面向流域治理与城镇发展统筹的城市水系统规划协同机制探讨 ——广东东莞生态园实证研究

统筹流域治理与城镇发展是系统解决当前城市发展过程中遇到的水资源短缺、水生态破坏、洪涝灾害频发的关键路径。本文在辨析流域治理与城镇发展统筹面临的主要问题及其辩证关系的基础上,以东莞市中部地区的生态园及其所在的寒溪河流域为研究对象,系统探讨了城市水系统规划在流域治理与城镇发展统筹中的协同作用机制。结果表明,以城镇-流域水系统耦合模型为支撑,城市水系统规划及其协同机制可通过空间、设施等要素的协同,实现保障城市及流域防洪排涝安全、保护水环境和节约水资源的目标,促进流域安全与城镇发展的良性互动。

长江流域水源涵养服务价值及其空间转移评估

水源涵养服务价值在不同区域之间的转移是流域上下游之间进行横向生态补偿需要考虑的关键内容。然而,水源涵养服务价值的转移依赖于流域的水文循环路径和河流的水量输送。现有的生态系统服务价值转移量评估方法缺乏对水源涵养服务转移中水文特征的描述,评估结果的合理性有待加强。针对此问题,从转移方向和转移路径2个方面改进断裂点-场强模型,通过引入河流方向系数判断流域上下游以及干支流地区之间的水力联系,在水源涵养服务转移评估中考虑河流的水文特征,并在长江流域应用,提高评估结果的合理性与可用性。结果表明,2020年长江流域水源涵养量为11 538.45亿m3,水源涵养服务的价值量为11 953.83亿元。相比现有模型的评估结果,研究改进的断裂点-场强模型突出了水源涵养服务价值从流域上游向下游转移的特征、增加了转移强度和范围。长江流域水源涵养服务价值的转出量由大到小依次为:四川>江西>湖南>贵州>湖北>安徽>重庆>云南>浙江>青海>陕西>广西>西藏>河南;各省份水源涵养服务价值的转入量由大到小依次为:云南>安徽>湖北>重庆>江苏>湖南>四川>上海>西藏。

基于气候变化情景的汉江流域景观生态风险变化模拟

景观生态风险评估是识别生态系统脆弱地区并进行重点治理的必要手段。现有方法多采用土地利用变化数据进行生态风险分析,在多因素综合评估方面尚有欠缺,尤其是难以将气候变化和社会经济发展相结合预测气候变化情景下景观生态风险演变。针对此问题,耦合传统景观生态风险评估模型与深度学习模型,构建多因素影响下生态景观风险的预测模型,并模拟汉江流域景观生态风险变化。结果表明:(1)起点期(2000—2015年)情景下,汉江流域较高生态风险等级主要连片集中在丹江口下游地区;(2)SSP370和SSP585情景下均主要以较高生态风险等级为主,比较连片集中分布在丹江口以下区域;(3)SSP370和SSP585情景下汉江流域内高生态风险等级面积在2042年显著增加,其中SSP370情景下的高生态风险等级的面积平均每10 a增加14.58%。研究提出的多因素景观生态风险预测方法可为气候变化条件下流域的生态风险评估和相关生态补偿政策的制定提供借鉴。

水利遗产的定量评估框架及指标体系初探

近年来国内学者开展了水利遗产认定和价值评估研究,但由于水资源开发利用的复杂性及水利工程结构和功能的多样性,现有评估方法定性成分较多且相对分散,系统性不足。针对上述问题,将具有一定模糊性的水利遗产特征,包括知名度、显著性、稳定性、有效性等,通过确定性、可测度、可统计的指标进行表征,包括遗产存留时间长短、几何尺寸和土方量以及文化事件的发生频次等,并与历史时期较容易获得的工程影响区人口和耕地数据结合,提出更加定量化和数据化的评估指标体系,以期提高水利遗产认定评估的客观性和标准化水平,为全国范围大规模评估提供可能的方法框架。

基于改进的当量因子法的生态服务价值时空变化研究——以长江流域为例

生态服务价值评估是对区域生态系统价值的总体估测,是生态保护和管理的决策依据。长江流域地域广阔、生态和社会经济系统非常复杂,现有的生态服务价值评估方法较难在大空间尺度上反映流域生态系统的整体情况。基于当量因子法计算量小、实用性强的特点,对该方法进行改进,评估了长江流域2010年、2015年、2018年的生态服务价值变化。结果表明:(1)当量因子法能够在大空间尺度上便捷的计算流域生态资产,在管理实践中的适用性较强;(2)2010年、2015年、2018年长江流域生态服务价值分别为58893.47亿、58865.02亿、59506.27亿元;(3)2010—2018年流域上游地区的生态服务价值增加较多,四川盆地和长江中下游平原地区的生态服务价值总体上有所减少。(4)近年来受长江大保护的影响,中下游部分沿江临湖地区的生态服务价值明显增加。研究成果为探讨当量因子法在长江流域生态服务价值评估中的适用性提供了借鉴,为进一步摸清长江流域生态资产的存量及其变化趋势提供了一定参考。

东江流域下游水文情势的改变度研究

【目的】水利工程的修建和运行会改变流域下游的天然水文过程,造成生态影响。定量评价水利工程对流域水文过程的影响,是完善工程调度和恢复下游生态流量过程的基础。针对目前流域水文改变度研究中对水库调度的影响分析不充分的问题,提出一种新的研究思路。【方法】以广东东江流域为例,采用耦合水库调度过程的分布式水文模型,以现行水库调度方式下的流量为基础,计算并分析水库修建后和水库不同下泄流量情境下东江下游博罗站水文过程。评估在相同气象和下垫面条件下水库的修建运行对流域下游水文情势的影响程度。【结果】结果显示:(1)东江流域新丰江、枫树坝和白盆珠三大水库的修建和运行显著改变了下游博罗站的月流量过程、年极值流量以及年内径流改变率等水文指标,尤其是高低流量出现频率、流量增加率减少率和流量逆转次数改变较大;(2)新丰江单库运行阶段的整体水文改变度为70.90%,枫树坝和新丰江双库调度阶段的整体改变度为70.96%,三大水库联合调度阶段的整体水文改变度为71.77%,均属于高度改变;(3)提高上游水库的月最小下泄流量阈值,对下游的水文改变度较为明显,其中对新丰江坝下水文改变程度最显著。【结论】结果表明:分布式水文模型耦合水库调度和水文改变指标变化范围法,是评价流域水文情势变化的重要手段,对于缺少水库修建前实测径流数据的流域水文情势研究具有较大的实用价值。此外,研究建立的耦合水库调度的分布式水文模型以及水库水文改变度计算方法,可为流域多水库联合生态调度方案的制定提供技术支撑。

地表水与地下水相互作用研究进展

地表水与地下水的水量转化是水文循环的重要过程,地表水与地下水的相互作用及转化关系是水文地质等领域研究的热点和难点.为分析和掌握其规律特征,更好的进行水资源分析评价、物质迁移和能量变化的相关研究,本文对国内外近20年的地表地下水循环及其相互作用的相关研究进行了系统的分析和探讨.通过梳理自然因子和人类活动影响下地表水与地下水相互作用的研究热点及前沿问题,总结了该研究领域发展的主要研究方法与关键模拟技术.通过有关研究方法的分析对比,当前开始更多结合新技术对不同实验方法、解析法和数值模型的综合研究,耦合自然因子和人类活动影响的流域地表水和地下水相互作用的研究成为研究的前沿和热点.

中国水权交易研究进展综述

水权交易是通过市场机制优化配置水资源的主要手段,是我国当前水资源管理改革的重要方向之一。由于水资源系统的复杂性和水市场研究的多学科交叉特性,目前我国水权交易研究的成果虽多但视角广泛,系统性和实用性不强。系统梳理了2000年以来中国水权交易研究的历程和阶段特征,提出我国水权研究的三个发展阶段:2000—2007年为理论探索阶段,主要探讨水市场在我国的必要性和制度路径;2008—2013年为技术发展阶段,典型特征是提出了定量数学模型用以优化水市场交易规则;2014至今为实践推广阶段,建立了基于我国水权交易平台实证数据的水权交易模型。目前,我国已建立了适用于中国国情的水市场理论和相应的成套技术方法,开展了大量的水权交易实践,有效促进了水资源的高效集约利用。然而,目前的水市场研究尤其是交易数学模型对复杂水文条件和水资源利用特征考虑不足,实用性不强,未来研究的重点方向之一是建立面向水市场的、基于水联网数据驱动的流域“水文-生态-经济”集成模型,为我国水市场的建设和评估提供更有力的技术支撑。

极端干旱下河口咸潮上溯对径流过程的响应(Ⅱ):深度学习预测

咸潮上溯是影响沿海地区水安全的重要环境问题。咸潮过程的有效模拟和精准预测是沿海河口地区咸潮防控与水安全保障面临的关键技术问题。针对传统数值模拟和数理统计预测方法在计算效率以及复杂条件下适用性不足的问题,采用深度学习方法建立了广东省东江河口咸潮上溯的预测模型,探讨了咸潮上溯对潮汐以及径流过程变化的响应特征。结果表明:综合物理过程统计指标和神经网络训练的深度学习方法,可以有效解析潮汐、径流以及河口含氯度之间复杂、动态的响应关系,东江河口万江站含氯度预测的决定系数达到0.8以上。极端干旱下东江下游博罗站的径流过程指标对于河口含氯度预测的准确度具有显著影响,是东江河口咸潮预测建模的关键变量。径流对河口咸潮的影响具有时间延迟,博罗站径流对河口含氯度影响的滞后时间为24~48 h。此外,感潮河段的流量往复幅度也对河口含氯度变化具有一定影响,可以作为咸潮预测的新指标。

流域水权制度体系框架及其在东江的分析应用

针对流域水权制度建设的系统性问题,从宏观层面分析水权制度的完备性,基于我国现有的水权制度安排和实践经验,将水权制度分解为三个层次和三个维度,提出了流域水权制度的体系框架。三个层次的内容包括:初始水权分配、水权调度实现和水权交易。初始水权给出了用户的长期水权指标,水权调度实现明晰了用户当年的用水指标,水权市场允许用户对长期水权和当年水权进行交易。三个维度包括:量质、时间和空间,要求明晰水权在各个空间点和时间段的数量和质量,以确保水权体系的水文完整性。将框架应用于广东省东江流域,分析了东江流域水权制度中适用于丰水且水质性缺水地区的典型特征,结果表明:东江的水权制度建设需进一步完善用水总量指标的水文封闭性、水权与水量调度规则的衔接性以及水权市场规则的完整性。研究成果对流域水权制度研究与实践具有一定参考价值。

基于优化模型的城市供水多水源配置研究

在人口增长、社会发展和气候变化的多重影响下,城市缺水问题日益严重,多水源供水成为解决此问题的主要途径。本文建立了城市多水源供水优化模型,以澳大利亚墨尔本为例,针对不同气候和需水情景研究了海水淡化与外调水在城市供水系统的配置问题。结果显示,两种水源均能够提升需水临界点、提高供水可靠性,实现增强供水系统安全性的目标。正常气候条件下,两种水源对供水系统改善效果近似,考虑供水成本,应优先采用外调水水源;干旱气候条件下,稳定可靠的海水淡化水源优于受气候变化影响的外调水水源,但成本较高。增加供水水源、实施需求管理是保障城市供水系统安全的重要措施,城市供水多水源的配置应综合考虑供水可靠性与供水成本。

典型跨流域调水工程的管理运行模式分析及启示——以南水北调东线工程为例

跨流域调水工程对缓解缺水地区用水紧张局面具有重要意义,它在一定程度上实现了水资源的时空再分配,为缺水地区的社会、经济发展及环境保护发挥了巨大作用。然而,跨流域调水工程由于其巨大的投资规模、高额的运行维护成本,也面临着工程运行管理和自身良性发展的问题。文章选取国外较为成熟的跨流域调水工程进行深入分析,重点对工程管理及运行模式、水价机制、环境生态与水质保护、投资管理及相关政策法规等方面进行对比,归纳总结其优势和经验及启示,为南水北调东线工程的良性运行提供理论参考及依据。

宁夏数字治水的创新机制

数字治水是融合物联网、云计算和人工智能等现代信息技术对水资源和水生态系统进行精准化治控的治水新模式,可为水资源的可持续利用提供科学的综合决策、精准的协同监管以及便捷的公共服务。从节水优先、强化监管和市场发力三个层面,解析新时期水利发展改革对数字治水的需求;并以宁夏为例,提出宁夏数字治水的创新机制,包括面向全链条节水的水利供应链数字化创新机制;面向全过程监管的严格水管理信息化创新机制;基于全要素水价落实水权配置的市场化创新机制,以期为推进我国的数字治水提供案例和思路借鉴。

粤港澳大湾区背景下的粤北生态产业模式研究

在新一轮经济发展中,粤港澳大湾区定位为国际一流湾区和世界级城市群,引领世界经济发展。作为粤港澳大湾区的生态屏障和水源保护地,粤北地区面临着生态保护与经济发展的矛盾,原有发展模式和产业结构巫须转变。本文调研了粤北地区的自然条件和发展现状,结合粤北地区生态屏障、水源保护地和重要的农业生产空间的定位,分析提出粤北地区的生态产业化模式和相应政策建议。

基于多源数据机器学习的区域水质预测方法研究

随着社会经济快速发展和水资源系统复杂性的日益增强,我国水环境质量的演变逐渐呈现跨区域、多因素耦合影响的特点。围绕大空间范围的水质预测问题,针对传统水质预测方法中对水文、气象及社会经济多因素考虑的不足,以广东省31个水质监测站在2008年到2016年间每周的水质等级数据为训练样本,选取降雨、蒸发和气温等气象指标以及GDP、总人口数、人口密度等社会经济指标为预测参数,运用支持向量机、决策树以及人工神经网络等机器学习技术,建立区域水质等级的预测模型。结果表明,机器学习方法可融合气象和社会经济等多源的、不同时空尺度的数据,对水质等级进行预测。其中,基于随机森林的预测模型表现性能最佳,预测准确率达到77.11%;基于支持向量机的预测模型次之,预测准确率达到74.99%。与现有的水质预测方法相比,该方法的计算速度快、不需要提取数据的统计特征、操作简单、能够分析社会经济因素对水质的影响,更容易在水环境治理中使用。

中国水电站数据库构建、验证与定量分析

水电作为一种开发技术成熟的清洁可再生能源,在我国能源发展中占有重要地位。我国拥有丰富的水电资源,但电站空间分布及发电属性特征信息的不足限制了大尺度的水能研究。针对我国水电站公开数据资料分布零散的问题,基于水力发电模拟模型,结合数据使用便利性,遴选确定了电站记录的关键属性,对我国3701座水电站进行数据收集、信息提取、属性分类和缺失填充,构建了相对完善的中国水电站数据库。其中,2019年我国(含台湾省)水电站总装机332.5 GW,大陆地区装机327.7 GW,覆盖率达92%。以该数据库为基础,采用描述统计方法,对我国水电开发的演变过程以及大中型水电站的空间分布进行了定量分析。研究成果为能源数据共享平台建设的通用性和适用性提供了技术参考,为定量化研究大空间尺度或少资料条件下的水电能源安全提供了支撑。

2020年东江流域生态服务价值的空间转移网络研究

认识生态服务价值的空间转移规律是进行跨区域横向生态补偿的科学基础。由于自然和社会系统的普遍联系性,流域内上下游以及多个区域之间的生态服务价值转移呈现复杂的网络特征,但既往研究对这种网络特征刻画不够充分,在复杂条件下的适应性有待提高。基于东江流域生态服务价值当量因子表,应用生态价值转移的断裂点和场强模型,计算出流域内上下游各地级市间的生态服务价值转移量并对其转移网络进行空间可视化。结果表明:2020东江流域的生态服务价值为1758.35亿元,生态服务价值总转移量为63.08亿元。转移量较大的生态服务有水文调节、土壤保持、环境净化。这些生态服务主要从流域上游和中游的惠州、河源向下游的珠江三角地区转移,构成了包含8个空间节点、22条线路的转移网络。研究得出的东江流域生态价值的空间转移关系,可为流域内跨地区的生态补偿提供参考。

极端干旱下河口咸潮上溯对径流过程的响应(Ⅰ):特征与规律

针对极端干旱下入海径流锐减导致的咸潮上溯加剧问题,从流量均值、变幅、高流量脉冲以及低流量特征等方面构建了反映入海径流变化过程特征的指标体系,分析了广东省东江河口的含氯度对入海径流过程变化的响应规律,讨论了极端持续干旱、水库压咸补淡水量不足的情况下流域层面多水源、精细化的压咸调控机制。结果表明:短时间内的高流量脉冲过程对压制咸潮具有明显的效果,在大潮期间当东江下游博罗站小时流量超过400 m^(3)/s时,河口含氯度显著下降并维持在较低水平。24 h内高脉冲流量次数达到4次以上或持续时间超过12 h,河口万江站的最大含氯度减小到250 mg/L以下,可达到生活饮用水水源的取水标准。此外,除了上游水库集中下泄的压咸流量外,水库-河口区间的降雨产流会增加入海流量,对抑制咸潮上溯有一定的增强作用。将上游水库的人工下泄与河口区间的自然产流相结合,充分利用多种水资源协同压咸,可为干旱情况下河口咸潮的高效调控提供技术突破方向。

以科技创新引领广东省水利改革发展实践探索

"节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力"的治水思路,赋予了新时期治水的新内涵、新要求和新任务。践行新时期治水思路、建设中国现代化水治理体系,是国家生态文明建设的重要内容。基于新时期的治水思路,结合广东省水利改革发展的特点和需求,提出科技创新是引领广东水利发展的第一动力,是提领广东水资源治道变革的关键抓手。在此基础上,总结提出了"互联网+节水"、"水文模拟+山洪预警"、"生态流量+稀有物种恢复"、"水权交易+排污权交易"四方面的创新思路,为广东省水利改革发展实践探索提供借鉴。

塔里木河流域的绿洲迁移研究

绿洲是干旱区社会经济发展的根基,是干旱区生态保护的核心。理解和定量表征环境变化下绿洲的演化规律是沙漠治理和绿洲保护的关键科学问题。选用2002—2018年MODIS土地分类数据集MCD12Q1,计算绿洲动态度、绿洲重心、不同土地类型的绿洲化贡献率、林草水域与社会经济用地的转化率四个指标,对塔里木河流域及其四大源流流域的绿洲迁移过程进行分析。结果表明:(1)塔里木河流域的绿洲面积总体呈现扩张趋势,在2002—2018年间,流域内绿洲面积扩张28.3%。(2)在2002—2018年,塔里木河流域的绿洲重心总体向南迁移。和田河、阿克苏河、叶尔羌河以及开都孔雀河四个源流流域的绿洲重心总体上向塔里木河流域的地理中心逼近。(3)流域内林地和耕地对绿洲演化贡献度较弱,而水域和草原对绿洲的增长和衰退的贡献率较强。(4)在2002—2018年,塔里木河全流域及其源流流域均呈现出林草水域向社会经济用地转化的趋势。空间上,社会经济用地的边缘地带表现出林草水域向社会经济用地的转变;在社会经济用地的内部,出现林草水域增加的现象。上述结果定量化的揭示了2002年以来塔里木河绿洲迁移演化的显性化图景,可为塔里木河以及其他干旱流域的治理和规划提供一定参考。