基于集对分析与可变模糊集的城市水资源安全评价

城市水资源安全定量评价对于制定合理的城市水资源发展战略,促进水资源可持续利用,实现社会经济可持续发展圴具有重要的意义。为此,建立了包括水量安全、水环境安全和社会经济安全3个子系统在内的城市水资源安全评价指标体系。借助于层次分析法和熵值法得到了评价指标的组合权重,构建了集对分析与可变模糊集耦合的城市水资源安全评价模型,并以广州市为例,应用该模型分析了2004～2014年广州市水资源安全状况及其主要障碍因子。分析结果表明:广州市水资源安全水平总体上在不断提高,安全级别从较不安全上升至临界安全水平;水量安全是影响广州市水资源安全的首要因素,人均水资源量、产水模数、客水比例等是阻碍水资源安全水平提升的主要障碍因子。评价模型能够较客观地反映城市水资源安全的时序演变特性和主要制约因素,评价结果比较贴近实际情况,可为城市水资源安全评价提供一种有效可行而又直观的方法。

白龟山水库水资源特征及其安全影响因素

用差异系数、相关系数和PCI从年尺度和月尺度分析降水量、入库水量、出库水量的变化特征和运行状况,研究影响白龟山水库水资源变化主要因素的结果表明,2002年~2014年期间,降水量与之前相比减少17%,入库水量与多年平均值基本持平,差异系数0.58远大于降水量的差异系数0.20;出库水量中城市生产生活用水量相对稳定,农业灌溉用水受缺水限制,波动较大,蒸发渗漏损失有一定波动;来水能满足用水需求,但遭遇连枯年水资源严重短缺。影响白龟山水库安全的主要因素一般年份是汛期洪水的利用,而连枯年则是汛期的降水量。

气候变化下水资源脆弱性的适应性管理新认识

气候变化下的水资源脆弱性和适应性管理研究成为全球和国家应对气候变化和保障水资源安全重点关注的问题,也是中国可持续发展面对的重大战略问题。介绍了水资源脆弱性和适应性管理的国内外最新研究进展;针对国家重大需求和国际科学前沿问题,综述了气候变化下水资源脆弱性和适应性管理存在的问题与挑战。提出了气候变化下水资源脆弱性与适应性管理理论与方法研究以应对气候变化的无悔为准则,与社会经济可持续发展、成本效益分析、利益相关者的多信息源的分析与综合决策相结合为原则,对适应性管理与脆弱性组成的互联互动系统及其风险与不确定性进行分析的新认识。

气候变化对黄河水资源的影响及其适应性管理

气候变化将直接影响降水、蒸散发和径流等水文要素,并在一定程度上改变水资源量及其时空分布,进一步影响水资源利用格局及水安全形势。气候变化对水资源安全的影响是国际上普遍关心的全球性问题,也是我国可持续发展面临的重大战略问题。黄河作为中华民族的母亲河,在全球气候变化的条件下,水资源的供需矛盾日益尖锐。结合黄河的水资源特点,研究和评价了气候变化情景下黄河水资源的脆弱性,并从配置、利用、调度、管理方面系统地提出了适应性对策:探讨有序适应的黄河流域水资源优化配置方案;完善水沙调控体系,探讨高效输沙模式;合理开发非常规水资源;优化调整梯级水库运用方式;实施最严格的水资源管理制度;积极实施外流域调水。

变化环境下水资源脆弱性及其适应性调控研究——以海河流域为例

依据国内外最新研究进展,提出了变化环境下新的内涵的水资源脆弱性与适应性管理的新概念与定义并建立了耦合环境变化对水资源影响的暴露度、水旱灾害、敏感性和抗压性的水资源脆弱性评价模型,对海河流域水资源脆弱性现状和未来气候变化影响最不利情景下的海河流域水资源脆弱性进行了定量分析研究。针对水资源脆弱性的适应性调控设置了用水总量调控、用水效率调控、水功能区达标调控、生态需水调控和综合调控五个不同方案进行分析研究。分析结果表明:从海河流域各级分区的减少水资源脆弱性目标看,单项调控最为敏感的是水功能区达标调控,其次是水资源利用效率、用水总量与生态用水控制,在所有适应性调控方案中,综合调控方案最优。

湖北省土壤有机碳垂直分布及储量估算

土壤有机碳空间分布和储量估算是全球碳循环和气候变化的关键研究领域之一。该文利用湖北省第2次土壤普查资料,研究了省内13种土壤类型地表以下1 m内的有机碳的含量、密度和容重的垂直变化规律,并估算分层(5层)和整体的有机碳储量。结果表明:对研究的所有类型的土壤,它们的有机碳的含量和碳密度均随土壤深度增加而下降,容重随深度增加而变大;湖北省有机碳储量总量为1.1Pg,其中表层土壤为0.385 Pg,占总有机碳储量的35%;所研究的13种土壤类型中,紫色土的有机碳碳密度最小(为3.41 kg/m^2),山地草甸土最大(为32.46 kg/m^2),全省平均碳密度为12.87 kg/m^2,高于全国平均水平(10.53 kg/m^2),说明湖北省植被覆盖率较高,土壤有机质积累较多,有利于生态改善和农业生产。

气候变化影响下的赣江流域水资源变化趋势与幅度分析

利用全球气候模式输出结果,经统计降尺度模型降解后得到流域尺度的降水和气温要素,根据实测资料建立气温—蒸发回归关系以及新安江水文模型,使用耦合模拟和MK趋势分析评估未来气候变化情景下赣江流域水资源量的变化趋势和幅度。研究结果表明:未来不同排放情景下的年降水量、年蒸发量和年径流量等水文气候要素变化趋势以显著增加为主。未来年降水量、年蒸发量和年径流量的多年平均值相对基准期有较小幅度增加,最大增幅为年径流量的13.81%。降水、蒸发和径流的年内变化有明显的季节性特征,汛期径流增加、非汛期径流减少的不均匀情况加剧,在一定程度上可能增加赣江流域未来的防洪压力和枯水期供水压力。

基于马尔科夫链模型的湖北省干旱短期预测

针对干旱预警预测十分困难的问题,基于湖北省16个气象站点1960~2009年的逐月降水资料,计算了各站点的标准化降水指数（SPI）,并利用马尔科夫链模型预测了湖北省未来干旱的发生概率,得出了各个干旱等级的发生概率、预计持续时间、初次转移到无旱状态的时间、重现时间以及预见期为1~3个月的短期概率。与实际统计频率对比发现,马尔科夫链模型能很好地估算各个干旱等级的发生概率,且大多数站点未来干旱等级预测概率的误差都控制在20%以内,说明该模型对于未来干旱情况具有一定的预测能力,可以为早期干旱预警提供依据。

天门市水资源承载力评价与适应性分析

为评价天门市水资源承载力情况,采用主成分分析法选取主要指标构成能较全面地代表天门市水资源承载力的简化指标体系,采用熵权法和主成分分析法对天门市2010—2014年水资源承载力进行评价,得到其水资源承载力综合评分,从而为天门市水资源可持续利用提供依据。研究结果表明:天门市水资源承载力主要受地表水资源量、用水量以及生活水平的影响并呈不断优化趋势,但综合天门市主要自然灾害为旱灾的现实情况来看,天门市对于旱季水资源量紧缺的情况缺少有效应对方法,这也极大影响了天门市的水资源承载力;在水资源承载力评价的基础上,对天门市水资源承载力适应性进行评价,认为其主要处于一般不适应和均衡状态。

汉江流域水资源承载力综合评价研究

根据汉江流域水资源、社会经济和环境生态现状,构建由3层12项指标组成的综合评价指标体系。依据主成分分析法和熵权法确定指标权重,建立评价标准、模糊综合评判和集对分析评价模型,对汉江流域水资源承载力进行综合评价。结果显示汉江流域2010~2016年水资源承载力大体变化趋势为先逐步降低,在2013年达到最低值,后逐渐上升。模糊综合评价显示汉江流域水资源承载力各年得分在0.55~0.58之间,集对分析显示其承载力具有一定风险性。汉江流域水资源承载力已达一定规模,应合理开发并高效利用水资源。该研究将为汉江生态经济带可持续高质量发展规划提供技术支撑。

地下水资源水质水量联合评价研究进展及展望

地下水资源的可持续性利用是联系社会经济可持续性发展的重要研究问题。首先总结了水质、水量主要评价方法,回顾了在地下水环境中的水质、水量评价的应用实例,随后对水质水量联合评价方法在国内外应用的研究进展及现状进行了综述讨论,并结合地下水资源环境相关的生态问题、人类健康问题、地下水合理开采、地下水资源合理分配等问题进行分析,得出地下水水质水量联合评价的研究存在严重缺乏现象,提出了针对地下水水质水量联合评价的总体思路与方案。最后,通过比较国内外相关领域的研究现状,结合中国水环境管理实际情况,提出未来地下水资源水质水量联合评价研究可能的发展方向。

加权马尔可夫链阶数对湖北省年降雨量预测精度的影响研究

本文采用加权马尔可夫链结合模糊集理论的方法对湖北省27个气象站的年降雨量进行预测,从气象站点和研究区空间两个方面分析了不同阶数对年降雨量预测精度的影响。结果表明,多阶加权马尔可夫链能够克服传统马尔可夫链中年降雨量状态预测不唯一的缺陷,且预测的年降雨量状态的准确性更高;多阶预测的年降雨量空间分布具有较为一致的趋势,表现为东部和东北部高于实测值,南部和西南部低于实测值,且五阶预测的空间年降雨量与实测最为接近。研究结果可为农业、气象和水利等多个部门的决策制定提供重要的数据支持和科学依据。

融合ARIMA模型和MCMC方法的非一致性设计洪水计算

常规非一致性频率分析方法在选择协变量、建立统计参数与协变量的函数关系方面均存在主观性,且仅获得设计洪水估计值,不能同时进行不确定性分析。为改进上述不足,建立了ARIMA-MCMC模型,在贝叶斯MCMC方法抽样过程中考虑统计参数拟合期内的时变性,进而对未来气候变化条件下的非一致性设计洪水频率分布模型参数进行抽样,基于参数后验分布进行设计洪水计算,并推求相应的置信区间。选取雅砻江流域小得石水文站作为分析对象,采用ARIMA-MCMC模型定量评估未来气候变化条件下小得石站设计洪水的变化情况。结果表明:基于ARIMA-MCMC方法的参数抽样收敛效果较好,3种情景下的模型统计量D均小于显著水平5%的临界值;除SSP2-4.5情景下P=0.1%和P=0.05%的设计值外,其他情况的设计最大日流量较历史期均明显增加,其中SSP1-2.6、SSP5-8.5情景下的增幅分别为7.1%~10.5%、13.9%~27.2%。本文建立的ARIMA-MCMC方法能够有效进行非一致性设计洪水频率分析。

气候变化对防洪安全影响研究面临的机遇与挑战

全球气候变化背景下的防洪安全影响是国内外关注的热点问题。随着气候变暖、城镇化快速发展对地区强降水、洪涝等极端事件的影响,未来中国防洪安全保障将面临新的挑战。针对中国面临的严重洪涝灾害问题,阐述了从全球到中国气候变化对洪涝灾害影响的事实,综述了国内外最新的研究进展与前沿问题。最后提出了应对气候变化减少洪涝灾害的若干对策与建议:应加强气候变化对极端水文事件影响的基础研究,包括对水文非稳态(降水、洪水)序列和突变过程、非线性问题,陆地水文-区域气候耦合模式及气候变化影响下水循环要素时空变异与不确定性的研究;应加强应对气候变化防洪减灾的适应性对策研究,包括对气候变化影响的流域防洪规划适应性管理及气候影响的适应性能力和适应性方式的研究。以上对策与建议可为未来中国开展气候变化影响下的防洪安全研究提供借鉴。

创新型人才培养需求下的水利学科《工程经济学》课程体系研究

结合水利行业"十三五"的规划发展,对水利类创新型人才培养的需求趋势及工程经济学的知识架构进行了分析,回顾了水利类《工程经济学》课程建设和发展,依据长期教学经验,研究了现阶段《工程经济学》课程内容存在的问题,并提出了该课程下一步体系改进及知识点补充的相关建议,以为本学科工程经济学建设提供借鉴和参考。

筑坝河流鱼类生物完整性研究——以珠江流域红水河为例

基于红水河流域开发特点和鱼类群聚组成特征,构建红水河鱼类生物完整性评价指标体系,评价梯级开发对红水河不同生境类型的鱼类生物完整性的影响。河流参照状态和基准值由1982-1994年鱼类历史监测数据分析得到;监测值是2013年调查的鱼类数据;现状值为2018年鱼类数据。针对红水河鱼类区系特点和高强度水电开发特征,选取总种类数占期望值比例、鲤科鱼类所占比例、鲿科鱼类所占比例、鲇科鱼类所占比例、耐受性鱼类个体所占比例、渔获物中出现的科数所占比例、杂食性鱼类个体所占比例、底栖动物食性鱼类个体所占比例、顶级肉食性鱼类所占比例和外来种个体所占比例等10个指标构建红水河IBI指标体系。结果表明:2013年25个采样江段的IBI值为38~80分,均值62分。其中,24%的江段生物完整性等级为“好”;32%的江段生物完整性等级为“一般”;44%的江段生物完整性等级为“差”。从生境类型来看,支流生物完整性明显优于水库、库尾回水区。此外,现状数据评价的结果为:2018年红水河IBI值为64分,高于2013年均值62分,生物完整性均处于“一般”等级。

基于深度学习的流域洪水预报模型研究

随着水文信息系统的普及,水文数据的采集越来越方便。传统上依靠各类水文模型及参数率定以刻画水文数据和预报成果间的复杂关联,如何实现水文数据驱动的水文自动预报是当前面临的问题。近年来,人工智能技术蓬勃发展,深度学习技术开始应用于水文学领域,试图解决这一问题。本文以沮漳河西支峡口至远安区间流域为研究对象,结合分布式水文模型的原理及深度学习理论方法,基于流域多维度数据对流域产汇流特性进行提取,利用特征网络进行流域径流预报,构建基于卷积神经网络(CNN,Convolutional Neural Networks)的流域降雨径流预报模型。研究将模型模拟结果与前期影响雨量模型(API,Antecedent Precipitation Index)结果进行对比分析,结果表明,基于卷积神经网络的流域降雨径流预报模型模拟精度为90%,模型可靠,能满足大部分的降雨洪水预报,为流域降雨径流预报提供一种新的方法。

山东省流域水资源安全分析

针对山东省水资源供需矛盾和水环境生态问题,利用水资源敏感性和抗压性分析方法,结合抗压性二级指标水资源开发利用率、百万方水承载人口数、水功能区达标对山东省流域水资源进行安全分析.结果表明:山东省水资源最为敏感的三级流域分别为胶东诸河、小清河、徒骇马颊河,而鲁南大部分区域水资源对气候变化敏感性较弱;各流域水资源抗压能力明显都不高,大汶河、徒骇马颊河、湖东区、湖西区、中运河区、沂沭河区、日赣区流域的水资源应对供需矛盾的抗压能力较差,而在胶东诸河、小清河流域水资源的抗压能力则相对较高.在对水资源抗压性二级指标分析中,除了胶东诸河水资源开发利用率小于50%之外,其他三级流域均大于50%,特别像徒骇马颊河、小清河等流域水资源开发利用率大于100%;山东省涉及海河和淮河承载人口驱动的水资源压力相对省内其他区域要大;各流域三级区流域水质达标率普遍较低.

基于RSEI指数的长江上游流域生态环境质量时空演变及影响因子研究

为准确、及时地获取长江上游生态环境质量的变化趋势以及演变格局,基于Google Earth Engine(GEE)平台的MODIS系列遥感数据,通过计算长江上游流域生长季5—10月的绿度(NDVI)、湿度(WET)、热度(LST)及干度(NDSI)4个指标,采用主成分分析法(PCA)构建出遥感生态环境指数RSEI,并对长江上游流域生态环境进行评价。结果表明:(1) 4个指标在第1主成分(PC1)上的平均贡献率为71%,表明依据这4个指标在长江上游流域构建RSEI是可行的;(2)长江上游流域RSEI整体呈现显著增加趋势(p<0.05),增加速率为1.1×10^(-3)/a,具体可细分为两个阶段,分别是快速增长期(2000—2010年),其速率为5.9×10^(-3)/a,以及增速放缓期(2010—2020年),其速率为3.9×10^(-3)/a;(3)长江上游流域生态环境质量以优和良为主,且表现为南部比北部好及东部比西部好的空间分布格局;(4) 2000—2010年流域生态环境质量改善明显,改善面积占34.7%,2010—2020年改善面积与退化面积接近,两者仅差1.3%左右;(5) 2000—2020年长江上游流域RSEI变化趋势为正的像元面积占长江上游流域总面积的64.7%,其中显著退化的区域主要集中在嘉陵江下游地区;(6)生态环境质量主导自然影响因子在2000年为热度>绿度>湿度>干度;2010年依次为绿度>热度>湿度>干度;2020年依次为绿度>湿度>热度>干度。综上,利用GEE平台能快速、准确地监测长江上游流域生态环境质量,近21年来流域生态环境质量整体呈改善态势,但针对嘉陵江下游生态退化现象需要引起政府重视,尽快提出一系列生态修复措施,防止其生态环境进一步恶化。

基于Budyko假设的金溪流域径流变化归因分析

[目的]探究金溪流域径流变化特征及其原因,对于水库运行调度及水资源管理具有重要指导作用。[方法]基于1982-2015年流域气象水文数据以及植被NDVI数据,采用线性回归法、Mann-Kendall突变检验及滑动T突变检验法分析径流变化特征,进一步采用Budyko水热耦合平衡方程计算各影响因子对流域径流变化的贡献率。[结果]金溪流域年径流深、降雨量均呈不显著上升趋势,变化速率分别为3.89 mm/a,8.43 mm/a。潜在蒸散发量呈显著上升趋势,变化速率为1.17 mm/a。通过突变检验可将金溪流域径流序列分为基准期1982-2002年和变化期2003-2015年。金溪流域径流变化归因分析表明:下垫面变化对径流变化的贡献率为123.55%,潜在蒸散发的贡献率为33.83%,降雨贡献率为-57.38%,流域下垫面变化主要源于植被情况显著改善,其中NDVI在基准期上升速率为0.005/10 a,在变化期上升速率为0.024/10 a。[结论]导致金溪流域径流变化的主要源于植被情况的显著改善,金溪流域径流变化的归因分析为金溪流域的水资源利用提供了理论支持。