧、氨氮、硝态氮、总磷、高锰酸盐指数是菹草生长衰亡过程影响浮游植物群落结构的主要环境因子。分段结构方程模型模拟结果表明,菹草生物量可对浮游植物生物量产生直接效应,也可以通过改变环境因子对浮游植物生物量产生间接效应。

中国耗水结构综合分析及其驱动力研究

基于水足迹方法,量化了2010年和2019年中国除港澳台外31个省(自治区、直辖市)农业、工业、生活和生态部门的耗水量,以基尼系数、不平衡指数和水资源承载力为主要指标,评价了各省份耗水结构的空间均匀性、局部适配性和水资源脆弱性,并采用灰色关联法对各部门耗水特征进行了驱动力分析。结果表明:各部门耗水空间分布的均匀性差异显著,农业部门最优,2019年较2010年有所下降;生活和工业部门的水资源适配度最佳,2019年较2010年变化不大;北方地区较南方地区的水资源承载力更为脆弱,超载地区主要集中在黄淮海等地区,2019年较2010年更为严峻;作物播种面积、工业营业收入、城镇生活污水排放量和城镇环境基础建设投资分别是农业、工业、生活和生态部门耗水结构的最主要驱动因素。

水位差法模拟波浪荷载作用下大直径圆筒稳定性离心模型试验研究

某人工岛护岸工程采用大直径圆筒结构,结构直径和高度尺寸较大,工程所处位置波浪条件恶劣。采用水位差法等效模拟波浪荷载,开展波浪荷载作用下大圆筒施工期稳定特性离心模型试验研究,结果表明,在25 a一遇波吸力荷载作用下,筒体位移模式近似平移,侧向位移量约353 mm,筒顶沉降约为187 mm,施工阶段钢圆筒整体稳定;筒壁环向拉应力均值约为90 MPa,处于钢圆筒材料允许应力范围内;筒壁海侧土压力值随水位差增大至峰值后趋于稳定,表明筒体与周围邻近土体之间没有新的相对位移趋势,大直径钢圆筒护岸结构在波浪荷载作用下是稳定安全的。

基于知识图谱的暴雨灾害链挖掘与预测研究

暴雨灾害不仅会引发崩滑流、内涝等次生灾害,更会造成交通中断、供电中断、市政设施损毁等一系列衍生后果,这种现象被称为暴雨灾害链。为了把握暴雨灾害链演化发展的客观规律,有效防范暴雨灾害链的风险,本文提出了一种基于知识图谱的暴雨灾害链挖掘与预测方法。首先,将承灾体影响纳入暴雨灾害链本体模型,构建了暴雨灾害链知识图谱;其次,提出了基于链路耦合的暴雨灾害链挖掘方法,构建了基于贝叶斯网络的暴雨灾害链预测模型;再次,以珠三角地区为例,挖掘暴雨灾害链,并预测某次暴雨事件的灾害链。结果表明:①构建的暴雨灾害链知识图谱能够全面展示出暴雨次生灾害链及其衍生的承灾体后果;②基于知识图谱链路耦合的暴雨灾害链挖掘方法完整地挖掘出了暴雨灾害链,主要类型包括自然灾害类、城市生命线影响类、人员伤亡类、设备和建筑事故类、生产生活潜在影响类;③提出的基于贝叶斯网络的暴雨灾害链预测模型,在暴雨灾害发生初期就能准确预测出暴雨灾害链的发生概率。

“双碳”目标下的节水与能源协同发展

水与能源具有复杂的耦合关系。为实现碳达峰碳中和“双碳”目标,有效应对全球气候变化挑战,迫切需要研究能源与节水协同发展的对策与措施,探索实现水资源和能源协同安全保障的技术路径。分析了水与能源的耦合关系以及能源生产和消费的发展趋势,提出了节水与能源协同发展对策:一方面需要在能源生产和消费革命过程中落实量水而行,有效降低对水的依赖和负面影响,并结合新能源发展开拓节水新途径;另一方面应将能源节约和高效利用贯穿于水资源开发利用全过程,在宏观层面控制用水规模,优化供水水源结构和水网布局,并在微观层面上实现水资源供用耗排各环节的能源集约利用。

澜沧江上游极端降水变化特征及未来预估研究

为探究澜沧江上游极端降水变化特征,基于中国区域地面气象要素驱动数据集(CMFD)再分析数据,对第六次国际耦合模拟比较计划(CMIP6)的10个气候模式降水数据进行了极端降水模拟评估,基于年降水总量对CMIP6多模式降水数据进行了偏差纠正,预估了未来时期(近期:2020—2049年、远期:2060—2089年)极端降水的变化趋势,并探讨了其趋势变化的驱动因素。结果表明:(1)偏差纠正后CMIP6多模式极端降水指数的不确定性减小,多模式集合平均的模拟效果优于多数单一模式。(2)未来研究区的降水总量增加,年内降水日数增多,降水频率上升。未来近期,研究区各极端降水指数的变化趋势并不明显,极端降水事件呈减少趋势;未来远期,尤其是高辐射强迫下,研究区极端降水的强度和频率都呈现显著的增加趋势。(3)气候变暖导致的空气含水量增加可能是极端降水增强的原因。

南四湖不同起调水位汛期调水风险传导规律

南水北调东线工程通水以来,有效缓解了山东半岛等地的缺水问题,但水资源供需矛盾依然突出,汛期调水将成为解决该矛盾的方式之一。汛期调水时,湖周河道开闸泄洪,非汛期积累于河道中的污染物随水流下泄入湖,使得流域水环境风险显著增加。为科学支撑东线后续工程汛期调水水环境风险管控和探究湖区内部风险传导机制,以南水北调东线调蓄湖泊南四湖上级湖段为例,构建水环境风险空间传导分析模型,计算相邻子湖区处于不同风险状态组合的概率,定量评价汛期调水时南四湖上级湖流域水环境风险状态,探讨丰、平、枯3种水平年起调水位下水环境风险在南四湖上级湖的传导规律。结果表明:丰水年高水位调水时,南四湖上级湖水环境风险值最小,枯水年最大;高、中水位调水时,呈由低风险传导至中风险、再传导至高风险的逐步传导模式,而低水位调水时,风险由低风险直接传导至高风险;以平水年为例,白马河区至万福河区93%概率为低—中风险增强型传导、7%概率为低—高风险增强型传导。

基于ParFlow.CLM的居民小区屋顶雨水断接水文效应研究

城市不透水面的快速扩张极大地改变了自然的水文循环过程,是造成城市内涝、河湖生态退化等城市水问题的主要原因之一。海绵城市建设及低影响开发利用源头海绵设施或城市绿地断接城市不透水面,减少不透水面的水文效应,是缓解城市水问题的重要措施。探究不透水面断接的水文效应对我国海绵城市建设具有重要意义。基于全分布式物理水文模型ParFlow.CLM,充分考虑城市地下构筑物,探究了不同土壤质地情景下西宁市某典型居民小区建筑屋顶断接在连续的降雨、蒸发过程中的水文效应。模拟结果显示,利用该居民小区自然绿地断接建筑屋顶能取得较好的径流控制效果:当土壤饱和导水率(K_(s))大于0.01m/h时,屋顶径流的年削减率能达到72.9%以上。屋顶断接在建筑物雨落管附近形成了集中入渗,增加了根区土壤湿度,且这一效应随着土壤渗透性的增加而增强。根区土壤湿度的增加进一步促进了绿地的蒸散发:与屋顶断接前相比,不同土壤质地情景下居民小区年蒸散发总量增加了6.2%~7.8%。另一方面,集中入渗在局部也形成了更深的湿润锋,使得更多下渗水量能够脱离植被根区的蒸散发作用,从而促进根区水分的深层渗漏。模拟结果表明,尽管该居民小区地下停车场限制了大部分区域的深层渗漏,当土壤K_(s)大于0.01m/h时,屋顶断接情景下的年深层渗漏总量仍能超过城市化前的水平。

考虑人群活动的城市场所洪涝灾害风险动态评估——以深圳市为例

为了揭示人群动态活动对城市洪涝灾害风险的影响,本文引入场所视角,建立了考虑人群活动的城市场所洪涝灾害风险评估模型,以深圳市福田区4个典型社区为例分析了工作日和休息日的白天、晚上4个时段下不同类型场所的洪涝灾害风险变化。结果表明:①除危险性以外,频繁的人群活动亦会增加场所的洪涝灾害风险,与人群活动相关的指标权重达0.31;②不同类型场所的洪涝灾害风险差异显著,且随着人群活动动态变化,生活场所平均风险最高,在4个时段波动较小;居住型混合场所洪涝平均风险次之,但晚上时段比白天高25%左右;商业场所、公共服务场所和办公型混合场所平均风险也较高,在工作日白天高于其他时段;绿色休闲场所在4个时段风险都最低;③居住型社区和综合型社区的洪涝风险存在显著差异,居住型社区为持续性高风险社区,其高风险场所占比在4个时段均超过40%,尤其在晚上达60%,而综合型社区风险呈现出工作日白天高于其他时段的特征,其高风险场所比例最高达54%。