变化环境下汉江流域水循环要素响应规律

汉江是长江第一大支流,也是南水北调中线工程和引汉济渭工程的水源地,具有重要的战略地位,科学评估气候变化和人类活动等变化环境下其水循环的响应,对流域水资源的可持续利用和制定适宜的管理政策有着重要意义。本文以汉江流域为研究区域构建了校准后的VIC分布式水文模型,随后基于降尺度后的全球气候模式数据和不同时期土地覆盖遥感数据设置不同情景的模拟,全面分析变化环境下流域水循环要素响应规律,并量化了气候变化和土地利用对径流变化的贡献率。结果表明:不同气候变化情景下,年均降水中上游增加显著,年内降水更加集中于夏秋季节丰水期,各月实际蒸散发整体增加且年内分布更加均匀化;丹江口入库流量和流域出口断面流量在RCP8.5情景呈显著增加趋势,流域年内枯水期流量减少,丰水期流量全年占比最大增加了8.51%,未来月流量更加集中于丰水期,发生干旱和洪涝灾害的概率将会增加。汉江流域的部分稀树草原和有林地在21世纪以来转化为郁闭度更高的落叶阔叶林,土地利用的变化没有使得流量的年际变化趋势有较大改变,但使得流量整体降低了。不同时期气候变化和土地利用对丹江口入库流量变化的贡献率分别为80%~88%和12%~20%,对流域出口断面流量变化的贡献率分别为72%~88%和12%~28%,气候变化是汉江流域径流变化的主要驱动力。

递增式连续降雨条件下典型山区坡面径流产沙水动力学特征

山区复杂的下垫面条件导致了山区小流域水文响应过程的复杂性,山区坡面作为山区小流域水文响应的基本单元,研究其不同下垫面条件下径流产沙水动力特征具有重要意义。为明晰山区坡面不同下垫面条件下径流水沙水动力特征,该研究选用官山河小流域作为研究对象,基于室内模拟递增式连续降雨试验方法,研究了坡度、土层厚度分布和土层底部透水性等山区坡面下垫面特性共同作用下的坡面径流产沙水动力学特征。结果表明:1)连续降雨条件下,雷诺数、水流剪切力和径流功率随着产流时间和雨强增加呈现增加趋势,Darcy-Weisbach阻力系数呈降低趋势。2)雨强增加使雷诺数均值和径流功率均值显著增加(P<0.05),设计雨强60、90、120 mm/h时的雷诺数均值、径流功率均值分别比30 mm/h的雷诺数均值、径流功率均值增加了130%、276%、366%和171%、328%、435%;坡度增加使水流剪切力均值和径流功率均值显著增加(P<0.05),坡度15°、25°的水流剪切力均值分别比坡度5°的增加了135%和187%,坡度15°、25°的径流功率均值分别比坡度5°的均值增加了224%和357%;土层厚度分布对阻力系数均值和土层底部透水的雷诺数均值、径流功率均值有显著影响(P<0.05),土层底部透水性仅对土层厚度分布为上薄下厚的雷诺数均值和水流剪切力均值有显著影响(P<0.05)。3)雨强是影响坡面产流产沙水动力特征的主导因素,对雷诺数的方差贡献率高达83.11%,水流剪切力主要受到雨强和坡度的影响,累计贡献率达67.64%,径流功率主要受到雨强和坡度的影响,累计贡献率达80.58%。在单一雨强条件下,坡度和土层厚度分布是影响水动力参数的主要因素,土层厚度分布和坡度的交互作用、土层底部透水性和土层厚度分布的交互作用对水动力参数也有一定影响。因此,在研究坡面产流产沙规律时,除考虑雨强和坡度外,还应兼顾考虑土层厚度分布和土层底部透水性及其交互作用的影响。该研究结果可为山区坡面复杂下垫面条件下的坡面产流产沙机理提供一定的理论支撑,并为改进山区小流域水文过程分布式模拟提供参数率定依据。

四湖流域水稻耗水与降雨匹配度及水稻旱涝易损特征分析

水稻是中国主要粮食作物之一,研究气候变化环境下降雨特征及其与水稻耗水之间的匹配关系,明晰水稻水分盈亏状况及旱涝易损特征,可为区域水资源配置规划与灌溉排水管理等提供重要依据。该研究以湖北江汉平原四湖流域为研究区域,基于5个气象站点1961—2020年逐日气象资料,利用Penman-Monteith公式、Mann-Kendall趋势检验、气候倾向率、空间插值分析等方法,分析了降雨量、水稻田间耗水量及水分盈亏指数时空分布特征,基于水分盈亏指数分析了水稻旱涝易损特征。结果表明:1)四湖流域多年平均降雨量为1209.2 mm,且以35.1 mm/10a的平均速度显著上升,东南部降雨量及上升趋势均高于西北部;2)早、中、晚稻生育期多年平均降雨量分别为492.0、509.9和269.1 mm,早、中稻生育期降雨量分别以17.9 mm/10a和18.4 mm/10a的平均速度呈不显著上升趋势,晚稻生育期降雨量以-10.7 mm/10a的平均速度呈不显著下降趋势;3)早、中、晚稻多年平均田间耗水量分别为411.4、595.5和401.4 mm,中稻田间耗水量远大于早稻和晚稻,早、中稻田间耗水量分别以-5.54 mm/10a和-11.43 mm/10a的平均速度显著下降,晚稻田间耗水量以-1.52 mm/10a的平均速度呈不显著下降趋势;4)早、中、晚稻多年平均水分盈亏指数分别为0.22、-0.12和-0.31,早、中稻水分盈亏指数以0.06/10a和0.04/10a的平均速度呈不显著上升趋势,晚稻水分盈亏指数以-0.03/10a的平均速度呈不显著下降趋势,早、中稻水分盈余程度在增加,晚稻水分亏缺加剧;5)四湖流域早、中、晚稻干旱频率分别在10.0%~16.7%、28.3%~40.0%和51.8%~60.0%之间,晚稻最容易受干旱威胁。早、中、晚稻雨涝频率分别在1.7%~15.0%、1.7%~3.3%和0~1.7%之间,早稻更容易受雨涝威胁。总体上,四湖流域早稻发生旱涝灾害的频率较小(20.7%),中稻次之(37.0%),晚稻最容易受旱涝威胁(56.0%),水稻耗水与降雨匹配程度为:早稻>中稻>晚稻,要特别注意晚稻干旱缺水问题。

江汉平原河湖水系连通性评价研究

河湖水系连通性评价对实施区域水网连通战略,提高区域水资源统筹调配和承载能力,修复和改善水生态环境具有重要意义。以江汉平原河湖水系为研究对象,采用考虑闸站阻隔效应的改进图论法与基于多维连通机制的层次分析法,从网络结构和连通功能两方面分析评价了河湖水系连通现状与影响因素。结果表明:①研究区水网结构连通性得分为0.7172,处于“较好”等级,但空间分布不均衡,西部和东部连通性较高,中部连通性较低,通顺河流域连通性高于四湖流域;②研究区水网功能连通性得分为0.6885,处于“较好”等级,主要受区域灌排闸站数量较多、控制程度较高、闭合时间较长等不利因素影响,局部地区如四湖总干渠、通顺河以及洪湖等水流不畅,连通性较低;③结构和功能连通性评价结果基本一致,评价方法可靠性及适用性较强,可为江汉平原水网工程体系调整与生态河湖连通系统建设提供一定参考。

城乡结合带污染物入河特征及控制策略优化

城乡结合带是流域复杂多样污染物的主要源汇区。科学识别该类区域的污染物入河湖特征,并根据河湖水功能区划等环境保护目标要求,优化区域城乡发展规模与种养结构,对河湖保护和综合治理具有重要意义。以四湖流域中下区这一典型城乡结合带为研究对象,采用改进输出系数法与浓度法,分别计算2008-2018年各市县的非点源与点源污染物入河量,得到污染物入河时空分布规律与特征,探明洪湖市农业种养是主要贡献源区之一。通过建立区间模糊多目标规划模型,对低、高两种节水控污水平下2030年种养结构及城乡规模进行了优化。结果表明:(1)2008-2018年研究区TP、COD入河量呈增高趋势,分别增加3.86%、11.11%,而NH3-N减少14.91%,TN减少0.4%,各类污染物入河总量最大值来源由监利市转移至洪湖市,研究区污染主控来源由城市污染逐渐转为农村污染,应加强农村面源污染的治理;(2)2030年研究区优化后节水减排效果显著,在高节水控污水平下荆州区域和潜江区域的万元GDP用水量比2018年最多下降42.2%和61.7%,TN、TP、COD、NH3-N比2018年最多分别削减47.9%、50.5%、56.2%、57.3%;(3)2030年研究区内水田种植应转变为旱作或虾稻种养模式,畜禽养殖量缩减20.9%,水产养殖量增加8.9%,农村人口缩减48.5%~49.4%,城镇人口增加76.2%~77.7%,工业增加值提高183.4%~183.9%。研究结果为洪湖水环境治理和四湖流域污染物入河总量控制提供了科学依据。

稻田水肥资源高效利用与调控模拟

水和肥是影响作物产量与生态环境的重要因素。为揭示稻田水肥利用规律,以达到稻田节水、省肥、高产、减排的目标,该文以湖北省漳河团林实验站稻田水肥耦合灌溉与控制排水试验观测数据为基础,联合运用作物生长模型ORYZA2000和田间水文模型DRAINMOD6.0,模拟分析不同降水、节灌、施肥、控排条件下的水稻产量与稻田排水量响应关系,得出了稻田水肥调控的临界条件,即采用稻田间歇灌溉方式,灌水定额30mm,施氮量170kg/hm2左右,控制排水水位20cm时,节水12.5%～18.87%、省肥35.1%、增产11%、减排19.9%。本研究对加强农田水肥科学管理,提高水氮生产效率,防治农业面源污染,促进灌区可持续发展具有重要意义。

基于净效益最大的水资源优化配置模型与方法

本文分析了现有水资源配置理论的优缺点,提出了水资源净效益的新概念及内涵。从生态环境保护、水权转让、利益补偿、水价形成和集中控制等方面探讨了基于水资源净效益思想的水资源配置机制,确立了包括生存条件、承载能力、用水公平性和可持续性约束的水资源开发利用约束准则。构建了基于水资源净效益最大的水资源优化配置模型,该模型包括水资源配置方案生成模型和水资源配置合理性评价模型。经郑州市郑东新区龙子湖地区水资源优化配置实证分析,取得了实用性成果与结论。

基于AquaCrop模型的有机稻灌溉制度优化

随着人们对提高农业生产效率方法的不断探索,水稻生产模式正发生很大变化,并由化肥农药高投入的传统农业向生态环保的有机农业转变,但有机稻需耗水特性及其适宜的灌溉制度研究较少。为揭示有机稻耗水规律及不同降水年型下的灌水与产量关系,2015-2016年在湖北省漳河灌区开展了有机稻灌溉试验研究,统计分析了有机稻与普通稻的需耗水差异,获得了有机稻耗水及其产量特性,提出了基于Aqua Crop模型与熵值法耦合的有机稻灌溉制度多目标多情景优化方法。结果表明:1)有机稻与普通稻需水量无显著差异,但前者的排水量显著高于后者,且前者排水中的氮磷浓度均显著降低。有机稻产量为普通稻产量的84%,但单方灌水产值高28.5%(P<0.05),具有显著的经济效益。2)优化后中国南方灌区有机稻适宜的优化灌溉制度为:枯水年,108%(以RAW计,下同)的土壤含水率控制下限、30 mm的灌水定额、灌水8~9次,平水年113.85%的土壤含水率控制下限、32.31 mm的灌水定额、灌水6~7次;丰水年,116.92%的土壤含水率控制下限、32.31 mm的灌水定额、灌水3~4次。该文为选择节水、高产的有机稻灌溉方案提供参考。

城市水安全指数及其评价标准

考虑现有水安全定义以及水安全系统的特征,在尝试给出城市水安全定义的基础上,从城市规模、防洪安全、供水安全以及水环境安全4个方面,构建了针对南方湿润地区的城市水安全评价指标体系以及评价标准,并选用层次分析法确定了各指标的权重。借鉴边际效益递减原理,利用指数型功效函数实现了指标的标准化。引入协调度和发展度的概念,用于衡量水安全系统及其子系统发展的有序性、稳定行和协调性。利用该模型对武汉市2003年-2009年水安全状况进行了评价,计算结果表明,水安全目前处于"相对安全"状态,并且有逐年改善的趋势。实例应用结果验证了该模型的可行性与有效性,在城市水安全评价中有一定应用价值。

抬高水库汛限水位的洪水资源化利用研究

要 :以河北洋河水库汛限水位分析为例 ,采用水库洪水调度多目标动态规划模型 ,模拟计算了不同频率入库洪水下水库不同汛限水位所对应的蓄、泄洪关系。在此基础上建立了综合考虑入库洪水、水库安全运行、下泄洪水超下游地区防洪标准、下泄洪水减少导致下游生态环境用水破坏等不确定性因素的水库汛限水位抬高风险评估模型与多目标风险决策模型 ,并对不同汛限水位下洪水资源化利用效益进行了计算 ,得出了不同频率入库洪水下的水库最优分期汛限水位方案。

灌区水资源高效利用调控理论与技术研究进展

灌区水资源高效利用调控理论与技术研究,对提高灌区水、肥资源利用率,防止涝渍、盐渍灾害,控制农田面源污染,修复生态环境,促进农业节水与水资源可持续利用具有重大意义。该文在总结国内外研究成果的基础上,系统分析了灌区水资源高效利用调控理论和技术两方面的研究现状,并指出了该项研究需进一步探讨和解决的问题。

灌区信息化建设面临的难点及对策

灌区信息化是灌区现代化的基础和重要标志 ,是灌区可持续发展的必然要求。研究了我国灌区信息化建设的背景 ,分析了国内外建设现状 ,指出我国灌区信息化建设面临着经济基础薄弱、涉及面广、建设周期长、技术不成熟等一系列难点 ,并针对我国灌区实际 。

基于改进突变理论评价法的农业用水效率评价

为了分析湖北省农业用水效率变化情况、用水现状及未来节水农业的发展方向,构建了农业用水效率的评价指标体系,采用改进的突变理论评价方法对湖北省2001～2010年的农业用水效率进行了综合评价。结果表明,对于农业用水效率这一非连续变化的复杂体系,基于突变理论的综合评价克服了权重确定方法的主观性,提高了综合评价值的分辨率,评价结果更符合实际。分析表明,过去10 a中,湖北省农业用水效率经历了一个不平稳的上升过程,目前仍处于中等微偏上水平,还有相当大的上升空间。

综合利用水库水量水质统一调度模型

水库水量水质统一调度是水资源可持续管理的一项重要内容 .本文以河北省洋河水库为例 ,建立了引水、供水、灌溉、防洪等综合利用的水库水量水质统一调度大系统多目标分解聚合模型 ,给出了变动惩罚系数多维多目标离散微分动态规划与自优化模拟技术相结合的兴利调度方法。

自优化模拟技术的最优性与收敛性

本文结合跨流域调水工程的特点，较系统地论述了自优化模拟技术的一些基本理论和方法，给出了模拟自行优化的最优性和收敛性准则，并进行了数学论证．

洋河水库防洪实时优化调度模型研究

针对河北省洋河水库特点，建立了有模糊约束条件的防洪优化调度模型，提出了含变动罚函数的离散微分动态规划法，给出了模糊防洪库容计算公式。由成果分析表明，所提模型与方法是可行和实用的。

我国水利信息化建设的难点与对策

我国水利信息化工作自“七五”期间起步,2003年《全国水利信息化规划》出台标志着水利信息化的全面展开,通过国家防汛指挥系统等一系列系统的建设,已经取得了很大进展。但要实现水利行业的信息化,仍面临认识不足、资金困难、缺乏基础数据库、IT人才匮乏等难点。同时我国水利信息化指数仅为30%,而美、俄、日发达国家在20世纪90年代达到95%以上,差距较大。因此,应加大宣传,提高认识,全方位多渠道的融资转变用人机制,吸引IT业人才投入水利信息化建设。

大型渠道工程规模的优选方法

应用系统工程和渠道设计的理论与方法，研究了大型骨干渠道工程设计流量和加大流量的优选问题，为今后研究大型渠道工程的规模提供了理论依据和设计方法．该方法已用于研究南水北调中线工程总干渠．

水资源优化配置研究

分析了现有“以需定供”的水资源配置、“以供定需”的水资源配置、基于宏观经济的水资源配置和可持续发展的水资源优化配置理论存在的缺陷，如：①缺乏有效的生态环境保护机制，忽视水资源的过度利用引起的耗竭损失（边际使用代价）和环境破坏损失（边际外部代价），必然造成资源的潜在耗竭和生态环境的潜在破坏；②缺乏有效的利益补偿和激励机制，市场配置效力未能充分发挥，造成水资源整体配置的低效；③缺乏有效的水资源系统演化合理性评价和控制体系，不能对配置方案进行客观合理的评价，不能对配置过程进行有机的协调处理；④可持续发展的水资源优化配置理论虽然遵循人口、资源、环境和经济协调发展的战略原则，但缺乏对水资源可持续开发利用约束准则的量化研究，不论在模型结构还是模型建立上都与实际应用还有相当的差距。在此基础上，根据福利经济学、水资源价值和边际机会成本理论，提出了水资源净福利的概念：水资源净福利是对传统水资源福利的一种“绿化”．是从传统水资源福利中扣除水资源开发牛产成本、水资源耗竭损失和环境破坏损失．并考虑水权转让补偿效；

基于神经网络的干旱内陆河流域生态环境预警方法研究

以甘肃省河西走廊疏勒河流域为例，对干旱内陆河流域生态环境预警分析问题进行了研究，提出以绿色当量面积作为该类流域主要生态环境预警指标，建立了基于人工神经网络的生态环境预警模型，给出了生态环境质量量化与预警分析方法。