协调公平与效率的“四水四定”研究Ⅰ:方法与模型

针对水资源刚性约束落地缺抓手的问题,按照以水定发展、协调定规模的理念,提出“四水四定”的分析思路和控制指标,厘清各类发展目标与水资源利用的协调关系。以公平为社会目标,以效益为经济目标,提出“尊重现状、保障刚需、效率驱动、区域均衡”的协调优化准则,建立目标函数和约束条件,构建“四水四定”多目标协调模型,以满足保障刚性需求基础上的水量高效流转,确定发展规模和水量分配方案。模型选取人均GDP最大实现效率驱动,使有限水量产生更大效益;选取区域人均GDP差异最小、发展匹配度最高实现发展公平,缩小区域经济差异;通过约束条件反映水资源约束、刚性需求保障、水源用户配置关系、经济社会发展合理范围等要求;设置罚函数协调约束条件不能满足时的目标值调整。通过归一化方法将多目标转化为单目标,基于现状设置初始条件,采用线性规划等方法求解,得出协调产业发展和水量优化分配的整体结果,通过结果评价反馈调整,形成可服务于经济社会发展和水资源管控决策的方案。

水土保持碳汇研究进展与趋势

结合我国实现碳达峰碳中和目标的现实需求,强调人的“工作”在碳汇实现方面的作用,提出水土保持碳汇概念、内涵等。分析水土保持碳汇的机理探索与核算方法,并结合水土保持工程措施、林草措施、农耕措施等措施与碳汇之间的关系,介绍水土保持碳汇研究进展,探讨其未来发展趋势。

基于知识图谱的城市洪涝灾害链推演及时空特性解析

城市洪涝灾害具有链式传播特性,解析城市洪涝灾害链的传递规律和时空演变特征对于阻断灾害链具有重要意义。本研究以郑州“7·20”特大暴雨洪涝灾害中地铁5号线被淹和京广快速路隧道被淹2个事件为案例,构建知识图谱揭示灾害链传递规律。通过复盘灾害链的演变过程,从中识别灾害链中的诱发点、引爆点、扩散点以及放大点,并着重分析致灾机理以及灾害链的时空特性,以灾害曲线形式直观展示不同灾害链的影响程度。郑州“7·20”洪涝灾害典型案例解析表明,两事件存在多个灾害链阻断时机,在救灾过程中应综合考虑灾前、灾中因素的影响,果断采取断链措施,并且要充分发挥应急措施的时效性,及时阻断引爆点和扩散点,降低洪涝灾害损失。该方法能够应用于链式灾害的复盘,指导分析具体事件的致灾机理和救灾切入点。

城市新区极端雨洪汇流淹没特性与致灾机理调查研究——以郑州“7.20”特大暴雨(郑东新区)为例

近年来全球极端暴雨发生的可能性与不确定性提高,增加了城市遭遇特大洪涝灾害的风险。城市雨洪与河道洪水有显著差异,灾后雨洪信息快速采集与调研对认清雨洪特性与致灾机理尤显重要。本文以郑州2021年“7.20”特大暴雨为例,结合郑东新区地理与社会环境特点,采用野外调查测量、口述记录、多源数据分析、数值模拟对比相结合的方法开展了城市雨洪汇流淹没特性及致灾机理的调查研究。针对城市雨洪洪痕特征,拟定调查基本方法与适宜工作程序,根据调查区93处洪痕数据绘制了区域雨洪淹没分布图,分析了城市雨洪峰值水位分布特征及调查区汇流特性,探索了道路雨洪汇流流速及行洪道路阻力参数的确定方法。研究表明,城市雨洪地表主要泄流通道是街区道路,汇流方向受连续阻水、导水建筑与路网布局影响,雨洪淹没深度分布与下垫面条件和雨洪汇流特性有关。致灾机理研究分析表明,极端暴雨汇流远超城市排水管网泄流能力,雨洪选择阻力小的街道快速行洪,街道交汇处壅阻引起局部积水严重,这是极端暴雨致灾的直接诱因;而城市新区水系泄洪排涝关系不协调以及清障不力,导致城区河流行洪不畅,干支流异常高水位的顶托,严重降低了管网排涝功能,则是城市雨洪严重积涝致灾的深层原因。研究成果可为城市雨洪调查标准方法的建立与城市新区防洪排涝体系规划提供技术参考。

河北省涿州市“23.7”洪水模拟反演分析及思考

河北涿州“23.7”洪水影响大、损失重。为分析其原因,以及为灾后的恢复重建与今后的防洪治理等提供参考思路,建立了涿州市相关区域二维洪水数值仿真模型,对涿州市“23.7”洪水进行模拟反演及淹没影响对比分析。结果表明:除极端暴雨引发的洪水量级大外,涿州市特殊的地理位置,防洪工程薄弱,蓄滞洪区内建设用地大量增加,是本次洪水影响大、损失重的主要原因。涿州市今后的防洪治理及其蓄滞洪区内的土地开发建设,除参考相关区域的开发经验外,更应加强防洪工程建设、完善洪水防御体系、加强蓄滞洪区的建设与管理,强化洪水风险分析及实时预报预警,提高公众的洪水风险防范意识等。

渤海和黄海北部工程设计冰厚变化趋势分析

针对渤海和黄海北部沿岸风电、光伏和核电等新兴能源中的工程海冰设计问题,本文研究了重现期冰厚及其在大气候背景下的变化趋势。本文分析72 a冰级时间序列表明渤海和黄海北部总体冰情等级呈明显下降趋势;在此影响下,基于20 a渤海和黄海北部海冰多源观测数据和精细化海冰数值预报资料,研究发现不同重现期冰厚较之前海冰区划值存在不同程度的降低。此外,不同场址设计冰厚受当地海洋环境条件影响较大,单一参考海冰区划值可能存在较大误差。研究表明:针对特定作业地点的工程设计冰厚,需要有针对性地开展精细化评估并考虑大气候背景变化的影响,才能为相关工程海冰参数设计提供更加可靠的依据。

九洲江中下游超标准洪水及风险防御分析

九洲江面临北部湾,是广东省西部独流入海的主要河流之一,洪水、暴潮等自然灾害尤为严重。为提升九洲江防御超标准洪水能力,文章调查了九洲江中下游防洪工程体系和防洪保护区基本情况,分析了九洲江洪潮遭遇情况,采用二维数学模型分析九洲江超标准洪水,得到了超标准洪水淹没范围和淹没深度,提出了风险防御对策。

湛江市中心城区超标准洪水风险分析及防御对策探讨

基于对湛江市洪涝灾情特征、防御工程体系、中心城区洪水风险因素的综合分析,通过建立洪水分析模型,计算得出湛江市中心城区发生超标准洪水时,中心城区有13个镇(街)受淹,23个行政村(社区)、约8000人需进行人员避险转移,研究成果可为预报预警、应急响应及避险转移等防御超标准洪水措施提供相关对策建议。

欧美亚典型发达国家洪水标准及应对气候变化策略

针对洪水标准选用及应对气候变化适应性政策制定问题,系统调研欧美亚典型发达国家在该领域的研究及应用成果,从工程设计洪水标准和流域洪水管理标准等角度综述美国、荷兰、英国和日本洪水标准的制定政策,从气候变化对设计暴雨/洪水的影响角度分析总结英国和日本在应对气候变化上的适应性对策。建议在洪水标准及气候适应对策研究中抛弃单纯依据大坝尺寸确定洪水标准的方式,基于动态发展及整体-局部互馈关联视角,兼顾气候变化对暴雨洪水的影响,从洪水潜在危害及风险角度出发,制定相应的政策规范。本综述可为我国新时期洪水标准选用规则及适应气候变化策略的制定提供参考。

河口海岸沉积层理特征与形成机制

河口海岸地处海陆交界带,其沉积层理特征与形成机制是沉积动力学、动力地貌学和地层学等学科方向的研究热点,对评价海岸工程环境效应、重建沉积古环境等具有重要参考价值。通过梳理河口海岸区域径流、潮汐、波浪等多种动力因子作用的研究成果,归纳不同动力主导作用形成的沉积层理特征,剖析3种基本动力对沉积层理塑造的动力学机制,阐释洪水、风暴偶发动力因子以及生物扰动、海平面变化、围垦工程等其他影响因子对沉积层理形成和保存的作用机理。同时,总结了数值模拟手段在沉积层理形成和破坏机制解译方面的应用及取得的机理认知,提出在河口海岸沉积层理时空尺度认知、多因素耦合反演模型开发应用等方面有待进一步研究的科学问题。

协调公平与效率的“四水四定”研究Ⅱ:应用

宁夏干旱缺水且发展不均衡,以水定需是必然选择。本文针对宁夏水资源条件和经济社会特征,构建协调公平与效率的“四水四定”优化模型,开展全区“四水四定”方案分析。模型以用水总量红线指标为水资源刚性约束,根据区域发展战略确定刚性保障需求,通过水与“四定”协调关系分析得出经济社会发展和用水效率可行变化范围。以2019年为现状、2025年为目标年,采用模型协调优化得出“四定”规模控制目标,以及分行业和区县的用水总量控制指标。结果表明,在全区73.27亿m 3用水总量和41.5亿m 3耗水约束下,满足全面小康的“四定”规模为750万人、5481亿元GDP、84.7万hm 2灌溉面积和791 km 2建成区面积。通过对比分析方案的公平性和效率提升状况,揭示了不同行业、区域的水量流转方向,表明约束设置对结果有显著影响,可为区域经济社会发展和水资源管控决策提供参考。

基于溃决机理的堰塞湖溃决快速风险评估方法研究

堰塞湖发生后极易形成溃决灾害链,亟需构建基于有限数据包的溃决快速定量风险评估方法。通过快速获取堰塞湖影响区域的三维地理信息,构建溃决-致灾的快速定量评估模型。基于堰塞湖坝体颗粒级配组成,实现精细化、简单化的稳定性快速评价;基于冲蚀特性和崩塌过程溃决机理,实现溃口流量变化过程分析与洪水演进过程模拟(1 h内);基于极限学习机网络模型建立风险人口与生命损失的函数,实现了生命损失评估预警,明晰了溃决-致灾的灾害链效应。将其应用于唐家山堰塞湖实例发现:研究方法能够较好地预警溃决灾害链;开挖引流槽可降低堰塞湖的溃口峰值流量、最大流速、溃口宽度和溃决库容,但无法防止溃决发生;若不开挖引流槽,溃决库容将达到3.14×10^(8) m^(3),溃口峰值流量达到9343.35 m^(3)/s,溃口顶宽增大到151.6 m,开挖引流槽可使溃口峰值流量减少12.6%,溃决库容减少36.5%,降低了堰塞湖的溃决风险;当提前预警时间超过2 h后,及时疏散下游淹没范围内的居民可使生命损失率降低为0。研究方法可实现堰塞湖应急处置时的快速定量风险评估,并为其应急处置决策提供技术支撑。

基于脆弱性曲线的寿溪河流域村镇建筑洪灾风险评估

以寿溪河流域的村镇建筑为研究对象,采用MIKE FLOOD耦合水动力模型计算洪水淹没特征,结合结构静力学原理与洪水冲击荷载经验公式,建立村镇建筑的洪灾脆弱性曲线,开展洪灾风险评估。结果表明,寿溪河流域洪水淹没范围呈狭长的条状,洪水流速较大。低重现期下房屋以中低风险为主,高重现期下高风险与极高风险房屋主要分布在洪水发生点、洪水淹没区以及河坝村附近。建立的脆弱性曲线考虑了洪水流速的影响,能较好地刻画村镇建筑的结构损伤程度。

利比亚德尔纳2023年极端洪水模拟复盘分析

全球气候变化背景下,极端强降雨和洪涝等水文事件的极值屡屡刷新历史记录,造成重大损失。2023年9月10—11日,在地中海飓风“丹尼尔”的影响下,利比亚东北部地区发生罕见特大暴雨,引发德尔纳市上游两座水库接连溃决,造成巨大人员伤亡。本文对德尔纳市极端洪水事件进行了梳理,并以德尔纳市洪灾及受影响区域为研究对象,建立了二维水动力模型,对溃坝洪水进行了模拟和复盘分析。通过哥白尼应急管理服务(Copernicus Emergency Management Service,CEMS)提供的受灾数据对模型结果进行对比验证(CEMS持续监测欧洲和全球即将发生或实时发生的灾难事件)。结果显示,影响德尔纳市的溃坝洪水持续了2 h左右,对城市的破坏主要集中在前30 min。本次复盘分析了德尔纳市溃坝洪水演进与风险分布特征,可为我国城市地区大坝溃决风险防控、早期预警和应急管理提供参考借鉴,同时也可为世界其他地区的大坝溃决风险防控、早期预警和应急管理提供参考借鉴。

1980—2020年全球重大洪灾时空特征探析

为充分理解全球洪涝灾害的时空演变规律,基于长时间序列全球历史洪灾数据,运用数理统计和GIS空间分析方法,在不同空间尺度和年代际、年际的时间尺度上,全面分析了1980—2020年重大洪涝灾害的时空特征。结果表明:①全球洪灾次数在21世纪前10 a达到峰值,死亡和影响人口在1990s达到峰值,累计经济损失在2010s达到峰值,次均经济损失在1990s和2010s最高;②洪灾发生次数及造成的经济损失在1980—2020年期间呈显著上升趋势,每次洪灾造成的人口损失呈现下降趋势;③亚洲洪涝灾害严重,洪灾的发生次数、死亡人数、影响人口及经济损失的累计值分别占全球总数的41%、68%、95%和63%,然而包括中国在内的亚洲诸多国家的洪灾人口损失呈下降趋势;④全球重大洪灾呈东西向分布,灾害重心有南移趋势,洪灾由集中趋于分散,影响区域逐渐变广。

城市曲面应急防洪屏结构优化研究

研发新型防洪抢险装备,对于防御城市洪涝灾害,保障城市生命线安全具有重要的意义。采用数值仿真模拟的方法,分析了城市曲面应急防洪屏(以下简称“防洪屏”)曲面拱度对结构受力特性的影响,进一步对防洪屏的结构体型进行了优化研究。结果表明:在同一挡水工况下,随着曲面拱度的增大,防洪屏在同一挡水条件下,所承受的应力逐渐减小,变形明显改善;根据计算结果提出了优化方案,优化的新体型防洪屏在水深小于0.8 m,流速小于1.0 m/s挡水工况下,结构最大应力小于材料特性指标安全极限阈值,满足挡水安全稳定要求,可以作为定型装备推广应用。研究成果为城市曲面应急防洪屏的优化设计提供了重要参考依据。

城市水库溃坝耦合极端降雨前后模拟对比分析

以探究城市上游水库溃坝耦合极端降雨及仅溃坝两种工况下洪水灾害程度的变化为目标,确定郑州市二七区、中原区、金水区及惠济区为研究区域,结合芝加哥雨型公式及长历时暴雨强度公式推求设计暴雨,依托“7·20郑州特大暴雨”实测数据推求研究区域产汇流特征,建立极端降雨与洪水过程的响应关系。在此基础上,以郑州市二七区尖岗水库为研究对象,构建两种工况下二维溃坝洪水演进模型,对水情信息进行对比分析。结果表明:相比于仅溃坝,降雨耦合溃坝工况下淹没范围更大,其中增加的淹没范围内各点的最大水深、流速、洪水严重性程度均处于较低等级。在河道两侧,两种工况下各等级水深、流速及洪水严重性淹没范围大致相同;地势较低的区域降雨耦合溃坝工况下淹没水深和流速增大较多,易涝点水深增加约0.6 m,选取断面水面线升高约1 m。

径流序列相空间重构的水文学含义及应用

为确定径流序列相空间重构后的水文学含义并提高径流中长期预测精度,基于混沌理论进行径流序列相空间重构,并对径流影响因素与重构后相空间列向量进行相关性分析。在此基础上建立了混沌理论与人工神经网络耦合(Chaos-BPNN)的径流预测模型,并应用于黑河上游莺落峡水文站和正义峡水文站。结果表明:径流序列重构后相空间列向量具有明确的水文学含义;Chaos-BPNN径流预测模型仅需径流序列数据就可进行建模和预测,规避了径流预测过程中主控因素难以确定和不易量化的问题;黑河上游降水量、输沙量、水位和气温分别与重构后相空间的第1、3、6、7列具有较高的相关性,风速与任何一列都不相关,推测雪线高程、植被覆盖率以及土地利用类型等因素与第2、4、5列存在相关性;构建的Chaos-BPNN径流预测模型在黑河上游莺落峡水文站和正义峡水文站的径流预测精度均在86%以上。

河流生态产品及其市场价值实现机制研究进展

河流生态产品价值实现机制是实现区域生态保护和社会经济协同高质量发展的重要手段。各类河流生态产品具有向河流本地转移和下游受益区域外溢的双向流转特征,但目前直接针对上述特征的市场价值双向分类实现机制研究仍处于起步阶段。基于上述问题,本文在界定河流生态产品的概念及其内涵基础上,梳理和总结了河流生态产品的延伸范围、动态市场价值的计算方法及其市场价值双向分类实现机制三方面的研究现状,指出上述研究的不足并提出未来重要的研究方向。以期为后续建立长效的河流生态产品市场价值实现机制提供有益借鉴和参考。

基于水系完整性的襄阳市防洪排涝体系建设战略

人类社会发展对河湖水系的干预和侵扰引发了危及自身的负效应。城市化进程中人水争地导致洪涝水蓄滞空间不足和出路不畅成为当代城市洪涝灾害的主要原因,也是水生态系统受损的根本原因之一。从维系良性水循环、保持水系健康、有效保障水安全的治水目标出发,提出水系完整性的概念与内涵;从水系格局与功能两个方面分析了1950年以来的襄阳市水系演变,并基于水系完整性的基本理念,研究了襄阳市水系空间管控策略;遵循新时期发展战略,结合国际治水前沿和发展趋势,提出了襄阳市防洪排涝体系建设的目标、布局及重点。